沥青结合料高温流变性能研究

王 锐

（新疆北朋土木工程检测咨询有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016）

引言

沥青作为一种粘弹性材料，具有其典型的流变性能[1]。当前，国内主要以针入度以及软化点等指标对沥青基本性能进行评价，但沥青的这些指标仅包括其小部分的流变性能，实际使用沥青路面时无法通过这些指标对沥青发挥的作用进行全面的描述。随着流变学开始引入沥青领域，对沥青材料采用流变测试技术进行流变性的研究，对探讨沥青结合料的使用性能具有较大的发展前景。

1 工程概况

G580线和田至康西瓦公路项目起点与S210阿和沙漠公路相接，路线经和田市、和田县、乌鲁瓦提水库、托满、庞纳子水库、普夏、康西瓦，终点位于G219国道K437+000附近，设计路线全长251.947 km，按二、三级公路标准建设。沿线包括沙漠区、平原微丘区及山岭重丘区，所处地区具有较大的气温变化，存在多种病害影响其通行能力。其中一工区线路长12.1 km，按一级公路标准设计，于2019年7月开始进行沥青面层铺装施工。为对沥青的高温流变性能开展试验，选取5种不同的沥青类型：SBS、SBR改性沥青、橡胶沥青、90#基质沥青、极寒沥青开展试验。采用的仪器为DHR-1型动态剪切流变仪。

制备试验样品流程：（1）将沥青样品放入烘箱进行加热处理，加热至样品处于流动状态。以135℃、170℃分别加热基质和改性沥青；（2）为保障沥青的均匀性以及避免沥青出现离析现象，在加热时对其进行持续搅拌；（3）在硅胶模具中将流动沥青倒入约为其2/3体积即可；（4）待试验样品冷却后，即可用于试验。

2 沥青高温流变性能试验研究

2.1 应变扫描试验

沥青线性粘弹范围可通过应变扫描试验确定。该种试验方法通过施加恒定频率及恒定温度下只有幅值不断变化的正弦剪切应变于试验样品中，以研究其在各种情况下的力学性能情况[2-4]。研究沥青线粘弹性范围的方法有多种，选取试验方法为沥青的复数模量在不断增加的应变作用下，降低值比其自身10%的最大复数模量小的话，就认定其位于线弹性范围。试验结果见图2～图6。

图2 90#基质沥青随着应变变化沥青复数模量及相位角变化

图 3 SBR改性沥青复数模量与相位角随应变变化情况

图4 SBS改性沥青复数模量与相位角随应变变化情况

图5 橡胶沥青复数模量与相位角随应变变化情况

图6 极寒沥青复数模量与相位角随应变变化情况

从试验结果可知，5种沥青材料在相同的应变变化时的复数模量具有一致变化趋势。复数剪切模量在低应变区域的波动较为缓慢。沥青随着不断上升的应变值均表现出复数模量不断减少，但其复数剪切模量在应变值超过某一值时表现出不断上升的趋势，此时表明沥青开始进入非线性粘弹区。随着温度的上升，同种沥青的线性粘弹区有所增加。试验所得5种沥青的线性粘弹区间见表1。在沥青高温流变性试验中，对于5种沥青的应变试验值均按照应变范围进行确定，以使其在线性粘弹范围中。

表1 5种沥青在不同温度条件下的线性粘弹性范围

2.2 温度扫描试验

沥青路面的使用寿命直接受到其混合料感温性能的影响。沥青路面在运营期间，长期受到温度以及荷载的作用，而其高温流变性能直接关系到沥青路面的抗车辙性能[5-6]。为研究温度与沥青高温流变性之间的关系，对其开展温度扫描试验，结果见图7。

从试验结果可知，5种沥青老化前后在温度不断上升的情况下表现出不断降低的复数模量，表明随着温度的增加，沥青的抗变形性能不断减弱。其中具有最大的复数模量变化的是90#基质沥青，其在44℃时具有16 321 Pa的复数模量，但当温度上升到80℃，其复数模量降低至339 Pa，表明对于基质沥青具有更大的温度敏感性。随着温度上升，4种改性沥青在温度上升时的复数模量均在迅速降低后趋于稳定，其中具有最大复数模量的改性沥青为橡胶沥青，最小为极寒沥青，SBS比SBR改性沥青复数模量大。从样品角度分析可知，在相同温度变化范围内，未老化的沥青比起老化的沥青具有更小的复数模量最大值，表明沥青复数模量对短期老化具有较大影响。

图7 随着温度变化5种沥青复数模量变化曲线

5种沥青在温度上升时的相位角表现出不断上升趋势，表明在该种情况下沥青具有不断增加的粘性成分，以及不断降低的弹性成分，沥青材料在高温情况下更趋向于粘性体。对比5种试验沥青老化前与老化后的相位角可知，其在老化前具有更大的相位角，表明改性沥青在该温度范围内具有稳定的粘弹性。

通过对试验数据进行温度扫描，得到5种沥青在老化前后的车辙因子G*/ sinδ，结果见图8。

图8 温度变化时五种沥青老化前后车辙因子变化

从试验结果可知，5种沥青在温度升高情况下的车辙因子表现出不断降低趋势，其中具有最大降低幅度是90#基质沥青，表明在抗车辙性能中改性沥青更加稳定。当温度较高时，SBS改性沥青的车辙因子最大，最小的是90#基质沥青，其中橡胶沥青的车辙因子比SBR改性沥青的大，SBR改性沥青的车辙因子比极寒沥青大。在温度较高时对沥青样品采取RTFOT处理，所得结果为极寒沥青具有最大的车辙因子，最小的车辙因子为90#基质沥青，其中橡胶沥青的车辙因子大于SBS改性沥青的车辙因子、大于SBR改性沥青的车辙因子，表明短期老化可使改性沥青的高温抗变形能力有所提高。

为了对温度影响下沥青车辙因子的变化进行定量分析，采取软件结合回归方程G*/sinδ=AeBT（式中：试验温度用T表示，沥青材料相关特性用A、B表示）的方法拟合温度与车辙因子的变化曲线，结果见表2。在拟合结果中，按回归方程所得的相关系数均大于0.990 0，表明采用回归方程可对温度与车辙因子之间的关系进行准确描述。

表2 温度变化与车辙因子拟合参数

3 结语

（1）当温度升高时沥青的复数模量表现出下降趋势，其中降低幅度最大的为90#基质沥青，降低幅度最小的是极寒沥青；（2）当温度上升时5种沥青相位角均表现出增大趋势，其中在温度变化情况相同时，90#基质沥青的相位角提升，最大幅度较改性沥青大；（3）在改性沥青相位角变化幅度中，橡胶沥青最小。从车辙因子角度出发，在温度较高时，5种沥青中SBS改性沥青具有最大的车辙因子，90#基质沥青具有最小的车辙因子；（4）经过RTFOT处理之后，沥青样品的车辙因子在高温条件下，表现为90#基质沥青车辙因子最小，极寒沥青车辙因子最大；（5）比较5种沥青车辙因子在老化前后大小可知，沥青短期老化可提高其高温抗变形能力。并且回归方程G*/sinδ=AeBT可对温度与车辙因子之间的关系进行较好描述。