考虑老化作用的沥青胶浆动态粘弹性能试验分析

王志军

(交通运输部公路科学研究院 道路结构与材料交通行业重点实验室， 北京 100088)

考虑老化作用的沥青胶浆动态粘弹性能试验分析

王志军

(交通运输部公路科学研究院 道路结构与材料交通行业重点实验室， 北京 100088)

采用动态剪切流变试验和弯曲蠕变劲度试验，分析了不同老化状态下沥青胶浆的动态流变性能。试验结果表明：老化作用没有改变沥青胶浆的粘弹性属性，只是改变了沥青胶浆粘弹性指标变化的幅度；沥青胶浆老化后，沥青胶浆的复数剪切模量G*增大，相位角δ变小，沥青胶浆向固态转化，提高了沥青混合料的高温抗车辙能力；老化时间越长、温度越低，沥青胶浆的损失剪切模量G*sinδ越大，沥青胶浆的抗疲劳性能越差；沥青胶浆的蠕变劲度随老化时间的增加不断增大，蠕变速率随老化时间的增加而减小，老化胶浆更易发生低温开裂。

沥青胶浆； 老化作用； 粘弹性能； 疲劳； 高温流变性； 低温柔性

1 概述

老化作用是引起沥青路面损坏的主要因素之一，在沥青混合料生产和沥青路面服役过程中，外界环境因素如氧气、温度、水分和光照会引起沥青混合料发生一系列物理化学变化，最终导致沥青路面破坏，影响沥青路面使用性能，因此提高沥青混合料的抗老化能力，改善沥青路面的使用性能，延长使用寿命显得非常重要[1,2]。目前对老化的研究多集中在沥青自身材料的老化，提出了一系列提高沥青抗老化能力的途径、评价方法及指标[3,4]；而近代胶浆理论则认为沥青混合料是由粗集料、细集料、沥青胶浆形成的多级空间网状结构的分散系，沥青胶浆在物理形态上改变了沥青结合料的粘稠度，影响和决定着沥青混合料的高低温特性及耐久性[5-10]。刘丽等人对沥青胶浆的技术性能及评价方法进行了研究发现：动态剪切流变仪(DSR)可以用于研究沥青胶浆的路用性能和流变特性，弯曲梁流变仪(BBR)可以用来评价沥青胶浆的低温性能[11]。张肖宁等利用DSR进行了沥青胶浆路用性能评价的研究，对粉胶比和纤维的影响进行了分析[12]。以上研究可以发现，许多科研机构对沥青胶浆的相关性能进行了一些研究，但是到目前为止考虑老化作用对沥青胶浆粘弹性能影响的研究相对还比较少，基于此，本文采用动态剪切流变仪Dynamic shearing rheometer(DSR)和弯曲梁流变仪Bending Bean Rheometer(BBR)，对不同老化程度和不同温度下沥青胶浆的粘弹性能进行试验分析，以分析老化作用对沥青胶浆的影响。

2 试验方案

2.1 材料

沥青采用SK-70道路石油沥青，其技术指标见表1.填料采用磨细的石灰石矿粉，矿粉干燥洁净，各项技术指标见表2。两种原材料的性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求。

表1 70号沥青性能指标Table1 Mainperformanceindexofsk-70asphalt指标试验结果技术要求针入度25℃，5s，100g/(01mm)7160～80针入度指数(PI)-068-15～+10软化点/℃49≥46蜡含量/%19<22闪点/℃338260溶解度/%998995密度15℃/(g·cm-3)1039实测记录动力粘度60℃/(Pas)206160老化后质量变化/%-008±08针入度比15℃/%73≥61延度15℃/cm38≥15

表2 矿粉性能指标Table2 Technicalparametersofthemineralfiller指标试验结果技术要求表观密度/(t·m-3)2812≥25亲水系数082<1粒度范围<06mm/%100 100<015mm/%956 90～100<0075mm/%83875～100

2.2 不同老化程度的沥青胶浆的制备

样品制备：把沥青加热到160 ℃放入搅拌容器中，用小勺慢慢加入已称好的矿粉，粉胶比为0.8，持续搅拌5 min使沥青胶浆搅拌均匀。沥青胶浆的短期老化采用旋转薄膜烘箱老化试验，模拟其在贮存、运输、拌和及铺筑过程中的老化。试验条件是胶浆试样在163 ℃±0.5 ℃热氧环境中受热75 min，试验根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0610-2011进行；沥青胶浆的长期老化采用压力老化试验，模拟沥青胶浆在路面服役过程中的老化。试验采用经旋转薄膜老化后的沥青胶浆试验样本在压力2.1 MPa、温度100 ℃的条件下进行不同时间的老化，试验根据AASHTO PP1的要求进行。

2.3 试验方案

试验采用DSR动态剪切流变仪对沥青胶浆进行动态剪切流变试验，测试不同老化程度的沥青胶浆试样在高温条件下的复数剪切模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ，以此来分析不同老化程度下沥青胶浆的高温性能。

采用DSR动态剪切流变仪对沥青胶浆进行动态剪切流变试验，测试不同老化程度的沥青胶浆试样在中温条件下的复数剪切模量G*、相位角δ和疲劳因子G*sinδ，以此来分析不同老化程度沥青胶浆在中温条件下的抗疲劳性能。

采用弯曲梁流变仪(Bending bean rheometer，BBR)对沥青胶浆进行小梁弯曲蠕变试验，分析不同老化程度的沥青胶浆试样在低温条件下的蠕变劲度S、蠕变速率m变化规律，从而分析老化对沥青胶浆低温性能的影响。蠕变劲度S越大，表示沥青胶浆的柔性越差；蠕变速率m值越大，表示沥青胶浆的松弛能力越强，沥青混合料的低温性能越好。

具体试验方案如表3所示。

表3 沥青胶浆试验方案Table3 Testingprojectofasphaltmastic试验名称试验样品(粉胶比08)试验温度/℃试验指标DSR高温试验未老化矿粉胶浆、RTFOT老化矿粉胶浆、RTFOT老化+PAV老化10h、RTFOT老化+PAV老化20h46、52、58、64、70、76复数剪切模量G∗、相位角δBBR低温试验未老化矿粉胶浆、RTFOT老化矿粉胶浆、RTFOT老化+PAV老化10h、RTFOT老化+PAV老化20h-18、-12、-6、0蠕变劲度S、蠕变速率mDSR疲劳试验未老化矿粉胶浆、RTFOT老化矿粉胶浆、RTFOT老化+PAV老化10h、TFOT老化+PAV老化20h10、20、30复数剪切模量G∗、相位角δ

3 试验结果及分析

3.1 DSR高温试验

复数剪切模量G*是材料重复剪切变形时总阻力的度量，为最大剪切应力和最大剪切应变之比。相位角δ是剪切应力和剪切应变之间的时间差，对于完全弹性和完全黏性的材料，相位角分别是0°和90°。G*/sinδ为车辙因子，表示沥青胶浆材料抗永久变形能力，在最高路面设计温度下，其值越大表示沥青胶浆的流动变形越小，越有利于抵抗路面车辙的产生[13,14]。试验结果如图1、图2所示。

图1 不同老化状态下沥青胶浆粘弹性指标与试验温度的关系Figure 1 Relationship between viscoelastic parameters of asphalt mortar with different aging degree and temperature

图1可以看出：不同老化状态下沥青胶浆的复合剪切模量G*均随温度的升高呈下降(幂指数下降)，而相位角δ随温度的升高逐步增加，说明温度的升高使沥青胶浆由低温时的高弹态逐步转化为高温时的粘流态，温度越高，车辙因子G*/sinδ越小，老化作用没有改变沥青胶浆的粘弹性属性，只是在一定程度上改变了沥青胶浆粘弹性指标变化的幅度。

图2可以看出：在同一温度下，随着老化程度的加剧，沥青胶浆的复数剪切模量逐渐增大，相位角逐渐减小，车辙因子G*/sinδ逐渐增大，说明老化作用导致沥青胶浆的粘性减小，弹性增加，沥青胶浆向固态转化，提高了沥青混合料的高温抗车辙能力；同时还可以看出，温度越高，不同老化状态下沥青胶浆车辙因子G*/sinδ增加的幅度越小，说明在高温条件下，温度对沥青胶浆车辙因子的影响比老化作用对车辙因子的影响要大的多。

图2 不同温度下沥青胶浆粘弹性指标与老化程度的关系Figure 2 Relationship between viscoelastic parameters of asphalt mortar with different temperature and aging degree

3.2 BBR低温试验

采用弯曲梁流变仪(Bending bean rheometer，BBR)对沥青胶浆进行小梁弯曲蠕变试验，试验结果如图3、图4所示。

图3 不同温度下蠕变劲度S的变化规律Figure 3 Test result of creep stiffness “s” by BBR

图4 不同温度下蠕变速率m的变化规律Figure 4 Test result of creep rate “m” by BBR

图3可以发现：随着温度的升高，沥青胶浆的蠕变劲度模量S呈指数形式递减，说明温度越低，沥青胶浆越容易发生开裂；在同一温度下，沥青胶浆老化程度越大，蠕变劲度模量S越大，说明随着沥青胶浆的老化，其低温性能逐渐变差；由图4可知：随着温度的升高，沥青胶浆的蠕变速率m呈线性递增，说明温度越低，沥青胶浆的应力松弛能力越差；在相同温度下，沥青胶浆蠕变速率m随沥青老化程度的增大而减小，说明老化作用使沥青胶浆的粘性减小，低温性能变差，老化胶浆更易发生低温开裂。

3.3 DSR疲劳试验

沥青胶浆的疲劳性能，可以用疲劳因子G*sinδ表示，反映沥青胶浆在变形过程中散失的能量，其值越大，表示重复荷载作用下的能量损失速度越快，其抵抗疲劳损伤的能力越差。试验结果如图5、图6所示。

图5 不同温度下沥青胶浆疲劳因子G*sin δ的变化规律Figure 5 Relationship between fatigue parameter and temperature

图6 不同老化程度沥青胶浆疲劳因子G*sin δ的变化规律Figure 6 Relationship between fatigue parameter and aging degree

图5所示：随着温度的升高，沥青胶浆的疲劳因子G*sinδ逐渐减小，说明在较低的温度范围内沥青胶浆易发生疲劳损伤。图6看出：在相同温度下，随着沥青胶浆老化程度的加剧，疲劳因子G*sinδ逐渐增大，说明老化作用会引起沥青胶浆弹性成分的增加和粘性成分的减少，导致沥青胶浆硬化，减弱了沥青胶浆的中温抗疲劳性能。

4 结论

① 不同老化状态下沥青胶浆的复合剪切模量G*均随温度的升高呈幂指数下降趋势，相位角δ随温度的升高逐步增加，老化作用没有改变沥青胶浆的粘弹性属性，只是一定程度上改变了沥青胶浆粘弹性指标变化的幅度。

② 在高温条件下，老化作用导致沥青胶浆的粘性减小，弹性增加，沥青胶浆向固态转化，提高了沥青混合料的高温抗车辙能力。温度越高，不同老化状态下沥青胶浆车辙因子G*/sinδ增加的幅度越小，说明在高温条件下，温度对沥青胶浆车辙因子的影响要大于比老化作用的影响。

③ 在低温条件下，沥青胶浆的蠕变劲度模量S随着温度的升高呈指数形式递减，蠕变速率m呈线性递增，温度越低，沥青胶浆的应力松弛能力越差；在同一温度下，沥青胶浆老化程度越大，蠕变劲度模量S越大，蠕变速率m越小，老化作用使沥青胶浆的粘性减小，低温性能变差，老化胶浆更易发生低温开裂。

④ 沥青胶浆的疲劳因子G*sinδ随温度的升高逐渐减小，在较低的温度范围内沥青胶浆易发生疲劳损伤。同时，老化作用会引起沥青胶浆弹性成分的增加和粘性成分的减少，导致沥青胶浆硬化，抵抗重复剪切能力降低，减弱了沥青胶浆的抗疲劳性能。

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Viscoelastic Properties Test of Asphalt Mortar with Different Aging Degree

WANG Zhijun

(Key Laboratory of Road Structure & Material， Research Institute of Highway， MOC， Beijing 100088， China)

The dynamic rheological properties of asphalt mortar under the effects of aging were studied by Dynamic Shear Rheometer(DSR)Test and Bending Bean Rheometer(BBR)Test.Test results show the following： ①The effects of aging affect the viscoelastic properties of asphalt mortar by changing the magnitude of viscoelastic index. ②The complex shears modulus increase and the phase angle decrease after aging.The asphalt mortar is gradually transformed into solid that can obviously improve the rutting resistance capacity of the asphalt pavement in the high temperature. ③The fatigue parameterG*sinδvalues increases with the degree of aging intensifies.The anti-fatigue performance of aged asphalt mortar is worse at low temperatures. ④The creep stiffness increase with increasing aging time and the creep rate increase.The cracking of aging mortar is occurred more likely at low temperatures.

asphalt mortar； aging； viscoelasticity； fatigue； high temperature rheology； low temperature flexibility

2015 — 04 — 07

王志军(1983 — )，男，山东日照人，助理研究员，硕士，主要从事沥青路面结构与材料研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0048 — 05