綜合多維因素的路用基質瀝青低溫性能分析

馮保杰 栗振鋒 李 彤

(太原科技大學交通與物流學院，山西 太原 030024)

0 引言

瀝青路面因為其良好的力學特性，在全國范圍內應用極其廣泛。而且在目前，在建的公路項目90%以上都在使用瀝青混凝土路面[1]。但是瀝青在低溫狀態下容易產生開裂破壞，而開裂破壞不僅會對路面的外觀造成破壞，同時對路面的使用功能也會產生很大影響。聞名全球的美國SHRP計劃，其重要的研究內容之一就是瀝青的低溫機能。根據美國戰略公路研究計劃(SHRP)的研究結論，瀝青對低溫性能的貢獻率占80%[2,3]。因此，為了研究瀝青路面低溫開裂，本文從基質瀝青入手，基于流變學基本原理，重點研究基質瀝青在低溫狀態下的各性能指標。

1 現有評價方法簡介

1.1 我國瀝青性能指標

軟化點、低溫延度、低溫針入度，這三大指標是我國常采用的瀝青低溫性能指標，此外針入度指數PI,10 ℃延度和60 ℃粘度也經常運用于工程實踐當中。瀝青的低溫性能在我國“七五”和“八五”攻關中，進行了一定程度的研究[4]。在有關施工規范中，10 ℃延度被作為評價低溫性能的指標。另外，脆點和當量脆點也被當做評價瀝青低溫性能的重要指標。

1.2 國外道路瀝青性能指標概述

國外評價瀝青低溫性能的指標主要有美國SHRP/SUPERPAVE瀝青結合料路用性能規范，加拿大瀝青標準，歐洲共同體CEN瀝青新標準，澳大利亞瀝青標準[5]。在很多國家中，弗拉斯脆點，當量脆點，玻璃化溫度和低溫流變學等也可以當做評價瀝青低溫性能的標準。弗拉斯脆點在許多西方國家被作為評價瀝青低溫開裂性能的指標，然而用弗拉斯脆點評價瀝青的低溫性能有嚴重的不足,包括實驗重復性較差,試驗用的鋼片剛度不同,試件制備和降溫條件等都會在很大程度上影響實驗結果[6]。SHRP(美國戰略公路研究計劃)就基于流變學方法，并將流變學里的相關參數作為評價瀝青路用性能的合理指標。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

本實驗材料采用未老化基質鎮海70號瀝青。

2.2 試驗儀器

本實驗儀器采用動態剪切流變儀(簡稱DSR)。

2.3 試驗原理

由圖1 DSR結構圖可以看出，動態剪切流變儀(簡稱DSR)包括固定板，瀝青和振蕩板三個主要部分。DSR的工作原理很簡單，一般來說，瀝青試樣放在固定板與振蕩板之間，振蕩板從A運動到B，然后再反方向從B轉向A，繼續轉到C,最后再改變方向從C轉動到A完成一個周期。

2.4 試驗方案

瀝青路面溫度突變和極低溫引起的路面開裂，與瀝青路面疲勞、車轍共稱為瀝青路面的三大病害[8-10]。

1)制備瀝青試樣。

2)調試儀器。

3)進行試驗。試驗分為兩個部分，分別是溫度掃描試驗和角頻率掃描實驗。溫度掃描實驗是將溫度控制在在-10 ℃～50 ℃之間，當頻率分別為5 Hz,10 Hz,15 Hz,降溫速率分別為1 ℃/min，2 ℃/min，3 ℃/min時進行試驗并且獲得相應的力學響應指標；角頻率掃描實驗在不同角頻率下進行，角頻率范圍為1 Hz～20 Hz、溫度分別為-10 ℃，-5 ℃，0 ℃，5 ℃，10 ℃，30 ℃，40 ℃，50 ℃時進行實驗并且獲得相應的力學指標。

3 試驗結果分析

3.1 降溫速率為1 ℃/min時

復粘度，儲能模量，損耗模量，復模量和車轍因子的多因素三維分析圖如圖2～圖5所示。

由圖2～圖5可知，在溫度為10 ℃～50 ℃，角頻率為5 rad/s～15 rad/s的區域和溫度為-15 ℃～10 ℃，角頻率為5 rad/s～10 rad/s的區域內，無論是復粘度、儲能模量、損耗模量、復模量都隨著溫度的降低與角速率的增大而增大，但是變化趨勢比較平緩；當溫度在-15 ℃～10 ℃，角頻率在5 rad/s～10 rad/s的區域內，不同的力學性能指標均隨著溫度的降低與角速率的增大而增大，但是曲面變化趨勢比較明顯，特別是復粘度在角頻率為5 rad/s時，隨著溫度的降低也逐漸增大，并且變化趨勢也相對比較明顯。所以，當角頻率為15 rad/s時，各力學性能隨著溫度的變化最明顯，即各力學響應指標變化程度為：15 rad/s>5 rad/s>10 rad/s。因此說明：當降溫速率在1 ℃/min時，頻率分別為5 rad/s，10 rad/s，15 rad/s的各力學指標隨著溫度的下降而上升。其中，在溫度為-15 ℃～10 ℃時，角頻率為10 rad/s～15 rad/s時，各指標隨著溫度的下降而上升，表明在此溫度區間內，瀝青的各力學性能變化比較快，尤其角頻率在15 rad/s時最為明顯；在10 ℃～50 ℃時，各力學指標隨著溫度的下降上升緩慢，并且接近于零。結果表明，基質鎮海70號瀝青在溫度為-15 ℃～10 ℃，角頻率為15 rad/s左右時，對瀝青的整體性能影響比較大。

由上所知，未老化基質鎮海70號瀝青在降溫速率為1 ℃/min的時候，角頻率為15 rad/s時瀝青的各力學響應指標較為敏感[11]，進一步研究，角頻率固定為15 rad/s時，分析復粘度，儲能模量，損耗模量，復模量和車轍因子對瀝青低溫性能的影響。

由圖6可得，當降溫速率為1 ℃/min時，各力學性能指標復粘度，儲能模量，損耗模量，復模量和車轍因子均隨著溫度的不斷下降而降低；可以比較直觀的得到，復模量的變化率最大，而車轍因子的變化率最小，變化率大小順序依次是復模量>損耗模量>儲能模量>復粘度>車轍因子。因此在降溫速率為1 ℃/min時復模量更適合來表征基質瀝青的低溫性能。

3.2 降溫速率分別為2 ℃/min和3 ℃/min時

由實驗數據可以得到，當降溫速率為2 ℃/min時，同樣是角頻率為15 rad/s時各項力學響應指標變化最為明顯。

從圖7和圖8中可以看出，在未老化基質鎮海70號瀝青的各項力學響應指標中，復模量在低溫段變化最為明顯，即變化率最大，所以，復模量也可以作為評價降溫速率為3 ℃/min時的瀝青低溫性能的指標。

圖9比較了不同降溫速率的復模量變化趨勢，當降溫速率為1 ℃/min時，隨著溫度下降復模量的變化最大。所以在降溫速率為1 ℃/min時，復模量所評價的未老化基質鎮海70號瀝青最為敏感。

4 結語

1)通過分析比較各降溫速率(1 ℃/min,2 ℃/min,3 ℃/min)下的力學響應指標變化趨勢，當角頻率為15 rad/s時，各項力學指標最為敏感。

2)通過比較角頻率為15 rad/s時的各力學指標可以得到，復模量可以較好的評價未老化基質鎮海70號瀝青的低溫性能。

3)通過比較不同的降溫速率(1 ℃/min,2 ℃/min,3 ℃/min)下的復模量可以發現，當降溫速率為1 ℃/min時，復模量更能表征未老化基質鎮海70號瀝青的低溫性能。

綜上所述，經過分析實驗數據可以得到，當降溫速率為1 ℃/min，角頻率為15 rad/s時，未老化基質鎮海70號瀝青的復模量可以作為評價其低溫性能的指標。