基于時間及頻率掃描的瀝青高低溫性能試驗研究

林江濤， 梁 皓, 樊 亮

(山東省交通科學研究院 山東省道路結構與材料重點實驗室， 山東 濟南 250031)

目前，中國評價瀝青高低溫性能的主要常規指標為軟化點、延度等.常規試驗方法測試軟化點、延度等指標具有操作簡單、便于應用等特點，在中國公路建設中發揮著巨大作用，但是無法有效同步評價瀝青材料高低溫性能.國內有研究表明，利用玻璃化轉變溫度(Tg)評價瀝青混合料的低溫性能，使用效果良好[1-3]；國外學者也利用玻璃化轉變溫度來評價瀝青和瀝青類填縫材料的低溫性能[4-5].Tg可以通過動態剪切試驗方法獲得，而AASHTO MP19中評價瀝青高溫性能的車轍因子(G*/sinδ)也是通過動態剪切方法測定.因此，通過動態剪切試驗同時獲取瀝青G*/sinδ及Tg，實現瀝青高低溫性能的同步測定成為可能.

本文采用不同種類瀝青，進行不同溫度下動態剪切時間掃描和頻率掃描，對于通過動態剪切試驗同時獲取瀝青的G*/sinδ及Tg的試驗過程及方法進行了研究；同時，對測定的Tg表征瀝青混合料低溫性能的適用性進行了分析.

1 原材料與試驗方法

普通瀝青選用中石化燃料油公司的30#，50#，70#及90#石油瀝青；改性瀝青選用SBS改性瀝青、高模量瀝青、DSS改性瀝青及MAC改性瀝青.需要注意的是，由于試驗階段不同，測試所選用的瀝青種類有所區別.主要試驗安排如下：

(1)常規性能指標測定 主要為瀝青的針入度、軟化點、延度等常規試驗指標，結果見表1.

表1 瀝青性能的常規檢測結果Table 1 Performance indexes of asphalt

(2)車轍因子測試 按照AASHTO MP19規定方法測定瀝青G*/sinδ.

(3)溫度、時間及頻率掃描試驗 在30～90℃范圍內選取5個試驗溫度，每個試驗溫度下以時間掃描、頻率掃描試驗作為1個循環單元，每個試驗溫度平衡時間為1min，時間掃描、頻率掃描試驗平衡時間設置為10s;采用平行板轉子25mm，樣品厚度1mm.第1步時間掃描測試：控制應變12%，測試頻率為10rad/s，掃描時間為10s；第2步頻率掃描測試：控制應變5%，測試頻率范圍0.1～10Hz.通過該試驗，按照時間溫度等效原理進行曲線平移，可獲得各個溫度移位因子，同時獲取60℃瀝青模量和相位角主曲線.

2 試驗結果及分析

2.1 時間掃描結果及分析

表2為瀝青時間掃描過程結果及曲線擬合方程，表3為預測的G*/sinδ與實測G*/sinδ，圖1(a)為瀝青時間掃描過程回歸分析曲線，圖1(b)為預測值與實測值的相對誤差.試驗結果顯示，不同瀝青、不同溫度下預測值與實測值相對誤差差異較大且無規律性.由于瀝青基材料的復雜性、試驗過程及平行樣品間的差異，誤差的存在是不可避免的，但總體結果表明，通過回歸方式計算的G*/sinδ與按照AASHTO MP 19方法測定的G*/sinδ基本相同，除DSS瀝青64℃下測點誤差相對較大外，其他瀝青測點均滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中關于原樣瀝青G*/sinδ測定重復性允許誤差小于6.4%的要求[6].以70#石油瀝青為例，其58，64，70℃時G*/sinδ的誤差率分別為0.09%，2.47%，1.51%.誤差較小的原因主要為：首先，時間掃描試驗的設置條件與PG標準試驗加載條件一致；其次，時間掃描試驗前設置的平衡時間，使前置試驗中形成的應力得到充分松弛，極大降低了Boltzmann線性疊加過程所造成的影響.

表2 時間掃描過程及曲線擬合方程Table 2 Time scanning process and curve fitting equation

表3 預測的G*/sinδ與實測G*/sinδTable 3 Predicted G*/sinδ and measured G*/sinδ

圖1 瀝青時間掃描試驗分析Fig.1 Regression analysis of asphalt time sweep test

2.2 頻率掃描結果及分析

2.2.1時間溫度等效WLF方程

瀝青作為一種典型的黏彈性物質，其力學行為符合時間溫度等效原理.目前，時間溫度等效的方程有很多，常用的主要有WLF方程、Arrhenius方程等，其中，瀝青材料在黏彈性范圍內適用于WLF方程.WLF方程是一個半經驗半理論的公式，適用于時間溫度等效原理換算法則的WLF公式為：

(1)

式(1)適用的溫度范圍為Tg～(Tg+100)℃，C1，C2為材料參數，其值會隨著材料不同而有所變化[7].C1，C2分別存在一個以Tg為基準溫度的普適常數，其值分別為17.44，51.6，它們是眾多材料參數的一個均值.因此，下文進行Tg擬合計算時，為減少參數初值賦值不同對擬合穩定性造成的不良影響，需要先將C1，C2參數初值進行統一，即將C1，C2分別賦予眾多材料參數的均值17.44和51.6.假設T1，T2試驗溫度相對于基準溫度Tg的移位因子分別為lgαT1，lgαT2，T1相對于基準溫度T2的移位因子為lgαT′=lgαT2-lgαT1，通過WLF公式的推導計算可以得到方程:

(2)

2.2.2玻璃化轉變溫度Tg計算

利用AR-2000ex型流變儀TTS的模塊功能，進行頻率掃描復數剪切模量曲線的水平平移，得到各個溫度的移位因子，然后利用計算軟件Origin8.0根據式(2)編制自定義函數進行擬合計算.

式(2)是一個三元函數，作為一個非線性方程其解有無數個.在本文有限樣本數據情況下，Tg擬合結果必然受參數初始賦值的影響較大.已有文獻資料按照WLF公式及類似于式(2)的推導公式來計算Tg，但是其擬合參數設置較為模糊，或者計算過程涉及大量人工計算，從而導致相關試驗的復現性和平行性不好.

本文Tg的具體擬合過程如下：首先，C1，C2及Tg分別被賦予17.44，51.6及任意合理初始值，并將它們分別設為固定值、固定值和自由值，并進行收斂計算，計算出初始玻璃化轉變溫度Tg′；然后將C1，C2及Tg′作為自由初始值進行擬合，直至收斂計算完成.試驗結果見表4，5及圖2，3.

表4 瀝青的溫度移位因子lg αT數據Table 4 lg αT data of different asphalt mortars

表5 不同參考溫度擬合的TgTable 5 Tg data of different asphalt mortars

圖2 不同溫度下瀝青玻璃化轉變溫度擬合曲線Fig.2 Fitting curves of glass transition temperature of asphalt under different temperatures

圖3 60℃瀝青動態剪切頻率掃描主曲線Fig.3 Asphalt dynamic shear frequency scanning master curve at 60℃

由表5可見:(1)普通瀝青在各個參考溫度下擬合的Tg數據穩定，相對偏差小.以圖2(a)所示70#瀝青為例，各個參考溫度下其Tg值分別為-10.83，-10.87，-10.84，-10.96℃，相關系數R2都為0.9999，標準偏差SD為0.082；(2)改性瀝青間差異性大，部分種類瀝青不同溫度間擬合結果變異性大.例如，高模量瀝青每個參考溫度的擬合相關性都較高，見圖2(b)，但其數據平行性較差，擬合結果分別為0.27，0.93，-4.57，-3.96℃，即擬合結果不穩定，DSS瀝青甚至不能得到穩定的Tg.

圖3顯示，高模量瀝青、DSS瀝青的動態力學行為與普通瀝青、常見SBS改性瀝青明顯不同：(1)高模量瀝青和DSS瀝青的相位角相似，即隨著剪切頻率的升高其相位角先減小后增大；(2)SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青的相位角相似，即隨著剪切頻率的升高其相位角先增大然后出現平臺區.通常認為，均相瀝青材料在極低頻或極高頻情況下，由于分子鏈段能夠跟上應力反應或完全跟不上應力反應，其力學損耗會比較低，即隨著剪切頻率靠近極低頻區及極高剪切頻率區，其相位角都是在降低的.高模量瀝青、DSS瀝青明顯異于均相瀝青.

WLF方程是適用于黏彈性材料時間溫度等效原理的方程，符合該方程的材料必須是均相的，受力具有各向同向性.普通石油瀝青都是由飽和分、瀝青質、膠質及芳香分等組分構成，雖然分子量大小不同，但是在熱力學上是完全相容的體系，因此Tg只有一個；MAC改性瀝青是一種以石油瀝青為基質瀝青的鹽類化學改性瀝青，在熱力學上也是相容體系，其Tg同樣只有1個；對于低摻量的SBS改性瀝青或橡膠瀝青，由于它們的改性劑摻量小，改性劑與基質瀝青相容性較好，可以將其看成簡單的交替共混物，因此也只有1個Tg；但高模量改性瀝青及DSS瀝青與上述瀝青有所不同，這兩種瀝青中含有兩種以上的改性劑，改性劑摻量高，生產工藝、力學性能更為復雜，不再是一種簡單意義上的瀝青共混物，其內部構成是不均相存在的，如高模量改性瀝青是一種三相體系的改性瀝青，其組成由石油瀝青、聚合物改性劑及部分無機礦物組成.綜上所述，利用WLF方程推導公式及其擬合參數可以得到穩定、可靠的普通石油瀝青及簡單改性瀝青的Tg值，但對于具有復雜相態結構的聚合物改性瀝青則存在一定的局限性.

2.2.3玻璃化轉變溫度Tg的有效性驗證

為驗證擬合的Tg值表征混合料低溫性能的有效性，本文進行低溫小梁試驗.級配采用AC-20，瀝青采用50#，70#，90#及SBS改性瀝青，瀝青含量(質量分數)統一為4.3%.采用UTM-100型萬能材料試驗儀進行標準低彎曲梁小梁試件加載，加載溫度-10℃.試驗結果見圖4.

由圖4可見，擬合計算的Tg值，10℃延度指標與瀝青混合料破壞應變的相關性R2分別0.9513，0.6514，即采用Tg值來表征混合料低溫性能更加有效.Tg是一個動態力學行為的轉變溫度，是分子鏈段停止運動的分界溫度，其本質是力學松弛行為.由于瀝青混合料的低溫性能80%是由瀝青性能所決定的[8]，其低溫開裂的根本原因是混合料的松弛性能下降，彎拉應力不能得到迅速釋放，應力隨著加載應力的持續不斷積聚，最終超過極限而出現開裂.如果瀝青膠結料具有更低的Tg，即在更低溫度下仍能具有良好的松弛特性，這將有利于溫度應力的松弛，使混合料不發生開裂行為.因此從材料松弛特性及Tg所代表的意義表明，瀝青Tg值可以有效表征混合料低溫使用性能.

圖4 小梁試件破壞應變與Tg、延度相關性分析Fig.4 Analysis of correlation between failure strain with ductility and Tg value of asphalt mixture beam

3 結論

(1)普通石油瀝青時間掃描過程回歸計算G*/sinδ與實測G*/sinδ誤差小，能滿足現行公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規范對于重復性試驗允許誤差的要求.

(2)基于WLF方程推導公式擬合計算瀝青的Tg值，普通石油瀝青的擬合效果好；具有復雜相態結構的聚合物改性瀝青Tg值擬合計算效果不佳，不同參考溫度的擬合程度雖高，但數據平行性不好，數據變異性大.Tg值與混合料低溫破壞應變相關程度高.

(3)應用本文所設計的測試方法及擬合方法，可以測定普通石油瀝青及簡單相態結構的改性瀝青的高溫性能、高溫感溫性能及低溫性能；相對傳統的瀝青高低溫性能檢測方法，其在樣品制作、數據采集及所耗時間等方面要更加簡便和準確，而且大大降低了試驗時間，簡化瀝青高低溫性能測定過程.

(4)由于本文所用瀝青樣品及混合料試驗樣本的有限性、局限性，這種方法的推廣應用還需要大量的瀝青及混合料試驗樣本作進一步研究和理論分析.

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