橋用伸縮縫瀝青膠結料溫度掃描試驗及分析

曾 嶸，王曦東，陳歡芳，黃思閩，盧彭真

(1.嘉興市秀洲區公路與運輸管理服務中心 嘉興市 314000； 2.浙江工業大學 杭州市 310014)

0 引言

無縫伸縮縫作為一種新型的橋梁伸縮縫，由于其良好的整體性、施工便捷性和行車舒適性受到了越來越多的關注[1-2]。為滿足伸縮變形方面的要求，無縫伸縮縫填縫料的瀝青膠結料用量比普通瀝青混合料要大很多，因此無縫伸縮縫的性能與使用的瀝青膠結料密切相關，尤其在高溫下，瀝青膠結料的穩定性和抗變形能力更為重要。也因此，瀝青膠結料是橋梁無縫伸縮縫性能發揮的主體。其中，瀝青膠結料具有明顯的流變性能，在加熱過程中從固態向液態轉變，發生形變和流動，屬于粘彈性材料。因此，為表征瀝青膠結料的流變特性，采用恒定頻率或恒定溫度下的相位角頻率和復合剪切模量G*來進行分析。另外，為保證和延長橋梁無縫伸縮縫裝置的壽命周期，保證其填縫料有較好的使用性能，瀝青膠結料在低溫條件下模量不能過大，并且在高溫條件下又應具有一定的模量，溫度敏感性要低，只有這樣才能保證橋梁無縫伸縮縫裝置正常使用。

目前，關于改性瀝青Matrix502和Colas這兩種專門用于無縫伸縮縫的瀝青膠結料流變性能的系統研究尚未見文獻報道。同時，國內關于橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結料的性能無明確的技術指標。利用動態剪切流變儀(DSR)對Matrix502和Colas兩種無縫伸縮縫瀝青膠結料進行溫度掃描試驗，以研究兩種材料的流變特性。

1 試驗及其方法

材料選擇：選用美國科來福公司生產的無縫伸縮縫瀝青膠結料Matrix502和韓國的無縫伸縮縫膠結料Colas。DSR：環境室、加載設備、平行金屬板、數據控制和采集系統五部分組成試驗系統。加載設備向試件施加10rad/s±0.1rad/s頻率的正弦振蕩荷載。金屬板直徑分別為25mm±0.05mm與8.00mm±0.05mm。數據采集和控制系統能夠記錄溫度頻率、扭矩和偏角。

主要采用DSR對Matrix502和Colas兩種瀝青膠結料進行溫度掃描試驗，其試驗條件根據溫度范圍確定，-10～30℃定義為低溫區，使用8mm的轉子，試件厚度為2mm，應變水平為0.1%，頻率為10rad/s；30℃以上定義為高溫區，使用25mm的轉子，試件厚度1mm，應變水平為0.5%，頻率為10rad/s。

2 溫度掃描試驗結果分析

瀝青膠結料對于溫度和時間有很強的依賴性，在不同的溫度條件下進行試驗分析，瀝青膠結料的力學流變性能會有很大差異，從而會對橋梁無縫伸縮縫裝置造成重大影響。因此，橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結料若想提升其使用性能，在低溫時其模量不能過大，同時在高溫時應具有一定模量，并且其應具有較低的溫度敏感性。原因在于，瀝青膠結料在低溫環境時，其流動性會變小直至硬化，而硬化由于外部荷載和環境因素從而產生開裂破壞；在高溫環境下，瀝青膠結料會發生軟化現象，其流動性會變大，而這就會導致車轍、擁包和流動變形等一系列病害。

目前，瀝青等級指數、粘溫指數、針入度-粘度指數、針入度指數等是常用的瀝青溫度敏感性能評價指標。目前我國采用針入度方法進行評價，但在ASTM美國材料實驗協會和SHRP美國公路戰略研究計劃中，是根據不同的瀝青用途、在不同的溫度下，對瀝青膠結料進行旋轉薄膜烘箱試驗、壓力老化試驗、DSR、彎曲梁流變試驗BBR及直接拉伸試驗，從而評價瀝青膠結料的溫度敏感程度。沈金安[3]等人利用粘溫指數VTS等方法評價瀝青溫度敏感性的合理性，利用針入度實驗測出瀝青的粘度，在開式溫標下進行VTS擬合。主要研究瀝青膠結料在-10℃至60℃的流變性能，采用DSR對Colas和Matrix502兩種瀝青膠結料進行溫度掃描試驗。表1為溫度掃描試驗參數。

表1 溫度掃描試驗參數

2.1 復合剪切模量分析

瀝青膠結料Matrix502和Colas兩者復合剪切模量G*隨溫度上升的變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，在-10℃至60℃溫度范圍內，兩種瀝青膠結料的G*都隨著溫度的升高而降低。在低溫區-10℃左右，Colas的復合剪切模量較高；在溫度達到60℃后，Matrix502和Colas兩種瀝青膠結料的G*為一個數量級。所以在整個溫度范圍內綜合來看，Matrix502的G*下降趨勢較小，其溫度敏感性更小，具有較好的應力松弛能力。

圖1 改性瀝青溫度掃描結果-復合剪切模量

2.2 相位角分析

在相同高溫條件、荷載作用下，相位角越大，表明瀝青膠結料的黏性成分越多，即變形不可恢復的瀝青含量越高。圖2給出了Matrix502和Colas兩種瀝青膠結料相位角隨溫度上升的變化曲線。從圖2可知，相位角隨溫度上升表現出先增加后下降的趨勢。Colas的相位角在-10℃至60℃的溫度范圍內保持在26°到51°之間，而Matrix502在-10℃至60℃的溫度范圍內相位角介于23°～53°。因此，在-10℃至30℃的溫度范圍內，Colas的相位角較大，從而Matrix502的應力松弛能力更好。

圖2 改性瀝青溫度掃描結果-相位角

3 老化后溫度掃描試驗

橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結料由于具有明顯的流變特性，其施工加熱溫度相對較高，一般要求達到170～180℃[4-6]。因此，橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結料短期老化后的性能也具有研究的意義[7-10]。采用薄膜烘箱老化的方式，將材料放置于烘箱中以180℃的溫度保溫1h。

3.1 改性瀝青Matrix502

Matrix502瀝青膠結料老化前后的溫度掃描結果如圖3所示。試驗結果表明，老化后G*和相位角都有一定程度的變化。在低溫區，老化前后模量變化較大，相位角有顯著升高，增幅在10°～15°；在30℃以上的溫度范圍內老化前后復合剪切模量隨溫度升高漸漸趨于一致；在整個溫度范圍內，老化后的相位角基本保持不變。綜合來看，改性瀝青Matrix502短期老化之后高溫穩定性能略有損失。

圖3 改性瀝青Matrix502老化前后溫度掃描結果

3.2 改性瀝青Colas

Colas膠結料老化前后的溫度掃描結果如圖4所示。其試驗結果表明，老化后G*和相位角都有一定程度的變化。在-10℃至60℃的溫度范圍內，老化前后復合剪切模量變化趨勢基本一致，且變化不大；在低溫區，相位角變化趨勢不明顯，在30℃以上的溫度范圍內老化前后的相位角隨溫度升高相差變大，且老化后的相位角有顯著提高，增幅在4°～10°?？傮w來說，改性瀝青Colas短期老化之后高溫穩定性能基本沒有損失。

圖4 改性瀝青Colas老化前后溫度掃描結果

綜上，在短期老化后，Colas瀝青膠結料的高溫穩定性能基本沒有損失，而Matrix502瀝青膠結料的高溫穩定性能略有損失。

4 結論

研究了橋梁無縫伸縮縫常用的瀝青膠結料Matrix502和Colas的流變性能，得出以下幾點結論：

(1)溫度掃描試驗結果表明，Matrix502的G*下降趨勢更小、-10～30℃范圍內相位角也較小，可以得出，Matrix502的應力松弛能力更好；

(2)對兩種瀝青膠結料老化后進行溫度掃描，結果表明改性瀝青Colas的高溫穩定性能基本沒有損失，Matrix502的高溫穩定性能略有損失；

(3)對試驗結果進行分析發現，兩種瀝青的應力松弛能力和抵抗高溫變形的能力都比較突出，其分析結果可供國內相關研究人員參考。