不同标号沥青动态粘弹特性试验研究

丁彪 ，邹晓龙 ，宋松 ，陈团结 ，雷宇

（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075；2.西安科技大学，陕西 西安 710064；3.湖州市交通建设管理局，浙江 湖州 313000）

0 引言

沥青作为粘弹性材料同时具有弹性和粘性的特征，这两者之间的关系经常被用来衡量其抗永久变形和疲劳开裂的能力。为了抗车辙，沥青需要坚硬有弹性，为了抗疲劳开裂，胶结料需要柔软和有弹性。SHRP中则引入动态剪切流变仪（DSR）来测试沥青胶结料的粘弹特性。针对沥青的动态粘弹性特性，国内外学者做了大量的研究工作，取得了大量有益的成果：如李晓民等[1]通过对粉煤灰、矿粉、消石灰、水泥4种矿物填料组成的沥青胶浆进行动态频率扫描试验和稳态流动试验，得出相同胶粉比下消石灰对沥青的高温性能提高最显著，其他依次为粉煤灰、水泥、矿粉，粉胶比的增加与复合模量、粘度的增加不成正比。付海英等[2]以旋转流变仪对SBS、SBS-g-M共混改性沥青的粘弹性动态力学性能进行研究，考察不同改性剂用量对改性沥青高温性能的影响。夏娟等[3]通过研究得出了橡胶沥青具有良好的高温性能，SBS改性沥青具有良好的疲劳性能。詹小丽[4]的研究结果表明，沥青与改性沥青的相态结构明显不同，沥青可以近似看为均相聚合物，而改性沥青在所测温度和频率范围内为多相聚合物。林江涛等[5]对不同品牌的成品SBS改性沥青进行动态剪切试验，以获取SBS改性沥青动态力学温度谱，并对SBS改性沥青动态力学机理进行了分析。Shenoy[6-7]通过研究认为现有指标对某些沥青尤其是改性沥青无法有效地分级，提出了新的评价指标。学者们通过研究得出了添加剂、改性剂可以有效改善沥青动态粘弹性指标，而实际上基质沥青的动态粘弹性特性与改性沥青相比对频率和温度更为敏感，在工程应用中，需要对基质沥青的特性有较为清楚的认识之后才能对沥青进行改性。因此，本文主要通过试验研究了不同标号的基质沥青在不同温度和频率扫描下动态粘弹性参数的变化情况，研究结果可为不同温度和轴载条件下沥青的选型提供相应的参考依据。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验采用的基质沥青标号为同一品牌下的50号、70号、90号，沥青的技术指标见表1。

表1 不同标号沥青的主要技术性能指标

1.2 动态剪切流变仪工作原理

在大多数路面承受交通的温度下，沥青的状况既像一个弹性固体，又像一个粘性液体。在DSR中施加的应力和产生的应变之间的关系，量化了2种状况，提供了为计算2个沥青胶结料重要特性的必要参数——复数剪切模量（G，以下简称复模量）和相位角（δ）。G 是最大剪应力（τmax）和最大剪应变（γmax）的比率，施加的应力和由此产生的应变时间滞后是相位角（δ）（见图1）。对于完全的弹性材料，相位角δ是0，所有变形都是暂时的；对于粘性材料（如热沥青），相位角接近90°，所有的变形都是永久的。对于沥青，G和δ值对温度和荷载频率的依赖性很大。因此，了解拟建路面施工项目地区的气候，以及使用路面的交通相对速度非常重要[8]。

图1 沥青材料的应力与应变关系

1.3 试验方案

试验采用应变控制模式，γ=12%。当进行频率扫描时，采用的频率为1～25 Hz；当进行温度扫描时，频率为10 Hz，温度分别为 46、52、58、64、70 ℃。

2 频率扫描对沥青性能的影响

2.1 相位角变化

相位角体现了沥青的粘弹性比例的变化，相位角越大，表示沥青粘性作用越大，图2为在恒定温度条件下，不同标号沥青的相位角随频率的变化曲线。

图2 不同标号沥青的相位角随频率的变化曲线

由图2可见，在恒定的温度条件下，随着频率的增加，荷载作用的周期变短，弹性变形所用的时间越短，恢复得越快，使得相位角减小。在1～5 Hz范围内，相位角下降幅度较大；在6～25 Hz范围内，相位角下降的速率基本趋于稳定，不同温度条件下相位角下降的速率基本相同。标号越高，沥青越软，相位角越大。

2.2 复模量G变化

不同标号沥青的复模量G随频率变化曲线见图3。

图3 不同标号沥青的复模量随频率的变化曲线

由图3可见，当温度为46℃时，沥青复模量随着频率的增大先变大后减小。当温度在52～70℃范围内时，沥青的复模量随着频率的增加会逐渐增大，温度越高，沥青越软，复模量越小。

一方面，对于粘弹性物质，其变形分为弹性变形和永久变形，弹性变形可以恢复，而永久变形不可恢复，当频率增大时，作用的时间变短，变形减小，使得复模量变大；另一方面，随着不断的加卸载，沥青的内部结构会发生变化，模量会有一定的损失，使得复模量变小。低温时，复模量随着频率的增大先增大后减小就是这个原因造成的。

2.3 车辙因子G/sinδ的变化

从抗车辙的角度来讲，较高的复模量G和较低的相位角δ是较理想的选择，Superpave（高性能沥青路面）设计方法中定义了高温车辙因子G/sinδ，又叫高温劲度，原样的G/sinδ至少须1.0 kPa，在旋转薄膜烘箱中老化后最小值为2.20 kPa，小于该值时胶结料会太软，不能抵抗永久变形。3种不同标号沥青的车辙因子试验结果见图4。

图4 不同标号沥青的车辙因子随频率的变化曲线

从图4可以看出，当温度为46℃时，车辙因子随着频率的增加先增大后减小；当温度在52～70℃范围内时，车辙因子随着频率的增加而增大，温度越低，车辙因子越大。沥青标号越低，车辙因子越大，抵抗变形的能力越强。由车辙因子的变化规律可以看出，沥青在低温高频条件下抗车辙的能力减弱，而实际上加载的频率与路面车辆的速度是对应的，这也要求在路面设计时沥青的选型要参考路面的温度和设计的速度。

3 温度扫描对沥青性能的影响

3种不同标号沥青的温度扫描试验结果见图5。

图5 3种不同标号沥青的温度扫描试验结果

由图5可见，当频率一定时，随着温度的升高，沥青由粘弹性向粘性过渡，相位角逐渐变大，沥青的标号越低，增长的幅度越大；复模量G、车辙因子G/sinδ随着温度的升高而逐渐变小，当温度升高到70℃时，3种标号沥青的复模量G和车辙因子G/sinδ基本相同。

4 结论

借助于高温流变仪研究了不同标号沥青在不同频率及温度条件下的相位角、复模量及车辙因子的变化情况，得出以下结论：

（1）当温度一定时，频率越高，沥青的相位角越小，并且在1～5 Hz时，沥青的相位角下降的幅度较大；在6～25 Hz时，沥青的相位角变化下降幅度较小。

（2）频率增大时，沥青的变形减小，复模量变大；同时不断的加卸载，沥青内部出现损伤，使得复模量下降。低温时沥青的复模量和车辙因子先增大后减小；高温时沥青的复模量随着频率的增大而变大就是这种原因造成的。

（3）加载频率相同时，随温度的升高，沥青的G和G/sinδ有所下降，并且在46～52℃范围内，其下降幅度较大。