基于时间及频率扫描的沥青高低温性能试验研究

林江涛， 梁 皓, 樊 亮

(山东省交通科学研究院 山东省道路结构与材料重点实验室， 山东 济南 250031)

目前，中国评价沥青高低温性能的主要常规指标为软化点、延度等.常规试验方法测试软化点、延度等指标具有操作简单、便于应用等特点，在中国公路建设中发挥着巨大作用，但是无法有效同步评价沥青材料高低温性能.国内有研究表明，利用玻璃化转变温度(Tg)评价沥青混合料的低温性能，使用效果良好[1-3]；国外学者也利用玻璃化转变温度来评价沥青和沥青类填缝材料的低温性能[4-5].Tg可以通过动态剪切试验方法获得，而AASHTO MP19中评价沥青高温性能的车辙因子(G*/sinδ)也是通过动态剪切方法测定.因此，通过动态剪切试验同时获取沥青G*/sinδ及Tg，实现沥青高低温性能的同步测定成为可能.

本文采用不同种类沥青，进行不同温度下动态剪切时间扫描和频率扫描，对于通过动态剪切试验同时获取沥青的G*/sinδ及Tg的试验过程及方法进行了研究；同时，对测定的Tg表征沥青混合料低温性能的适用性进行了分析.

1 原材料与试验方法

普通沥青选用中石化燃料油公司的30#，50#，70#及90#石油沥青；改性沥青选用SBS改性沥青、高模量沥青、DSS改性沥青及MAC改性沥青.需要注意的是，由于试验阶段不同，测试所选用的沥青种类有所区别.主要试验安排如下：

(1)常规性能指标测定 主要为沥青的针入度、软化点、延度等常规试验指标，结果见表1.

表1 沥青性能的常规检测结果Table 1 Performance indexes of asphalt

(2)车辙因子测试 按照AASHTO MP19规定方法测定沥青G*/sinδ.

(3)温度、时间及频率扫描试验 在30～90℃范围内选取5个试验温度，每个试验温度下以时间扫描、频率扫描试验作为1个循环单元，每个试验温度平衡时间为1min，时间扫描、频率扫描试验平衡时间设置为10s;采用平行板转子25mm，样品厚度1mm.第1步时间扫描测试：控制应变12%，测试频率为10rad/s，扫描时间为10s；第2步频率扫描测试：控制应变5%，测试频率范围0.1～10Hz.通过该试验，按照时间温度等效原理进行曲线平移，可获得各个温度移位因子，同时获取60℃沥青模量和相位角主曲线.

2 试验结果及分析

2.1 时间扫描结果及分析

表2为沥青时间扫描过程结果及曲线拟合方程，表3为预测的G*/sinδ与实测G*/sinδ，图1(a)为沥青时间扫描过程回归分析曲线，图1(b)为预测值与实测值的相对误差.试验结果显示，不同沥青、不同温度下预测值与实测值相对误差差异较大且无规律性.由于沥青基材料的复杂性、试验过程及平行样品间的差异，误差的存在是不可避免的，但总体结果表明，通过回归方式计算的G*/sinδ与按照AASHTO MP 19方法测定的G*/sinδ基本相同，除DSS沥青64℃下测点误差相对较大外，其他沥青测点均满足JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中关于原样沥青G*/sinδ测定重复性允许误差小于6.4%的要求[6].以70#石油沥青为例，其58，64，70℃时G*/sinδ的误差率分别为0.09%，2.47%，1.51%.误差较小的原因主要为：首先，时间扫描试验的设置条件与PG标准试验加载条件一致；其次，时间扫描试验前设置的平衡时间，使前置试验中形成的应力得到充分松弛，极大降低了Boltzmann线性叠加过程所造成的影响.

表2 时间扫描过程及曲线拟合方程Table 2 Time scanning process and curve fitting equation

表3 预测的G*/sinδ与实测G*/sinδTable 3 Predicted G*/sinδ and measured G*/sinδ

图1 沥青时间扫描试验分析Fig.1 Regression analysis of asphalt time sweep test

2.2 频率扫描结果及分析

2.2.1时间温度等效WLF方程

沥青作为一种典型的黏弹性物质，其力学行为符合时间温度等效原理.目前，时间温度等效的方程有很多，常用的主要有WLF方程、Arrhenius方程等，其中，沥青材料在黏弹性范围内适用于WLF方程.WLF方程是一个半经验半理论的公式，适用于时间温度等效原理换算法则的WLF公式为：

(1)

式(1)适用的温度范围为Tg～(Tg+100)℃，C1，C2为材料参数，其值会随着材料不同而有所变化[7].C1，C2分别存在一个以Tg为基准温度的普适常数，其值分别为17.44，51.6，它们是众多材料参数的一个均值.因此，下文进行Tg拟合计算时，为减少参数初值赋值不同对拟合稳定性造成的不良影响，需要先将C1，C2参数初值进行统一，即将C1，C2分别赋予众多材料参数的均值17.44和51.6.假设T1，T2试验温度相对于基准温度Tg的移位因子分别为lgαT1，lgαT2，T1相对于基准温度T2的移位因子为lgαT′=lgαT2-lgαT1，通过WLF公式的推导计算可以得到方程:

(2)

2.2.2玻璃化转变温度Tg计算

利用AR-2000ex型流变仪TTS的模块功能，进行频率扫描复数剪切模量曲线的水平平移，得到各个温度的移位因子，然后利用计算软件Origin8.0根据式(2)编制自定义函数进行拟合计算.

式(2)是一个三元函数，作为一个非线性方程其解有无数个.在本文有限样本数据情况下，Tg拟合结果必然受参数初始赋值的影响较大.已有文献资料按照WLF公式及类似于式(2)的推导公式来计算Tg，但是其拟合参数设置较为模糊，或者计算过程涉及大量人工计算，从而导致相关试验的复现性和平行性不好.

本文Tg的具体拟合过程如下：首先，C1，C2及Tg分别被赋予17.44，51.6及任意合理初始值，并将它们分别设为固定值、固定值和自由值，并进行收敛计算，计算出初始玻璃化转变温度Tg′；然后将C1，C2及Tg′作为自由初始值进行拟合，直至收敛计算完成.试验结果见表4，5及图2，3.

表4 沥青的温度移位因子lg αT数据Table 4 lg αT data of different asphalt mortars

表5 不同参考温度拟合的TgTable 5 Tg data of different asphalt mortars

图2 不同温度下沥青玻璃化转变温度拟合曲线Fig.2 Fitting curves of glass transition temperature of asphalt under different temperatures

图3 60℃沥青动态剪切频率扫描主曲线Fig.3 Asphalt dynamic shear frequency scanning master curve at 60℃

由表5可见:(1)普通沥青在各个参考温度下拟合的Tg数据稳定，相对偏差小.以图2(a)所示70#沥青为例，各个参考温度下其Tg值分别为-10.83，-10.87，-10.84，-10.96℃，相关系数R2都为0.9999，标准偏差SD为0.082；(2)改性沥青间差异性大，部分种类沥青不同温度间拟合结果变异性大.例如，高模量沥青每个参考温度的拟合相关性都较高，见图2(b)，但其数据平行性较差，拟合结果分别为0.27，0.93，-4.57，-3.96℃，即拟合结果不稳定，DSS沥青甚至不能得到稳定的Tg.

图3显示，高模量沥青、DSS沥青的动态力学行为与普通沥青、常见SBS改性沥青明显不同：(1)高模量沥青和DSS沥青的相位角相似，即随着剪切频率的升高其相位角先减小后增大；(2)SBS改性沥青和橡胶改性沥青的相位角相似，即随着剪切频率的升高其相位角先增大然后出现平台区.通常认为，均相沥青材料在极低频或极高频情况下，由于分子链段能够跟上应力反应或完全跟不上应力反应，其力学损耗会比较低，即随着剪切频率靠近极低频区及极高剪切频率区，其相位角都是在降低的.高模量沥青、DSS沥青明显异于均相沥青.

WLF方程是适用于黏弹性材料时间温度等效原理的方程，符合该方程的材料必须是均相的，受力具有各向同向性.普通石油沥青都是由饱和分、沥青质、胶质及芳香分等组分构成，虽然分子量大小不同，但是在热力学上是完全相容的体系，因此Tg只有一个；MAC改性沥青是一种以石油沥青为基质沥青的盐类化学改性沥青，在热力学上也是相容体系，其Tg同样只有1个；对于低掺量的SBS改性沥青或橡胶沥青，由于它们的改性剂掺量小，改性剂与基质沥青相容性较好，可以将其看成简单的交替共混物，因此也只有1个Tg；但高模量改性沥青及DSS沥青与上述沥青有所不同，这两种沥青中含有两种以上的改性剂，改性剂掺量高，生产工艺、力学性能更为复杂，不再是一种简单意义上的沥青共混物，其内部构成是不均相存在的，如高模量改性沥青是一种三相体系的改性沥青，其组成由石油沥青、聚合物改性剂及部分无机矿物组成.综上所述，利用WLF方程推导公式及其拟合参数可以得到稳定、可靠的普通石油沥青及简单改性沥青的Tg值，但对于具有复杂相态结构的聚合物改性沥青则存在一定的局限性.

2.2.3玻璃化转变温度Tg的有效性验证

为验证拟合的Tg值表征混合料低温性能的有效性，本文进行低温小梁试验.级配采用AC-20，沥青采用50#，70#，90#及SBS改性沥青，沥青含量(质量分数)统一为4.3%.采用UTM-100型万能材料试验仪进行标准低弯曲梁小梁试件加载，加载温度-10℃.试验结果见图4.

由图4可见，拟合计算的Tg值，10℃延度指标与沥青混合料破坏应变的相关性R2分别0.9513，0.6514，即采用Tg值来表征混合料低温性能更加有效.Tg是一个动态力学行为的转变温度，是分子链段停止运动的分界温度，其本质是力学松弛行为.由于沥青混合料的低温性能80%是由沥青性能所决定的[8]，其低温开裂的根本原因是混合料的松弛性能下降，弯拉应力不能得到迅速释放，应力随着加载应力的持续不断积聚，最终超过极限而出现开裂.如果沥青胶结料具有更低的Tg，即在更低温度下仍能具有良好的松弛特性，这将有利于温度应力的松弛，使混合料不发生开裂行为.因此从材料松弛特性及Tg所代表的意义表明，沥青Tg值可以有效表征混合料低温使用性能.

图4 小梁试件破坏应变与Tg、延度相关性分析Fig.4 Analysis of correlation between failure strain with ductility and Tg value of asphalt mixture beam

3 结论

(1)普通石油沥青时间扫描过程回归计算G*/sinδ与实测G*/sinδ误差小，能满足现行公路工程沥青及沥青混合料试验规范对于重复性试验允许误差的要求.

(2)基于WLF方程推导公式拟合计算沥青的Tg值，普通石油沥青的拟合效果好；具有复杂相态结构的聚合物改性沥青Tg值拟合计算效果不佳，不同参考温度的拟合程度虽高，但数据平行性不好，数据变异性大.Tg值与混合料低温破坏应变相关程度高.

(3)应用本文所设计的测试方法及拟合方法，可以测定普通石油沥青及简单相态结构的改性沥青的高温性能、高温感温性能及低温性能；相对传统的沥青高低温性能检测方法，其在样品制作、数据采集及所耗时间等方面要更加简便和准确，而且大大降低了试验时间，简化沥青高低温性能测定过程.

(4)由于本文所用沥青样品及混合料试验样本的有限性、局限性，这种方法的推广应用还需要大量的沥青及混合料试验样本作进一步研究和理论分析.

参考文献：

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

CAO Liping,TAN Yiqiu,DONG Zejiao,et al.Evaluation for low temperature performance of SBS modified asphalt using glass transition temperature[J].China Journal of Highway and Transport,2006,19(2):1-6.(in Chinese)

[2] 尹应梅，张肖宁，邹桂莲.基于玻璃化转变温度的沥青混合料低温性能评价[J].华南理工大学学报(自然科学版)，2010,38(10):89-94.

YIN Yingmei,ZHANG Xiaoning,ZOU Guilian.Investigation into low-temperature performance of asphalt mixtures based on glass transition temperature[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science),2010,38(10):89-94.(in Chinese)

[3] 樊亮，申全军，王林，等.沥青及其胶泥体系低温性能探讨[J].石油沥青，2008,22(4):18-22.

FAN Liang,SHEN Quanjun,WAN Lin,et al.Discussion on low temperature performance of asphalt and mortar[J].Petroleum Asphalt，2008,22(4):18-22.(in Chinese)

[4] HAITHEM S,AHMED S.Characterizing the low-temperature performance of hot pour bituminous sealants using glass transition temperature and dynamic stiffness modulus[J].Jourrnal Materials in Civil Engineering，2009，21(11)：688-693.

[5] ZHANG Lei，TAN Yiqiu，HUSSAIN B.Relationship between glass transition temperature and low temperature properties of oil modified binders[J].Construction Building Materials，2016，104：92-98.

[6] JTG E20—2011 公路工程沥青及混合料试验规程[S].

JTG E20—2011 Standardtest methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering[S]. (in Chinese)

[7] 陈平，唐传林.高聚物的结构与性能[M].北京：化学工业出版社，2005：50-56.

CHEN Ping,TANG Chuanlin.Structure and properties of polymers[M].Beijing：Chemical Industry Press,2005：50-56.(in Chinese)

[8] 谭忆秋,邵显智,张肖宁，等.基于低温流变特性的沥青低温性能评价方法研究[J].中国公路学报,2002,15(3):1-5.

TAN Yiqiu,SHAO Xianzhi,ZHANG Xiaoning,et al.Research on evaluations approach to low-temperature performance of asphalt based on rheology characteristic of low temperature[J].China Journal of Highway and Transport,2002,15(3):1-5.(in Chinese)