高模量改性沥青流变性能

骆建平，魏建国，杨科伟，王 彬，熊保林，徐 倩

近年来，中国的高速公路迅速发展，同时，随着高速公路不断向山区推进，受山区气候和地形复杂等自然条件制约，不可避免地出现较多的长陡坡路段；加上燃油价格上涨等因素影响，公路运输成本大幅度提高，从而出现大量超载车辆；另外，近几年夏季高温情况特别突出。由于受陡坡、超载及高温等外在因素的影响，而加快了陡坡路段沥青混凝土路面车辙损坏等早期病害的出现［1－2］。国内、外研究［3－5］表明，模量高的沥青（高模量沥青）劲度模量和粘度较大，可以显著提高混合料的劲度模量。一定温度和加载速率下，抗剪切变形能力越强，沥青混合料抗车辙性能越好，路面车辙深度明显降低，且疲劳性能比普通沥青混合料有大幅提高。

很多学者已经对高模量沥青进行了研究，卢辉［3］等人比较了高模量沥青及沥青胶浆与SBS改性沥青及改性沥青胶浆的抗车辙因子等参数，发现无论是沥青还是沥青胶浆，高模量沥青抗车辙能力与之相比都提高了2倍左右；金芳［6］对比了高模量沥青与3.5%SBS改性沥青的抗高温性能，发现高模量沥青老化前、后的高温指标都比SBS改性沥青高得多。大多数学者的研究都集中于高模量沥青与基质沥青及SBS改性沥青的高温性能的对比，而对高温性能影响因素的研究较少。针对路面出现的高温、长陡坡及超载现象，作者拟运用DSR来测定不同温度、荷载频率及应变下高模量沥青的抗车辙因子和中、低温时的疲劳开裂因子，对比基质沥青，分析这些因素对高模量沥青抗车辙能力的影响及两种沥青的抗疲劳性能，以期验证高模量沥青在高温、低频及重载等不利条件下具有良好的抗车辙能力，且其抗疲劳性能要优于基质沥青的，可用于温度较高、长陡坡较多及行车荷载较大地区。

1 原材料

试验采用的两种沥青：“壳牌”高模量沥青和“壳牌”70＃基质沥青。该两种沥青的技术指标试验结果见表1。

2 温度的影响

沥青作为一种典型的粘弹性材料，随着温度的变化其粘弹性势必会产生很大的变化。为了分析不同材料组成、不同温度及不同状态等因素对沥青流变性能的影响，运用动态剪切流变仪来测量70＃基质沥青及高模量改性沥青的复数剪切模量G＊、相位角δ及抗车辙因子G＊／sinδ，对比分析温度对其高温抗车辙能力的影响。两种沥青的G＊、δ及G＊／sinδ 与温度的关系分别如图1，2所示。

表1 两种沥青技术指标试验结果Table 1 The results of two asphalt technical index

图1 不同沥青的G＊和δ与温度的半对数关系Fig.1 The semilog of the different asphalt G＊andδwith temperature

从图1中可以看出：

1）无论是基质沥青还是高模量改性沥青，随着温度的升高，复数剪切模量G＊呈下降趋势。这是由于温度的升高，加剧了分子链段的运动、分子间的交联作用和分子力减弱，削弱了对分子运动的约束，表现为沥青材料的劲度不断下降，即复数剪切模量G＊随温度升高而减小。该值越大，表明材 料 的 弹 性 性 能 越 好［7－8］。 采 用 经 验 公 式lnG＊＝AT＋B的斜率A来反映G＊随温度变化的敏感程度，斜率A的绝对值越大，说明G＊随温度变化衰减得越快，温度敏感性越强［9］。添加高模量改性剂后，斜率A明显变小，沥青的温度敏感性显著降低，大大提高了沥青的抗高温剪切能力。

2）随着温度的升高，高模量沥青的相位角δ要比基质沥青的小得多。这说明在相同温度条件下，高模量沥青能够提供的抗剪切变形的弹性成分比例要比基质沥青的大得多，沥青在施加荷载后的变形更容易恢复。基质沥青的相位角随着温度的升高而增大，温度在76℃时，相位角达到了89.2°，接近90°。这说明基质沥青在较高温度时已经接近粘性状态，在外力作用下的变形是不可能恢复的。高模量沥青的相位角随着温度的升高而降低。在71℃时，相位角达到极值。温度高于71℃时，相位角呈上升趋势，但是，仍未达到60°。这说明在较高温度时，高模量沥青中的弹性部分仍能发挥主导作用。

图2 不同沥青的G＊／sinδ与温度的半对数关系Fig.2 The semilog of the different asphalt G＊／sinδwith temperature

从图2中可以看出：

1）两种沥青的抗车辙因子G＊／sinδ随着温度的升高都呈下降趋势，高模量沥青的抗车辙因子整体要比基质沥青的大得多。从图2中可以看出，沥青抗车辙因子G＊／sinδ与温度呈良好的线性关系。比较它们的斜率可以发现，高模量沥青的G＊／sinδ随温度升高的衰减程度要比基质沥青的慢，该变化趋势与G＊的变化趋势一致。这说明高模量沥青的温度敏感性要弱于基质沥青的，在高温下，它不易产生剪切变形，其混合料的抗永久变形能力更强。

2）随着温度的升高，基质沥青的G＊／sinδ从5.82kPa减小到0.17kPa，高模量沥青的G＊／sinδ从15.52kPa减小到1.53kPa。《沥青与沥青混合料试验规程》［10］中，将沥青混合料在60℃时的抗车辙能力作为评价混合料高温性能的指标。在60℃时，基质沥青的G＊／sinδ仅为2.5kPa，而高模量沥青的G＊／sinδ则达到了13.0kPa，是基质沥青的5倍。基质沥青在67℃时，G＊／sinδ已接近0kPa，失去抗车辙能力。而高模量沥青的G＊／sinδ为8kPa，仍具有很好的抗车辙能力。随着温度的升高，高模量沥青在71℃时的G＊／sinδ与基质沥青在53℃时的G＊／sinδ相差不大。这说明在同样的抗车辙能力条件下，高模量沥青的温度可达到71℃。若基质沥青在53℃时不发生车辙，则高模量沥青在71℃高温下也不会出现车辙。高模量沥青在83℃时的G＊／sinδ与基质沥青在60℃时的G＊／sinδ相差不大，说明基质沥青在60℃时满足规范要求。高模量沥青在83℃的极端高温下仍能满足规范要求，说明高模量沥青具有非常显著地高温抗车辙能力。

3 频率的影响

加载频率的大小对应的是路面行车速度的快慢。高频代表路面行车的高速，低频代表路面行车的慢速。通过动态频率扫描试验，可以建立起沥青的模量－速度关系，能够涵盖描述沥青路面不仅会在行车路面承受10－2s量级的瞬时车轮荷载影响，也会在道路的斜坡处可能承受数十年之久的自重蠕变荷载影响［11］。在Superpave规范中，动态剪切流变仪DSR所涉及到的角频率ω均为10rad／s，而不同的荷载作用频率下，沥青也会呈现出不同的粘弹性质。结合路面实际情况，选取30，50和70℃3个温度为试验温度，对70＃基质沥青和高模量改性沥青在1～100rad／s范围内进行频率扫描试验，分析在不同频率下，其G＊，δ及G＊／sinδ变化关系。试验结果分别如图3～5所示。

图3 不同温度两种沥青的G＊随频率的变化Fig.3 The change of G＊of two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由图3可知，不同温度下两种沥青的复数剪切模量G＊随频率的增大而增大，两者呈良好的线性关系。在此温度范围内，沥青处于粘弹性状态，变形包括可恢复的弹性变形和不可恢复的粘性变形。随着荷载作用频率的增大，作用时间的减少，相应的变形减小，导致G＊增大。由高频到低频过程中，在30℃条件下，基质沥青的G＊由1 196kPa降至43.08kPa，高模量沥青的G＊由1 338kPa降至74.55kPa；在50℃条件下，基质沥青的G＊由33.64kPa降至1kPa，高模量沥青的G＊由102 345Pa降至6 264Pa。在70℃条件下，基质沥青的G＊由6 483Pa降至71.35Pa，高模量沥青的G＊由19 460Pa降至1 167Pa。由此可知，从高频到低频过程，高模量沥青能显著提高沥青的模量，且随着温度的升高，这种增幅体现得越明显。对比同温度下两种沥青的G＊随频率变化的幅度发现，从高频到低频过程，基质沥青衰减的幅度要大于高模量沥青的，这说明高模量沥青不仅能有效提高沥青在低频段的抗剪切变形能力，还能更好地承受行车荷载频率变化对路面的剪切破坏。

图4 不同温度两种沥青的δ随频率的变化Fig.4 The change ofδof two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由图4可知，基质沥青的相位角δ随着频率的增大而减小，高模量沥青的相位角δ随着频率的增大呈增大趋势。对于基质沥青，温度越低，δ随着频率增大降低的幅度越大。其原因是荷载频率越大，作用时间越短，弹性变形所需时间越短，恢复得越快，使得相位角减小。随着温度的升高，基质沥青温度敏感性较强，弹性成分比例减少，减小的幅度变缓。对于高模量沥青，在低频段1～10rad／s时，δ随频率的增大而增大；在高频段10～100rad／s时，δ的变化规律受温度的影响，温度在30℃时，δ随着频率的增大而减少，温度大于50℃时，δ随着频率的增大而增大。其原因是频率越大，荷载作用时间越短，而高模量沥青产生变形所需时间较长，变形来不及恢复，变形就越来越大，导致相位角增大。高模量沥青在小于71℃的情况下，随着温度的升高，δ呈下降趋势。由高频到低频过程中，在50℃时，基质沥青δ由81°增至88°，高模量沥青δ由65°降至50°；在70℃时，基质沥青δ由86.5°增至88.5°，高模量沥青δ由60°降至46°。由此可知，在高温、低频情况下，高模量沥青能够提高的弹性成分比例要比基质沥青的高得多，沥青由于荷载产生的变形更容易恢复。

图5 不同温度两种沥青的G＊／sinδ随频率的变化Fig.5 The change of G＊／sinδof two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由图5可知，不同温度下，两种沥青抗车辙因子G＊／sinδ随着频率的降低而降低，两者呈良好的线性关系，这就是在停车场、急刹车处或陡坡段更容易产生车辙的原因。由高频到低频过程中，在30℃时，基质沥青G＊／sinδ由1 267kPa降至43kPa，高模量沥青G＊／sinδ由1 475kPa降至84kPa；在50℃时，基质沥青G＊／sinδ由34kPa降至1kPa，高模量沥青G＊／sinδ由110kPa降至8kPa；在70℃时，基质沥青G＊／sinδ由6.5kPa降至0.07kPa，高模量沥青G＊／sinδ由22.4kPa降至1.6kPa。可见，不同温度从高频到低频的过程，高模量沥青能显著提高沥青的抗车辙能力，温度越高，其增幅越大。频率为1rad／s、温度分别为30，50和70℃时，高模量沥青的G＊／sinδ分别为基质沥青的2倍、8倍和23倍；频率为100rad／s、温度分别为30，50和70℃时，高模量沥青的G＊／sinδ分别为基质沥青的1.2倍、3.2倍和3.4倍。同温度下，频率越高，G＊／sinδ的增幅越小。从高频到低频，基质沥青衰减的幅度要大于高模量沥青的。频率在3rad／s时，高模量沥青70℃时的G＊／sinδ与基质沥青50℃的G＊／sinδ相差不大。这说明频率低于3rad／s时，基质沥青和高模量沥青拥有相同的抗车辙能力，高模量沥青的温度能达到70℃甚至更高。高模量沥青在高温、低频可显著提高沥青的抗车辙能力。

4 应变的影响

应变与路面实际的结构有着密切的关系。控制好应变，才能真实地反映路面的实际结构。为了分析应变对抗车辙因子G＊／sinδ的影响，测试了两种沥青在不同应变条件下G＊／sinδ的变化，试验结果分别如图6，7所示。

图6 50℃应变与G＊／sinδ的关系Fig.6 The relation ship between strain and G＊／sinδat 50℃

图7 70℃应变与G＊／sinδ的关系Fig.7 The relation ship between strain and G＊／sinδat 70℃

由图6可知，在50℃时，应变对高模量沥青的G＊／sinδ影响很

小，仅降低了0.6kPa，基质沥青的G＊／sinδ随着应变的增大由10.2kPa降至7.4kPa。这说明随着应变的增加，所需的振动应力增大，使得基质沥青的变形增大，导致G＊／sinδ变小。高模量沥青的G＊／sinδ随着应变的增加变化很小，不受影响。这说明在50℃条件下，高模量沥青能很好地承受较大的应力而不发生变形，且路面抗车辙能力受行车荷载影响很小，可用于气温较高且行车荷载较大的地区。

由图7可知，在70℃时，基质沥青的G＊／sinδ随应变的增大而不发生变化。其原因是：温度在70℃时，基质沥青相位角已经接近90°，沥青已接近粘性状态。高模量沥青的G＊／sinδ随着应变的增大由5.6kPa降至3.7kPa，其原因是：在70℃高温下，沥青粘性成分较多，沥青变形更容易。随着应变的增大，所需振动应力增大，导致变形增大，相位角增大，G＊／sinδ变小。比较两种沥青G＊／sinδ降低的幅度，基质沥青在50℃降低了2.8kPa，高模量沥青在70℃降低了1.9kPa。这说明高模量沥青即使在70℃的高温，受应变的影响也要低于基质沥青的，高模量沥青能显著提高沥青高温承受荷载的能力。

5 抗疲劳开裂性能

沥青路面在使用期间经受车轮荷载的反复作用，导致路面结构强度逐渐降低。当重复作用超过一定次数后，路面内部产生的应力就会超过结构抗力，路面出现裂缝，随着时间的推移而产生疲劳开裂破坏。Superpave规范指出，在路面投入使用一段时间后，在低温到中温时会发生疲劳，采用疲劳开裂因子G＊sinδ≤5 000kPa作为沥青疲劳开裂的控制标准。为研究高模量沥青抗疲劳开裂性能，采用SHRP试验方法，对两种沥青进行RTPO／PAV老化，分析其在中、低温条件下的流变性能，两种沥青的G＊、δ及G＊sinδ与温度的关系分别如图8，9所示。

图8 两种沥青老化后，G＊和δ随温度的变化Fig.8 The change of G＊andδwith temperature after being aged for two kinds of asphalts

由图8，9可知，随着温度的降低，两种沥青RTPO／PAV老化后的G＊逐渐增大，δ逐渐变小，G＊sinδ逐渐增大。这说明沥青的抗疲劳性能随着温度的降低而削弱。Superpave规范中提到理想的胶结料抗疲劳品质应具有像软弹性材料的功能，能从许多次加载后恢复。为了使沥青结合料具有良好的抗疲劳性能，期望沥青具有较小的G＊sinδ，使路面在行车荷载作用下的变形能迅速恢复，减少路面因产生应力累积而导致疲劳破坏。从41℃降到26℃，基质沥青的G＊、δ及G＊sinδ都高于高模量沥青的，且随着温度的降低，两种沥青的δ相差越来越小，G＊相差越来越大，G＊sinδ相差越来越大。从41℃到26℃，基质沥青的G＊sinδ由227.2kPa升到2 276kPa，高模量沥青的G＊sinδ由249.2kPa升到1 614kPa。对比两种沥青在41℃和26℃的G＊sinδ发现，温度越低，G＊sinδ相差越大，基质沥青的G＊sinδ达到5 000kPa的速率更快、温度更高。可见，在相同温度下，高模量沥青具有更好的抗疲劳能力；当达到相同抗疲劳性能时，高模量沥青的温度更低。高模量沥青可提高沥青的抗疲劳性能。

图9 两种沥青老化后，G＊sinδ随温度的变化Fig.9 The change of G＊sinδwith temperature after being aged for two kinds of asphalts

6 结论

1）随着温度的升高，两种沥青的G＊逐渐降低，基质沥青的δ逐渐升高，高模量沥青的δ呈先下降后上升趋势，G＊／sinδ逐渐降低。对比基质沥青，高模量沥青的G＊和G＊／sinδ要高得多，且温度敏感性较低，其G＊和G＊／sinδ衰减得较慢，具有相同抗车辙能力时达到的温度更高，能显著提高沥青的高温抗车辙能力。

2）两种沥青的G＊和G＊／sinδ都随着频率的降低而降低，基质沥青降低的幅度大于高模量沥青的。在高温段，基质沥青的δ随着频率的降低而增大，高模量沥青的δ随着频率的降低而降低。与基质沥青相比，温度越高，频率越低，高模量沥青的G＊／sinδ提高的幅度越大。高模量沥青能显著提高沥青在高温、低频时的抗车辙能力。

3）50℃时，基质沥青的G＊／sinδ随应变的增大而降低，高模量沥青的G＊／sinδ没有变化；70℃时，基质沥青已接近粘性状态，高模量沥青的G＊／sinδ随着应变的增大而降低。随着应变的增大，高模量沥青在70℃时降低的幅度要小于基质沥青在50℃降低的幅度。高模量沥青能显著提高沥青在高温、重载时的抗车辙能力。

4）在中、低温段，随着温度的降低，两种沥青的G＊逐渐增大，δ逐渐变小，G＊sinδ逐渐增大，基质沥青的G＊、δ及G＊sinδ都高于高模量沥青的，且随着温度的降低，G＊sinδ相差越来越大。达到相同抗疲劳性能时，高模量沥青的温度更低，高模量沥青具有更好的抗疲劳性能。

（

）：

［1］ 吴玉财.沥青混合料抗车辙性能试验研究［J］.西部交通科技，2007（4）：19－22.（WU Yu－cai.Experimental study on anti－rutting performance of asphalt mixture［J］.Western China Communications Science ＆ Technology，2007（4）：19－22.（in Chinese））

［2］ 周纯秀，于春雨，谭亿秋.SBS改性沥青流变性能影响因素的试验研究［J］.交通标准化，2005（1）：44－48.（ZHOU Chun－xiu，YU Chun－yu，TAN Yi－qiu.The rheological properties of SBS modified asphalt［J］.Communications Standardization，2005（1）：44－48.（in Chinese））

［3］ 卢辉，张肖宁，胡玲玲.高模量改性沥青技术指标的试验研 究 ［J］.公 路，2008（3）：176－178.（LU Hui，ZHANG Xiao－ning，HU Ling－ling.Experimental study of high modulus asphalt technical indicators［J］.Highway，2008（3）：176－178.（in Chinese））

［4］ 胡玉祥，张肖宁，王绍怀，等.高模量沥青混合料添加剂性能的试验研究［J］.石油沥青，2006，20（3）：8－12.（HU Yu－xiang，ZHANG Xiao－ning，WANG Shaohuai，et al.Experimental study of the performance of additives of high modulus asphalt mixture［J］.Petroleum Pitch，2006，20（3）：8－12.（in Chinese））

［5］ 敖清文，田永娅.高模量沥青结合料路用性能研究［J］.交通科技，2013（4）：108－111.（AO Qing－wen，TIAN Yong－ya.Performance of high modulus asphalt binder road［J］.Transportation Science ＆ Technology，2013（4）：108－111.（in Chinese））

［6］ 金芳.高模量改性沥青性能及技术指标研究［J］.山西交通科技，2010（6）：30－31.（JIN Fang.High modulus asphalt performance and technical indicators research［J］.Shanxi Science ＆ Technology of Communications，2010（6）：30－31.（in Chinese））

［7］ 郭四泽.高模量沥青结合料的SHRP试验研究［J］.公路与汽运，2010（1）：84－86.（GUO Si－ze.Experimental study of high modulus SHRP asphalt binder［J］.Highways ＆ Automotive Applications，2010（1）：84－86.（in Chinese））

［8］ 赵联胜.高模量沥青及混合料性能试验研究［J］.山西交通科技，2012（3）：7－8.（ZHAO Lian－sheng.The performance test research of high modulus asphalt mixture［J］.Shanxi Science ＆ Technology of Communications，2012（3）：7－8.（in Chinese））

［9］ 扈少华.添加剂型高模量沥青混合料特性及其应用技术研究［D］.济南：山东建筑大学，2013.（HU Shaohua.The properties and applications of additive－type high modulus asphalt mixture［D］.Jinan：Shandong Jianzhu University，2013.（in Chinese））

［10］ 交通公路科学研究所.JTJ E－20－2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2011.（Road Traffic Science Research Institute.JTJ E－20－2011，Highway asphalt and asphalt testing procedures［S］.Beijing：China Communications Press，2011.（in Chinese））

［11］ 杨朋.高模量沥青及其混合料特性研究［D］.广州：华南理工大学，2012.（YANG Peng.Characteristics of high modulus asphacts and their mixtures［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2012.（in Chinese））