基于动态频率扫描的SBS改性沥青老化性能分析

张利冬，范亮平

（中国联合工程公司，浙江 杭州 310052）

基于动态频率扫描的SBS改性沥青老化性能分析

张利冬，范亮平

（中国联合工程公司，浙江 杭州 310052）

为了研究SBS改性沥青的老化特性，应用动态频率扫描试验，对不同老化程度下SBS掺量分别为0%、3%、6%的改性沥青进行了多个温度条件下的频率扫描，通过对主曲线的分析，并引入玻璃态转变温度来评价改性沥青与基质沥青老化前后的性能特点，最后利用CA模型拟合主曲线。研究表明：改性剂的加入改善了基质沥青的高、低温性能，同时减缓老化速率；老化使沥青低温抗裂性能大幅下降，但高温温度性能却有一定提高；玻璃态转变温度和CA模型对于评价沥青结合料性能均有较好的适用性。

道路工程；改性沥青；老化；动态频率扫描

0　引言

近年来改性沥青在各个等级的公路建设中得到了越来越广泛的应用。然而随着时间的推移，由于受到行车荷载、环境、人为等因素的影响，改性沥青混合料依然存在老化的问题，路面性能随着劣化。目前国内普遍使用针入度、软化点等常规传统方法评价改性沥青的老化特征。Superpave沥青结合料规范虽然从流变学的角度区分沥青的各种性能，但是许多试验对改性沥青并不能很好的适用，同时对改性沥青经过室内短期老化和长期老化后粘弹性力学行为的改变认识明显不足[1-2]。

沥青材料是一种典型的粘弹性材料，可以通过动态粘弹测试方法准确反映沥青材料的稳定性、粘弹性和热敏感性。目前最常用的动态粘弹测试方法是借助动态剪切流变仪（DSR），在指定的温度和频率下施加正弦应力，由此测得沥青处于不同条件下的复数模量(G*)和相位角（δ），以此评价沥青在不同温度和频率下粘弹性特征。这种方法可以有效模拟路面动载作用下的变形特征，从而表征沥青性能。

本研究通过70#基质沥青、低改性剂掺量（SBS改性剂掺量3%）、高改性剂掺量（SBS改性剂掺量6%）三种沥青分别通过旋转薄膜烘箱老化（RTFOT）,PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h制备18种沥青。运用动态剪切流变仪在处于线粘弹性范围内的18种沥青进行较宽温度和频率范围的动态频率扫描试验。根据时温等效原理，运用WLF公式绘制各种沥青的主曲线，并使用CA模型拟合出主曲线方程，由此分析改性沥青经过室内短期老化和长期老化的流变性能，并据此讨论改性沥青的老化规律和老化机理。

1　材料制备与试验方案

本研究通过70#基质沥青，加入指定掺量的SBS改性剂（3%和6%），使用实验室专用的改性沥青制作设备－高速剪切搅拌仪在170℃±5℃温度范围内，以3 000～6 000 r/min的剪切速率剪切1 h，由此制备低、高改性剂掺量的改性沥青[3]。

考虑到从路面回收的沥青其性能变异性较差，同时老化程度不易掌握，本文采用室内模拟沥青老化的方法。研究表明沥青的PAV老化可以有效的模拟沥青路面实际的长期使用中的老化，且两者存在较好的对应关系，PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h分别对应于实际道路路面龄期2 a、4 a、6 a和8 a[4]。而20世纪90年代美国SHRP成果中提出，旋转薄膜烘箱老化可以用来模拟在沥青混合料生产和施工期间的老化。所以本文将上述制备的两种沥青和基质沥青分别进行旋转薄膜烘箱老化，PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h，共制备18种沥青，见图1。

本文采用美国TA公司生产的Advanced Rheometer-2000高级流变仪测试改性沥青的动态粘弹力学性能。试样的制备方法是将1 g左右的沥青放在直径为25 mm的平板家具下的平板上，调节上平板至1 000 μm，用热刀将平板周围压出的试样刮去后，恒温15 min。动态频率扫描的温度范围为30℃～80℃，频率范围是0.01～100 Hz，试验由应变控制。

图1　PAV老化时间和道路龄期关系

2　试验结果与讨论

2.1主曲线的确定

通过频率扫描试验，可以得到各个温度下沥青在较宽频率范围内的复数模量值G*,图2为改性剂掺量为3%的改性沥青经过16 h PAV老化进行频率扫描的结果。

图2　掺量3%改性剂的沥青PAV16 h后频率扫描图

从图2中可见，随着荷载频率的增加或试验温度的降低，沥青的复数模量增加。但在相同荷载频率和试验温度的条件下，沥青复数模量的改变受老化时间和改性剂掺加量共同影响。为了进一步深入分析评价改性沥青老化后的性能变化规律，需要确定其主曲线，以此将试验结果拓延到更加广泛的频率（温度）范围。

主曲线的绘制通常运用时间-温度等效原理，利用关于位移因子的WLF公式。WLF方程：

式中：Tg为材料的玻璃化转变温度；T为材料温度；αT为温度T时的水平移位因子；C1、C2为经验常数，随参考温度而变[5]。

位移因子lgαT的获得：以某一参考温度的曲线文参考曲线，可用最小二乘法及L-M法得最优平移距离lgαT，该法的计算过程可以有Origin软件非线性拟合实现。

玻璃化转变温度Tg的获得：由于玻璃化转变温度Tg的测定比较复杂，一般不通过试验测定沥青的Tg。而可以通过式（1），在测定的温度条件中选定任意两个温度T0和T1来推导Tg。

可采用Origin软件进行最小二乘非线性拟合。

通过上述计算，并进行水平位移叠加，可以得到参考温度下宽频率范围内主曲线，图3～图5为在40℃下三种沥青进行不同程度老化后的频率与复数模量的关系曲线。

图3　不同老化程度基质沥青复数模量主曲线

图4　不同老化程度3%改性剂掺量沥青复数模量主曲线

图5　不同老化程度6%改性剂掺量沥青复数模量主曲线

由图3～图5可见：

（1）随着改性剂掺加量的增加，复数模量增大，但是增大的幅度随着掺加量的增加而减少，说明改性剂的加入提高了基质沥青的高温性能，同时使老化速率减小。

（2）基质沥青和3%SBS改性剂掺量的沥青，他们主曲线的复数模量随着老化时间的增加而增加。而6%改性剂掺量的沥青，其短期老化（旋转薄膜老化）的复数模量比长期老化（PAV5 h和16 h）的复数模量大。主要原因是高改性剂掺量的沥青在短期老化后，基质沥青中的小分子成分减小，同时聚合物与基质沥青的溶胀更充分，导致分子间约束加强，使得改性沥青复数模量值大幅增加。而随着老化的深入，改性剂出现裂解，使复数模量又有一定的下降；对于低改性剂掺量的改性沥青，基质沥青的老化是改性沥青的老化的主导因素，所以它和基质沥青表现为相同的复数模量随着老化时间增大而增大的现象[6]。

（3）三种沥青短期老化后的复数模量明显增加，随着老化程度的深入，复数模量的增加速率变缓。其主要原因是改性沥青的老化从根本上说是基质沥青的老化和改性剂聚合物的分解，基质沥青的老化使得复数模量的增加，而改性剂聚合物的分解又使复数模量降低，改性沥青最终表现出的复数模量是这两个因素共同作用产生的效果。相对于基质沥青，改性剂表现出相对的稳定性，所以在短期老化过程中主要表现的是基质沥青的老化，而随着老化程度的加深改性剂聚合物的裂解程度加大，从而表现为复数模量增加速率下降。

（4）比较不同老化程度的几种沥青，随着老化时间的增加，基质沥青、3%和6%掺量的改性沥青的主曲线更为接近，说明改性沥青老化后期同基质沥青类似。

2.2玻璃化转变温度Tg分析

物体由玻璃态向高弹态过度的转变温度称为玻璃化转变温度，一般以Tg表示。玻璃化转变温度具有明确的物理意义，它表征高分子材料链段运动得以开始或冻结的温度。按照自由体积理论的解释，在玻璃化转变温度下物体所含有的自由体积达到一临界值，低于此值，不足以是链段再运动[7]。

对于路用沥青，其服务温度横跨玻璃态至粘流态。在低温条件下，希望其具有一定的变形能力，以此松弛部分因温度下降产生的温度应力，从而提高沥青路面的低温抗裂性。从这个角度讲，玻璃化转变温度Tg就能很好的表征沥青的低温性能。Tg越小，表示沥青在更低的温度下就从变形能力较差的玻璃态过渡到变形能力较好的高弹态，使沥青在较低温度下有更好的抗变形能力，从而减少低温开裂。所以玻璃化转变温度Tg能够区分不同沥青低温性能的好坏，评价沥青的低温性能，见图6。

图6　不同老化程度三种沥青玻璃态转变温度

从图6可以看出：

随着改性剂的增加，沥青的Tg变小，说明改性剂的加入改善了沥青的低温抗裂性。

（1）随着老化程度的深入，沥青的Tg变大，但增幅逐渐减小，说明老化使沥青的低温性能降低，但随着老化的推移低温抗裂性趋向稳定。

（2）相同老化程度的三种沥青，低改性剂掺量和高改性剂掺量的Tg比较接近，说明SBS改性剂的掺加可以明显提高基质沥青的低温性能，但过多的增加SBS掺量改善效果不显著，并不经济。

（3）未老化的三种沥青，其Tg值分别为-3.0℃、-4.7℃和-6.1℃，而老化50 h后，三者Tg值分别为2.1℃、1.0℃、0.5℃，三种沥青的玻璃化转变温度随着老化的深入逐渐靠近，这说明对于改性沥青的低温抗裂性，基质沥青的影响因素大于改性剂的影响。

2.3主曲线CA模型分析

经典的粘弹力学通过粘壶和弹簧描述沥青及沥青混合料的粘弹力学特性，可以形象的表述其力学行为的变化。如沥青在动态剪切作用下建立起的复合模量和相位角的模型是CA模型，可以较好地拟合主曲线数据[8]。

玻璃态复合模量是高频（f→∞）或者低温条件下材料的复合模量。沥青在高温或低频部分主曲线逐渐变缓，并趋近水平线，此时沥青处于玻璃态，该处的复数模量即为玻璃态复合模量，它描述了沥青在低温时抗变形的能力。交叉频率fc是流变区与弹性极限区的分界频率，fc越大反映沥青的低温性能越好。经过拟合得到CA模型的几个参数见表1。

表1　CA模型主要参数表

由表1可以看出，各种沥青的相关系数均大于0.99，拟合度较好，说明CA模型对于不同老化程度的改性沥青与基质沥青都有较好的适用性。

3　结　论

（1）改性剂的加入后，聚合物与基质沥青形成一种更加稳定的结构，使沥青的高温稳定性与低温抗裂性有了一定的提高。

（2）沥青老化使沥青的低温性能变差，但高温性能却得以增强，而对于相同老化程度的基质沥青与改性沥青，改性沥青与其相应的原样沥青性能更为接近，改性剂的加入延缓了沥青的老化速率。

（3）使用玻璃态转变温度Tg评价不同老化程度和不同改性剂掺加量的沥青与CA模型拟合得到的结论一致，说明玻璃态转变温度Tg对于评价沥青低温性能有较好的适用性。

[1]Isacsson U,Lu X.Testing and appraisal of polymer modified road bitumens 2:state of the Art[J].Materials and Structures,1995(28): 139-159.

[2]郭梅丽.高聚物与复合材料的动态力学分析[M].北京:化学工业出版社,2002.

[3]司晓丽.高强沥青的研发与利用[D].江苏南京:东南大学,2008.

[4]王舜.高速公路扩建路面拼接技术研究[D].江苏南京:东南大学, 2007.

[5]张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹性力学原理与应用[M].北京:人民交通出版社,2006.

[6]徐剑,黄颂昌,邹桂莲.高等级公路沥青路面再生技术[M].北京:人民交通出版社,2011

[7]曹丽萍,谭忆秋,董泽蛟,等.应用玻璃化温度评价SBS改性沥青的低温性能[J].中国公路学报,2006,19(2):1-6.

[8]Mauricio Centeno,Israel Sandoval,Ignacio Cremades,etc.Assessing Rutting Susceptibility of Five Different Modified Asphalts in Bituminous Mixtures Using Rheology and Wheel Racking Test[C]. Transportion Research Board of the National Academies 2008.

杭州湾将再建两条跨海铁路大桥 直接连接上海宁波

一座杭州湾跨海大桥，拉近了宁波与上海的距离，构筑了一条海上高速公路大通道，但宁波市民一直期盼能在杭州湾上架起一条不经杭州枢纽直接连接上海的高铁通道。这样的梦想很快就能实现了。“十三五”期间，杭州湾上将再建两条跨海铁路，一条是沪甬跨海铁路，一条是沪甬城际铁路，其中沪甬跨海铁路有望在“十三五”期间开工建设。

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U414

A

1009-7716（2016）02-0172-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.048

2015-10-29

张利冬（1989-），男，浙江嵊州人，助理工程师，从事道路设计工作。