基于流變性能試驗的瀝青高溫穩定性評價

弓文政

(湖南岳常高速公路開發有限公司)

高溫穩定性，也稱為高溫抗車轍性能，即抵抗高溫條件下流動荷載反復作用產生瀝青混合料變形的能力。我國大部分地區夏季的最高氣溫一般能達到35～40 ℃以上，而瀝青路面的最高溫度會比最高氣溫高25 ℃，再加上高溫氣候持續時間的增長，將可能使得瀝青路面在使用過程中迅速變形破壞。而瀝青作為一種典型的粘彈性材料，在這種高溫條件下其材料的高溫穩定性對瀝青路面的基本使用性能起著決定性的作用。SHRP 的研究結果顯示，瀝青對于高溫車轍的貢獻率達到29%。所以說針對瀝青的高溫穩定性進行研究對于瀝青路面的使用是很有必要的。國內相關規范采用軟化點和60 ℃粘度作為評價瀝青高溫使用條件下的性能指標。而superpave 瀝青結合料規范則從流變學的角度對瀝青的高溫穩定性進行分析。通過采用動態剪切流變儀測定復數剪切模量G* 和相位角δ 及車轍因子G* /sinδ 來評價其高溫條件下的抗車轍性能。但是許多針對瀝青的抗車轍性能的研究，僅僅是將車轍因子作為唯一的評判標準，沒有考慮到不同溫度、不同行車荷載甚至不同路面結構對其性能的影響，在實際應用中往往會導致瀝青使用的局限性。所以針對這些影響因素進行研究分析，通過對不同種類瀝青進行流變試驗，綜合分析其高溫穩定性。

1 試驗材料及測試方法

1.1 試驗材料

試驗所采用的三種瀝青分別為70#基質瀝青、SBS 改性瀝青以及高模量瀝青。具體相關技術指標如表1 所示。

表1 瀝青相關技術指標結果

1.2 試驗方法

采用superpave 規定的瀝青膠結料規范為試驗依據，使用TA 牌AR－1500ex 型號動態剪切流變儀對三種不同瀝青進行標準動態剪切試驗。通過改變相關參數，從溫度水平、頻率水平及應變水平三個方面進行性能研究，并分析數據及分別對其高溫穩定性進行評價。

2 試驗結果分析

2.1 溫度掃描

瀝青作為一種粘彈性材料，其材料性能具有很大的溫度依賴性。SHRP 規范中通過動態剪切流變儀對瀝青進行溫度掃描(52～83 ℃)，分析其復數剪切模量G* 、相位角δ 以及車轍因子G* /sinδ 在不同溫度條件下的變化情況。

圖1 各種瀝青的G* 和δ 與溫度的半對數關系圖

由圖1 可知，三種瀝青的復數剪切模量G* 均隨著溫度增大而減小，均呈現一條下降的直線。這是因為隨著溫度的升高，瀝青的主要成分在高溫情況下逐漸呈現粘流態。復數剪切模量G* 是最大剪應力與最大剪應變的比值，該值越大，表面材料的彈性性能越好。在這種情況下，最大剪應力減小，而最大剪應變變大，這就直接導致了復數剪切模量G* 的減小。高模量瀝青的G* 曲線和SBS 改性瀝青的曲線較為接近，而基質瀝青的曲線與它們兩者差別明顯。相關研究表明，曲線的斜率可以很好的反映出復數剪切模量G* 對溫度的敏感性。如圖1 所示，高模量瀝青和SBS 改性瀝青對溫度依賴性基本相同，均小于基質瀝青。這表明，高模量瀝青和SBS 改性瀝青受溫度影響程度比基質瀝青要小。針對相位角δ 而言，它反映的是復數剪切模量G* 中彈性成分和粘性成分的比例，δ 值越大則說明粘性成分多而彈性成分少，而彈性成分是可恢復的，決定了抵抗車轍能力。由圖1可看出，隨著溫度逐漸升高，基質瀝青的相位角δ 最大逐漸接近90°，δ 值接近90°則意味著瀝青中粘性成分過多，接近粘性狀態，此時的變形基本為永久變形，這就意味著基質瀝青基本喪失了高溫下抵抗車轍的能力。SBS 改性瀝青的相位角δ 呈下降趨勢，數值介于基質瀝青和高模量瀝青之間。而高模量瀝青的相位角δ 則最小，這表明高模量瀝青在高溫情況下所含彈性成分最多，可抵抗變形能力也是最好的。所以在評價高溫性能時，較大的G* 值與較小的δ 值是比較好的。

圖2 各種瀝青的G* /sinδ 與溫度的半對數關系圖

G* /sinδ 值的大小直接反映了瀝青的抗車轍性能的好壞，G* /sinδ 值越大表示其抗車轍性能越好。由圖2 可發現，各種瀝青的G* /sinδ 與溫度有著良好的線性關系，隨著溫度的增加均減小。無論在何種溫度情況下，高模量瀝青的G* /sinδ 值最大，SBS 改性瀝青的次之。而基質瀝青的G* /sinδ 值最小，且在82 ℃時接近為0 kPa，此時基本喪失抵抗車轍能力。參考它們曲線的斜率，與G* 曲線的斜率基本一致，說明它們對溫度依賴性與之前分析是相同的。結合之前關于復數剪切模量G* 與相位角δ 的分析來看，高模量瀝青的抗車轍性能最好，SBS 改性瀝青次之，基質瀝青最差。

2.2 頻率掃描

動態剪切試驗中將角速度ω 設定為10 rad/s，這是因為superpave 規范是將70 km/h 定位為標準速度進行換算得來的。但是路面實際行車荷載是動態的加載效應，不同頻率狀態下所表現出來的性能也是不一樣的，所以只從單一頻率來分析材料性能是不夠的。選取在一個特定溫度(50 ℃)下，通過對瀝青進行頻率掃描，檢測G* /sinδ 值的變化。頻率掃描范圍為1～100 rad/s。

圖3 50 ℃下各種瀝青的G* /sinδ 與頻率的半對數關系圖

由圖3 可知，在50 ℃條件下，隨著頻率的增加，三種瀝青的G* /sinδ 值均變大，并且均呈現出較好的線性關系。高模量瀝青的G* /sinδ 值最大，SBS 改性瀝青的模量次之，基質瀝青的最小。高模量瀝青的G* /sinδ 值從1 rad/s 時的8 kPa 上升至100 rad/s 時的125 kPa;SBS 改性瀝青的G* /sinδ值則從3.9 kPa 上升至107 kPa;基質瀝青的G* /sinδ 值則從1.3 kPa 上升至106 kPa。頻率越大，三者之間的差異就越小。頻率越低則意味著行車速度較慢，此時三種瀝青的G* /sinδ值均較低，這意味著抵抗車轍能力也越弱。停車場、陡坡道等地方的車轍痕跡就是很好的例子，這些地方的行車速度慢，變形較大，所以更容易出現車轍。而隨著頻率升高，行車速度加快，荷載與路面的接觸時間段，變形小，不容易產生車轍，此時它們的抗車轍性能也更好，直接在圖表上反映出來的就是G* /sinδ 的變大。三種瀝青在頻率逐漸增大時，G* /sinδ 值之間的差異越來越小。綜合分析，高模量瀝青在高溫、低頻階段所具備的抗車轍能力是最好的，而隨著頻率逐漸增大，三種瀝青的抗車轍能力逐漸趨于接近。

2.3 應變掃描

應變水平的選取與路面結構有著很強的聯系，應變值選取的較小則意味著路面結構較強，反之則較弱。而DSR 試驗所選取的應變水平值一般是固定的，這與實際路面結構強度是不一致的，所以為了恰當的評價其高溫穩定性，要對其進行應變掃描，以便分析其不同應變條件下的高溫穩定性。

圖4 50 ℃下各種瀝青的G* /sinδ 與應變的關系圖

圖5 70 ℃下各種瀝青的G* /sinδ 與應變的關系圖

由圖4 可知，在50 ℃條件下，高模量瀝青的車轍因子最大，SBS 改性瀝青次之，基質瀝青最小。高模量瀝青的車轍因子基本不受到應變的影響，基本呈現一條直線，這說明高模量瀝青在承受較大的應力時不會發生變形。而SBS 改性瀝青的車轍因子呈一個微弱的下降趨勢，由25.23 kPa 下降至23 kPa。減小程度最大的是基質瀝青，下降了2.8 kPa。由圖5 可知，在70 ℃條件下，各種瀝青的車轍因子大小排序與50 ℃下一致，但是曲線形狀出現了明顯的不同。基質瀝青的車轍因子很小，且其車轍因子曲線基本呈現一條直線。參考之前的溫度掃描分析，基質瀝青的相位角δ 在70 ℃時已接近90°。這說明基質瀝青的主要成分已變為粘性成分，基本喪失了抵抗車轍的能力，失去了對應變的依賴性。SBS改性瀝青在70 ℃時仍具備一定的抗車轍能力，但是與高模量瀝青相比存在明顯差距。高模量瀝青的車轍因子曲線雖然呈現一條下降的曲線，由5.4 kPa 下降到了3.5 kPa，但是在整個應變掃描范圍內都要比其他瀝青表現出更好的抗車轍性能。究其三者瀝青車轍因子下降的原因，溫度占有主導因素。溫度升高導致瀝青粘性成分的增多，相位角δ 增大，進而導致變形更容易，這就會使得G* /sinδ 值的變小。綜合比較這三種瀝青來看，高模量瀝青無論是在50 ℃還是70 ℃情況下，其受應變影響程度最小，即使在高溫情況下，在不同應變條件下的抗車轍性能仍最佳。SBS 改性瀝青處于中間階段，高溫條件下沒有喪失抵抗車轍能力，與高模量瀝青相比差距明顯，但是仍優于基質瀝青。基質瀝青在高溫情況下，基本喪失了對車轍的抵抗能力，此時受應變的作用較小，這主要還是由溫度作用引起的。

3 結 論

通過從不同溫度、頻率以及應變條件下的試驗可以看出，在分析瀝青的高溫穩定性時，不能簡單的根據車轍因子大小進行判斷，而是應該綜合分析，根據實際所需情況進行綜合評價。具體分析結論如下:

(1)在溫度逐漸升高的情況下，三種瀝青的G* 和G* /sinδ曲線均呈線性下降，高模量瀝青的G* 和G* /sinδ值最大，SBS 改性瀝青次之，基質瀝青的最小。基質瀝青的δ值逐漸增大接近90°，SBS 改性瀝青的δ 值逐漸減小，高模量瀝青的δ 則最小。且高模量瀝青和SBS 改性瀝青的溫度敏感性比基質瀝青較小。在整個高溫范圍內，高模量瀝青的抗車轍性能要好于SBS 改性瀝青和基質瀝青。

(2)在50 ℃時，三種瀝青的G* /sinδ 值隨頻率的增加而增加，在低頻階段，高模量瀝青的G* /sinδ 最大，SBS 改性瀝青次之，基質瀝青最小。隨著頻率逐漸往高頻發展，三者之間的差異減小。說明在高溫、低頻范圍內，高模量瀝青具有更好的抗車轍性能。

(3)50 ℃時，除基質瀝青的G* /sinδ 值隨應變的增大而降低，SBS 改性瀝青和高模量瀝青的G* /sinδ 基本沒有變化;70 ℃時，高模量瀝青的G* /sinδ 隨應變增加呈下降趨勢，SBS 改性瀝青和基質瀝青的G* /sinδ 基本無變化，但是高模量瀝青的G* /sinδ 始終要比其他兩種瀝青要高。說明，高模量瀝青在高溫、重載時的抗車轍能力要優于其余兩種瀝青。

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