基于时间-温度等效原理的EVA改性沥青流变参数主曲线研究

王爱峰，李自力，李锐铎

(1.河南中州路桥建设有限公司，河南 周口 466000；2.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)

沥青路面由于具有良好的行车舒适性、便于维修等优点而得到了越来越广泛的应用，但是沥青路面也存在容易出现车辙、裂缝等病害问题，特别是随着交通荷载的增加和渠化交通的影响，沥青路面车辙病害始终没有得到有效的根治。为此，国内外学者对沥青及沥青混合料的抗永久变形能力方面开展了大量研究工作。其中，沥青改性是一种经济实惠的方法，常见的改性沥青可以分为聚合物改性沥青以及非聚合物改性沥青。聚合物改性沥青主要包括三类：热塑性弹性体改性沥青、橡胶改性沥青以及树脂改性沥青。其中，树脂类改性沥青主要包括乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)改性沥青、聚乙烯(PE)改性沥青、无规聚丙烯(APP)改性沥青、聚氯乙烯(PVC)改性沥青、聚酰胺改性沥青和聚丙烯(PP)改性沥青等。吴恒澜等[1]将EVA和EPDM复合对沥青进行改性，试验结果表明：在相同条件下，改性沥青的车辙因子G+/sinδ较基质沥青明显增大，具有良好的高温抗车辙性。李其祥等[2-4]采用SBS、SEBS和EVA对路用沥青及混合料进行改性并进行了研究，结果表明：经过改性后的沥青及混合料具有更好的抗变形能力。范维玉[5]利用动态剪切流变仪和荧光显微镜研究了EVA中VA含量对改性沥青的流变性、相容性及常规性能等的影响，结果表明，在给定的温度和频率条件下，VA含量越大，改性沥青的相位角逐渐变大，弹性部分逐渐减少，车辙因子G+/sinδ逐渐减小，抗车辙能力逐渐减弱。刘亚[6]分别利用EVA和废胶粉对环氧沥青进行改性，然后对EVA及废胶粉改性环氧沥青的微观形貌和性能进行了研究。

由于试验设备条件限制，一般只能在一定的时间和温度范围内对沥青的黏弹性能进行测试，而实际沥青混合料的施工及使用温度范围很大。例如，从沥青混合料的拌和到摊铺碾压，其温度由160 ℃到80 ℃，而沥青混合料的使用温度也可能会在夏季炎热高温时的60 ℃和冬季严寒时最低气温零下40℃之间进行变化。因此，对于这样大范围的使用条件，很难做到全范围的性能测试，然而时间-温度等效原理是解决该问题的有效方法[7-12]。因此，本文基于时间-温度等效原理，构建EVA改性沥青的流变性指标复数模量和车辙因子主曲线，并分析不同EVA掺量和动态剪切频率条件下的主曲线变化规律。

1 原材料性质

1.1 沥青

使用江苏产阿尔法70#A级道路沥青，其基本性能指标如表1所示。

表1 70#基质沥青基本性能指标试验结果

1.2 EVA

本文选用沥青改性剂为EVA树脂颗粒，该EVA含有的乙酸乙酯(VA)含量为15%，EVA颗粒直径约0.5 cm，由裕辰隆工程塑料公司所生产，如图1所示。EVA塑料颗粒的物性表如表2所示。

图1 EVA颗粒

图2 材料参数与位移因子

表2 EVA共聚物物性表

2 改性沥青制备

将基质沥青在烘箱内加热熔化后保温在(135±5)℃ 4 h以上待用，再次将沥青加热到170 ℃并保温1 h以上待用。按照3%、6%、9%的掺量将EVA改性剂掺入沥青中，使用高速搅拌装置在170 ℃下均匀搅拌1 h，可以制得EVA改性沥青，然后利用动态剪切流变仪(DHR-1型)对基质沥青和改性沥青进行流变试验。

3 主曲线绘制及分析

3.1 主曲线绘制

3.1.1 位移因子

位移因子aT(T)是温度的函数，现在常采用WLF公式和Arrhenius公式进行计算[14]。本文选择WLF方程进行计算，即：

(1)

式中：C1—材料参数，C1=B/(2.303fg)；

C2—材料参数，C2=fg/ar；

T0—材料的参考温度。

WLF公式中的经验参数C1、C2随着参考温度和材料的变化而改变，本文通过拟合确定经验参数C1、C2，如图2所示。

WLF方程适用于Tg

表3 基质沥青位移因子(参考温度40 ℃)

图3 基质沥青复数模量主曲线

以40 ℃作为参考温度，分析基质沥青的位移因子。该参考温度下位移因子的结果如表3所示。按照上述方法，将基质沥青和掺量为3%、6%、9%的EVA改性沥青在30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下的0.1～150 rad/s频率扫描结果，通过时间-温度等效原理合成复数模量G*主曲线、车辙因子G*/sinδ主曲线。

3.1.2 主曲线合成过程分析

将DSR结果绘制在对数坐标系中，参照位移因子lgaT，对各个温度下的频率扫描结果曲线进行移动。当位移因子为负数时，向左进行移动，当位移因子为正数时，向右进行移动，即可获得主曲线。

将基质沥青移动前后的复数模量G*、车辙因子G*/sinδ和相位角随频率变化的曲线绘制在对数坐标系中，如图3、图4和图5所示。

图4 基质沥青车辙因子主曲线

图5 基质沥青相位角主曲线

由图3～图5可以看出：基质沥青的复数剪切模量、车辙因子随着频率的增加而增大，说明当频率扫描的加载频率增大时，基质沥青的抵抗外力变形的能力增强。而相位角δ与频率呈现先递增后递减的关系。当加载频率小于0.01 rad/s时相位角δ随着频率的增加而增大，当频率大于0.01 rad/s时，基质沥青的相位角随着频率的增大而减小。即当荷载处于低频和高频状态时，相位角弹性能力比较高，当荷载处于0.01 rad/s左右时，沥青的弹性能力降低，黏性能力提高。

利用同样的方法可以得到不同EVA掺量改性沥青的复数模量及车辙因子主曲线如图6和图7所示。

图6 复数模量主曲线

图7 车辙因子主曲线

由图6可以看出：在0.001～948.991 rad/s范围内，基质沥青和改性沥青的复数模量都随着加载频率的增大而增大。说明基质沥青和改性沥青抵抗外力作用变形的能力随着加载频率的升高而增强；6%掺量的EVA改性沥青与9%掺量的EVA改性沥青的复数模量主曲线相近，在较低频率区和较高频率区的复数剪切模量值相近，仅在角频率为0.1 rad/s附近时，9%掺量的EVA改性沥青略高于6%掺量的EVA改性沥青。说明EVA改性沥青的复数模量G*并不会随着掺量的增加而一直增大，EVA改性剂有临界含量，复数剪切模量G*在EVA改性剂的掺量达到临界含量的时候就会停止不断增大的过程。

由图7可以看出：在0.001～948.991 rad/s范围内，基质沥青和改性沥青的车辙因子G*/sinδ都随频率的增大而增大。说明随着加载频率的升高，基质沥青和改性沥青表明沥青在高频率加载的情况下，抵抗变形的弹性因素增强，沥青抗永久变形能力较强；6%掺量的EVA改性沥青与9%掺量的EVA改性沥青的复数模量主曲线相近，在较低频率区和较高频率区的车辙因子相近，仅在角频率为0.1 rad/s附近时，9%EVA改性沥青略高于6%EVA改性沥青。说明EVA改性沥青的车辙因子并不会随着掺量的增加而一直增大，EVA改性剂有临界含量，当掺量达到一定比例时，改性沥青的车辙因子G*/sinδ就会停止增加，抵抗变形的弹性因素保持稳定，沥青抗永久变形能力不变。

4 结论

利用时间-温度等效原理并使用WLF方程进行位移因子计算，实现了对EVA改性沥青的主曲线的绘制，最后合成并分析了基质沥青和EVA改性沥青的复数剪切模量G*主曲线和车辙因子G*/sinδ主曲线的主要特性，可以得出以下结论：

(1)EVA改性沥青和棚膜改性沥青都能够有效提高基质沥青的复数剪切模量G*和车辙因子G*/sinδ。随着沥青改性剂掺量的增加，改性沥青抵抗变形的弹性因素有所增加，抗永久变形能力增强。

(2)通过EVA改性沥青的复数剪切模量G*和车辙因子G*/sinδ，可以发现6%掺量的EVA改性沥青与9%掺量的EVA改性沥青的复数模量主曲线相近，在较低频率区和较高频率区的车辙因子相近，仅在角频率为0.1 rad/s附近时，9%EVA改性沥青略高于6%EVA改性沥青。说明EVA改性沥青的车辙因子并不会随着改性剂含量的增加而一直增大，EVA改性剂有临界含量，当掺量达到一定比例时，改性沥青的车辙因子就会停止增加，抵抗变形的弹性因素保持稳定，沥青抗永久变形能力不变。

(3)利用时间-温度等效原理得到的主曲线能够在更宽的频域及温度范围内描述改性沥青的流变性能，可以通过0.1～150 rad/s的试验结果得到改性沥青在0.001～948.991 rad/s频率范围内的基质沥青及改性沥青的黏弹性力学性能，能够为理论研究及工程应用提供一定的技术指导。