SBS改性沥青低温劲度模量研究

康兆兴，苑瑞星，郭杰

(1.山东省德州市公路勘察设计院，山东 德州 253006;2.霍尼韦尔综合科技(中国)有限公司，上海 201203)

0 引言

沥青路面在低温情况下容易产生裂缝，并且在寒冷地区尤为突出。SHRP[1]研究成果证明了沥青的低温抗开裂性能对路面低温开裂的直接贡献率为80%，因此研究者们尝试采用各种方法来改善沥青的低温性能，采用SBS高分子聚合物进行改性则是近年来各国比较常用的一种方法。JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中对SBS改性沥青的各种性能要求进行了明确的规定，其中低温性能采用5℃延度指标来进行评价[2]，但延度指标是经验型指标缺乏必要的理论依据，其主要缺陷如下:(1)试验温度与寒冷地区的实际环境温度不一致[3]，如5℃等温度下的延度值实际反映的仍是沥青的塑性变形能力，与沥青结合料的低温抗裂性关系如何一直备受争议;(2)沥青路面开裂与沥青老化有关，而现有延度试验没能体现这一点[4];(3)延度试验只反映了沥青的变形能力，没能体现沥青的蠕变松弛性能，如 Hajek模型、加拿大机场模型以及Superpave低温开裂模型均表明，沥青材料的劲度模量是预估沥青路面低温开裂的基本参数。因此，Superpave[5，6]提出了 BBR 试验，将沥青的劲度模量和松弛性能(劲度模量随时间变化的斜率m)作为评价沥青低温性能的核心指标，但由于BBR试验采用的低温弯曲流变仪价格昂贵，想要大面积推广应用困难重重。

既然沥青的低温劲度模量与其低温性能密切相关，那么有没有可能在国内现有的经验性评价指标体系下得到沥青的劲度模量呢?荷兰人范得普(van der Poel)1954年就开创了用经验常规试验数据转换为有严格理论基础的力学性质的先河[7]。按范得普的方法，利用两个不同温度下的针入度和软化点，通过诺模图(Nomograph)，可以求得作为温度和时间函数的劲度(或称刚度)模量。国内湖南大学曾梦澜等人在此基础上，优化并得出了基于常规试验数据的沥青劲度模量的理论模型[8]。为此，该文对SBS改性沥青低温劲度模量和5℃延度结果进行分析，以期得出评价SBS改性沥青低温性能的合理评价方法。

1 沥青劲度模量

1.1 沥青劲度模量的计算

曾梦澜等人在诺模图的基础上，推演出了基于常规试验数据的沥青劲度模量的理论模型，见公式(1)。它是以Vander Poer原始诺模图的直接复印件为基础通过大量手工操作，查出了所有可以读到的劲度模量值，共约5000个数据，足以涵盖路用沥青实际可能的温度和时间[8]。

理论模型中，需要确定的变量有荷载作用时间、针入度指数、软化点(当量软化点)，路面实际温度等参数。研究中荷载作用时间采用0.01s，这是因为对于高速公路来说，荷载作用时间较短，车速80km/h在路面沥青层下缘产生变形的持续时间仅为0.01s左右，所以采用荷载作用时间0.01s不失一般性[9－11]。另外，我国路面温缩裂缝一般发生在10℃以下的季节，车辙一般发生在25～30℃以上的夏季，因此以10℃以下作为低温，25℃以上作为高温，10～25℃作为常温的分界比较合理[10]。所以本文选取－10℃、0℃和10℃作为路面实际温度进行研究。

理论模型:

式中:S为沥青在给定温度和加载时间下的劲度模量，当加载时间t=0时，S=Sg=3GPa;PI为针入度指数;ΔT=T－TR＆B，实际温度与软化点之差，℃;T为路面实际温度，

1.2 劲度模量计算

本文选取了壳牌(QP)、国创(GC)、高粘(TPS)、科氏(STR)和一种复合改性沥青(FH)五种SBS改性沥青进行劲度模量的研究，其基本性能指标如表1所示。

采用公式(1)的理论模型，结合表1中数据，可以得出五种沥青的劲度模量如表2和图1、图2所示。

表1 五种沥青的基本性能指标

表2 五种沥青劲度模量值/MPa

不同种类沥青在不同温度条件下的劲度模量值比较:

(1)原样沥青:10℃ strata＜GC＜QP＜FH＜TPS;0℃ strata＜GC＜QP＜FH＜TPS;－10℃strata＜GC＜QP＜FH＜TPS。同一种沥青来说，随着温度的降低，沥青的劲度模量值不断增加，这主要是因为随温度的降低，聚合物分子两端基本上冻结在固定位置上，围绕固定位置振动，SBS改性剂增韧作用减弱，而沥青在低温条件下呈玻璃态，沥青分子链几乎被冻结，不能迅速地重新取向或移动;不同种类的沥青表现出相同的规律，但变化的幅度不同，这表明不同种类的沥青对温度的敏感程度不同[12]。

(2)短期老化后:10℃ strata＜GC＜FH＜QP＜TPS;0℃strata＜GC＜FH＜QP＜TPS;－10℃strata＜GC＜FH ＜QP＜TPS。对于同一种沥青来说，沥青老化后的劲度模量值要高于原样沥青，这主要是因为经过老化后SBS高分子链发生裂解，分子链之间的传递作用减弱，而基质沥青由于轻质组分的挥发和转化，使沥青中的胶质和沥青质含量增加，沥青变硬，从而使劲度模量值也增加。由于不同种类的沥青的抗老化能力不同，老化后沥青的劲度模量的变化幅度亦不同，增加幅度大说明抗老化性能较差，增加幅度小说明抗老化性能好;

根据实际工程情况，strata沥青的抗低温开裂的性能最好，而计算表明strata沥青在各个温度下劲度模量值最小，与实际相符;另通过以上数据还可以发现，TPS沥青在各个温度下劲度模量值最大，低温性能较差，在行车荷载作用下，路面容易产生开裂。

图1 原样沥青劲度模量

图2 短期老化后沥青劲度模量

2 沥青混合料性能验证

为了检验沥青结合料的低温劲度模量与混合料低温抗裂能力的相关性，本文进行了混合料低温弯曲破坏试验，试验温度条件为－10℃，采用相同的矿料级配、集料类型和成型方法，不同的只是沥青结合料，试验结果如表3所示。其中，PB为试件破坏时的最大荷载，d为试件破坏时的跨中挠度，RB为试件破坏时的抗弯拉强度，εB为试件破坏时的最大弯拉应变，SB为试件破坏时的弯曲劲度模量。

许多文献指出[13－15]:沥青混合料的低温抗裂性能不仅与沥青混合料的强度参数有关，还与混合料的变形特性有关，所以不能仅以沥青混合料在低温时破坏强度大，或者变形大，就评价其低温抗裂性能好。如果混合料低温条件下有很强的伸长能力，即使其破坏强度不高，抗开裂能力也较强。沥青混合料在低温条件下既具有较高的强度还具有较大的变形能力是工程应用所必需的，但是对于一种沥青混合料，两者不可兼得，寻找反映强度和变形两种性能的综合参数尤为重要。

应变能密度综合考虑了应力和应变的关系，可以很好的反映混合料的低温抗裂性能。假定材料破坏形式与单位体积内能量状态相对应，那么材料损伤就可以用应变能密度表示[14]。

表3 低温弯曲试验结果

应变能密度公式[16]如下:

式中:σij、εij为应力、应变分量;ε0为最大应力所对应的应变

本文选取弯曲劲度模量和弯曲应变能密度两个参数，与不同种类沥青在同温度(－10℃)条件下的劲度模量值和5℃延度值进行关联性分析，结果如图3～6。

图3 混合料低温劲度与沥青劲度模量的关系图

图4 混合料低温劲度与沥青延度的关系图

图5 混合料应变能密度与沥青劲度模量的关系图

图6 混合料应能密度与沥青延度的关系图

结果表明:混合料的应变能密度与沥青－10℃劲度模量值具有很好的相关性，它与老化前、后劲度模量的相关系数分别为0.736、0.752，而沥青老化后的劲度模量值与其混合料的应变能密度的相关性更好，这是因为混合料试件成型时相当于对沥青进行了短期老化。另外，混合料的低温劲度与沥青－10℃劲度模量值也具有较好的相关关系，与老化前、后沥青劲度模量相关系数分别为 0.838、0.880，说明沥青结合料的劲度在一定程度上决定了混合料的劲度;而5℃延度和应变能密度和低温劲度的相关性较差，相关系数均小于0.1，说明沥青－10℃劲度模量值能在一定程度上反映混合料的低温开裂性能，用沥青－10℃低温劲度模量来评价SBS改性沥青的低温抗裂性能具有合理性。

3 结论

(1)不同种类的SBS改性沥青的劲度模量对温度变化的敏感程度不同，对老化的敏感程度也不同，敏感程度越大，低温抗开裂性能越差。

(2)与SBS改性沥青常规低温评价指标5℃延度相比，其－10℃低温劲度模量与应变能密度和低温弯曲劲度具有更好的相关关系，可以反映出混合料的低温抗裂能力，因此，可以作为SBS改性沥青的低温性能评价指标。

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