基于CAM模型的沥青及改性沥青的流变主曲线研究

2022-08-23肖亚澜贾建松

四川水泥 2022年8期

肖亚澜张莉贾建松

（1.湖南高速材料贸易有限公司，湖南长沙 410003；2.中路交建（北京）工程材料技术有限公司，北京 100089）

关键字：道路工程；改性沥青；CAM模型；流变主曲线；流变特性

0 引言

沥青结合料作为一种粘弹性材料，其力学性能受温度、频率和时间等因素影响，根据时温叠加原理，可得到沥青的复数剪切模量和相位角的主曲线，其主曲线在二维空间中呈S形分布，通过对主曲线进行分析，可以得到沥青混合料在扩展的温度和频率范围内的粘弹性特性[1]。描述沥青混合料流变主曲线的常用模型有Sigmoidal模型、广义Logistic Sigmoidal 模型、Christensen-Anderson（CA）模型和Christensen-Anderson-Marasteanu（CAM）模型[2]。通过对四种模型计算的实验数据和模型数据之间的相关性进行评估，可以发现对于改性沥青粘合剂，广义Logistics模型和CAM模型的实验数据和模型数据之间具有显著的相关性[3]。

SHRP计划中提出的车辙因子指标和疲劳因子指标在评价沥青性能方面有一定的局限性，与沥青在实际路面服役环境的情况不一致[4]。为全面评价沥青在个别温度频率下力学指标的变化趋势，董雨明研究硬质沥青混合料的特性时采用了CAM模型进行沥青动态剪切模量主曲线的绘制，得到沥青在更宽温度频率下的力学指标，更加全面地分析了沥青性能[5]。郭咏梅对不同种类的改性沥青和混合料进行主曲线拟合时，发现沥青的动态力学响应能够反映其混合料的性质[6]。张肖宁等研究了基于CAM模型绘制沥青混合料主曲线的粘弹性能曲线，将对沥青的研究延伸到沥青混合料[7]。但是沥青在使用过程中一般会与矿粉和改性剂等外掺剂结合，所以通过对掺有外掺剂的沥青进行不同温度频率的试验并采用CAM模型绘制动态剪切模型流变主曲线，在此基础上验证CAM模型是否能较好地模拟各种类型的沥青流变主曲线，进而预测沥青动态剪切模量的变化趋势是十分重要且必须的。

因此，本文对基质沥青、SBS改性沥青、橡胶粉改性沥青和Sasobit温拌改性沥青进行不同频率下的动态剪切流变试验，分析其动态剪切模量随温度频率的变化趋势。采用CAM模型建立沥青流变主曲线方程，研究CAM模型对各种沥青的适用程度，并基于拟合结果分析各种沥青的流变特性。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

沥青选用SK90基质沥青，其常规技术指标如表1所示。采用基质沥青添加改性剂的方式制备改性沥青，本研究采用SBS 改性剂、橡胶粉改性剂和Sasobit 温拌剂。其中SBS掺量为沥青质量的4%，橡胶粉掺量为15%，粒度大小为40目，Sasobit温拌剂掺量为3%。

表1 基质沥青性能指标

1.2 改性沥青的制备

由于不同外掺剂与沥青融合的温度不同，必须采用不同的加热温度和剪切速率制备不同种类的改性沥青。分别将SK90沥青加热到135℃和170℃，然后使用高速剪切机在2500r/min的转速下转动5min，保证沥青能自由流动。随后向135℃的热沥青中缓慢加入Sasobit改性剂，分别向170℃的热沥青中缓慢加入SBS改性剂和橡胶粉改性剂，剪切45min，以保证沥青与改性剂充分混合反应，进而制得不同种类的改性沥青。

1.3 试验方案

分别在40℃、50℃、60℃和70℃下测量改性沥青从0.1~100rad/s的线性粘弹性范围内的频率扫描，从而评价沥青粘结剂的剪切变形性能和温度敏感性。

流变主曲线是获取沥青粘合剂在较宽温度范围内流变特性的一个有用工具[8-10]。在不同温度下收集的测试数据可以相对于加载时间或频率“移位”，使得各种曲线对齐以形成单个主曲线[11-13]。通过CAM模型进一步构建主曲线方程，见式（1），形状参数k和me与流变参数E具有密切关系，E值可反应材料的松弛谱宽度，E值越大说明材料从弹性行为向粘性行为过渡越平缓，其频率敏感性和温度敏感性也就越小[14-17]，E值的计算公式见式（2），该模型示意图见图1所示。

图1 I型CAM模型

式中：

2 试验结果分析与讨论

采用CAM方程对各类沥青复数模量主曲线进行拟合，拟合结果见图2，拟合参数见表2。

表2 I型CAM复数模量主曲线拟合参数

图2 I型CAM复数模量流变主曲线拟合结果

从图2可以看出，各沥青流变主曲线随角频率的增加而增大，在各种改性剂中，SBS改性沥青的抗车辙性能最好，其次是橡胶粉改性沥青和Sasobit温拌沥青，抗车辙性能最差的为基质沥青。不同种类的沥青采用CAM进行复数模量主曲线拟合均可以达到较高的相关性，这一点从表2的相关系数R2也可得到证实，基质沥青和Sasobit温拌改性沥青的相关系数达到0.999以上。由表2可以看出不同沥青的k和me值变化比较稳定，因此认为E值主要是由沥青流变主曲线线形决定且具有良好的稳定性和代表性。

从表2可以看出，不同种类的沥青E值存在如下关系：橡胶改性沥青>Sasobit温拌沥青>SBS改性沥青>基质沥青，因此可以得出，橡胶改性沥青的频率敏感性和温度敏感性最小，其次为Sasobit温拌沥青，而基质沥青具有最差的感温性能。