SBS改性瀝青低溫勁度模量研究

康兆興，苑瑞星，郭杰

(1.山東省德州市公路勘察設(shè)計(jì)院，山東 德州 253006;2.霍尼韋爾綜合科技(中國)有限公司，上海 201203)

0 引言

瀝青路面在低溫情況下容易產(chǎn)生裂縫，并且在寒冷地區(qū)尤為突出。SHRP[1]研究成果證明了瀝青的低溫抗開裂性能對路面低溫開裂的直接貢獻(xiàn)率為80%，因此研究者們嘗試采用各種方法來改善瀝青的低溫性能，采用SBS高分子聚合物進(jìn)行改性則是近年來各國比較常用的一種方法。JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對SBS改性瀝青的各種性能要求進(jìn)行了明確的規(guī)定，其中低溫性能采用5℃延度指標(biāo)來進(jìn)行評價(jià)[2]，但延度指標(biāo)是經(jīng)驗(yàn)型指標(biāo)缺乏必要的理論依據(jù)，其主要缺陷如下:(1)試驗(yàn)溫度與寒冷地區(qū)的實(shí)際環(huán)境溫度不一致[3]，如5℃等溫度下的延度值實(shí)際反映的仍是瀝青的塑性變形能力，與瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性關(guān)系如何一直備受爭議;(2)瀝青路面開裂與瀝青老化有關(guān)，而現(xiàn)有延度試驗(yàn)沒能體現(xiàn)這一點(diǎn)[4];(3)延度試驗(yàn)只反映了瀝青的變形能力，沒能體現(xiàn)瀝青的蠕變松弛性能，如 Hajek模型、加拿大機(jī)場模型以及Superpave低溫開裂模型均表明，瀝青材料的勁度模量是預(yù)估瀝青路面低溫開裂的基本參數(shù)。因此，Superpave[5，6]提出了 BBR 試驗(yàn)，將瀝青的勁度模量和松弛性能(勁度模量隨時(shí)間變化的斜率m)作為評價(jià)瀝青低溫性能的核心指標(biāo)，但由于BBR試驗(yàn)采用的低溫彎曲流變儀價(jià)格昂貴，想要大面積推廣應(yīng)用困難重重。

既然瀝青的低溫勁度模量與其低溫性能密切相關(guān)，那么有沒有可能在國內(nèi)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)性評價(jià)指標(biāo)體系下得到瀝青的勁度模量呢?荷蘭人范得普(van der Poel)1954年就開創(chuàng)了用經(jīng)驗(yàn)常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有嚴(yán)格理論基礎(chǔ)的力學(xué)性質(zhì)的先河[7]。按范得普的方法，利用兩個(gè)不同溫度下的針入度和軟化點(diǎn)，通過諾模圖(Nomograph)，可以求得作為溫度和時(shí)間函數(shù)的勁度(或稱剛度)模量。國內(nèi)湖南大學(xué)曾夢瀾等人在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化并得出了基于常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的瀝青勁度模量的理論模型[8]。為此，該文對SBS改性瀝青低溫勁度模量和5℃延度結(jié)果進(jìn)行分析，以期得出評價(jià)SBS改性瀝青低溫性能的合理評價(jià)方法。

1 瀝青勁度模量

1.1 瀝青勁度模量的計(jì)算

曾夢瀾等人在諾模圖的基礎(chǔ)上，推演出了基于常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的瀝青勁度模量的理論模型，見公式(1)。它是以Vander Poer原始諾模圖的直接復(fù)印件為基礎(chǔ)通過大量手工操作，查出了所有可以讀到的勁度模量值，共約5000個(gè)數(shù)據(jù)，足以涵蓋路用瀝青實(shí)際可能的溫度和時(shí)間[8]。

理論模型中，需要確定的變量有荷載作用時(shí)間、針入度指數(shù)、軟化點(diǎn)(當(dāng)量軟化點(diǎn))，路面實(shí)際溫度等參數(shù)。研究中荷載作用時(shí)間采用0.01s，這是因?yàn)閷τ诟咚俟穪碚f，荷載作用時(shí)間較短，車速80km/h在路面瀝青層下緣產(chǎn)生變形的持續(xù)時(shí)間僅為0.01s左右，所以采用荷載作用時(shí)間0.01s不失一般性[9－11]。另外，我國路面溫縮裂縫一般發(fā)生在10℃以下的季節(jié)，車轍一般發(fā)生在25～30℃以上的夏季，因此以10℃以下作為低溫，25℃以上作為高溫，10～25℃作為常溫的分界比較合理[10]。所以本文選?。?0℃、0℃和10℃作為路面實(shí)際溫度進(jìn)行研究。

理論模型:

式中:S為瀝青在給定溫度和加載時(shí)間下的勁度模量，當(dāng)加載時(shí)間t=0時(shí)，S=Sg=3GPa;PI為針入度指數(shù);ΔT=T－TR＆B，實(shí)際溫度與軟化點(diǎn)之差，℃;T為路面實(shí)際溫度，

1.2 勁度模量計(jì)算

本文選取了殼牌(QP)、國創(chuàng)(GC)、高粘(TPS)、科氏(STR)和一種復(fù)合改性瀝青(FH)五種SBS改性瀝青進(jìn)行勁度模量的研究，其基本性能指標(biāo)如表1所示。

采用公式(1)的理論模型，結(jié)合表1中數(shù)據(jù)，可以得出五種瀝青的勁度模量如表2和圖1、圖2所示。

表1 五種瀝青的基本性能指標(biāo)

表2 五種瀝青勁度模量值/MPa

不同種類瀝青在不同溫度條件下的勁度模量值比較:

(1)原樣瀝青:10℃ strata＜GC＜QP＜FH＜TPS;0℃ strata＜GC＜QP＜FH＜TPS;－10℃strata＜GC＜QP＜FH＜TPS。同一種瀝青來說，隨著溫度的降低，瀝青的勁度模量值不斷增加，這主要是因?yàn)殡S溫度的降低，聚合物分子兩端基本上凍結(jié)在固定位置上，圍繞固定位置振動(dòng)，SBS改性劑增韌作用減弱，而瀝青在低溫條件下呈玻璃態(tài)，瀝青分子鏈幾乎被凍結(jié)，不能迅速地重新取向或移動(dòng);不同種類的瀝青表現(xiàn)出相同的規(guī)律，但變化的幅度不同，這表明不同種類的瀝青對溫度的敏感程度不同[12]。

(2)短期老化后:10℃ strata＜GC＜FH＜QP＜TPS;0℃strata＜GC＜FH＜QP＜TPS;－10℃strata＜GC＜FH ＜QP＜TPS。對于同一種瀝青來說，瀝青老化后的勁度模量值要高于原樣瀝青，這主要是因?yàn)榻?jīng)過老化后SBS高分子鏈發(fā)生裂解，分子鏈之間的傳遞作用減弱，而基質(zhì)瀝青由于輕質(zhì)組分的揮發(fā)和轉(zhuǎn)化，使瀝青中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量增加，瀝青變硬，從而使勁度模量值也增加。由于不同種類的瀝青的抗老化能力不同，老化后瀝青的勁度模量的變化幅度亦不同，增加幅度大說明抗老化性能較差，增加幅度小說明抗老化性能好;

根據(jù)實(shí)際工程情況，strata瀝青的抗低溫開裂的性能最好，而計(jì)算表明strata瀝青在各個(gè)溫度下勁度模量值最小，與實(shí)際相符;另通過以上數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，TPS瀝青在各個(gè)溫度下勁度模量值最大，低溫性能較差，在行車荷載作用下，路面容易產(chǎn)生開裂。

圖1 原樣瀝青勁度模量

圖2 短期老化后瀝青勁度模量

2 瀝青混合料性能驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)瀝青結(jié)合料的低溫勁度模量與混合料低溫抗裂能力的相關(guān)性，本文進(jìn)行了混合料低溫彎曲破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度條件為－10℃，采用相同的礦料級配、集料類型和成型方法，不同的只是瀝青結(jié)合料，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中，PB為試件破壞時(shí)的最大荷載，d為試件破壞時(shí)的跨中撓度，RB為試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度，εB為試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變，SB為試件破壞時(shí)的彎曲勁度模量。

許多文獻(xiàn)指出[13－15]:瀝青混合料的低溫抗裂性能不僅與瀝青混合料的強(qiáng)度參數(shù)有關(guān)，還與混合料的變形特性有關(guān)，所以不能僅以瀝青混合料在低溫時(shí)破壞強(qiáng)度大，或者變形大，就評價(jià)其低溫抗裂性能好。如果混合料低溫條件下有很強(qiáng)的伸長能力，即使其破壞強(qiáng)度不高，抗開裂能力也較強(qiáng)。瀝青混合料在低溫條件下既具有較高的強(qiáng)度還具有較大的變形能力是工程應(yīng)用所必需的，但是對于一種瀝青混合料，兩者不可兼得，尋找反映強(qiáng)度和變形兩種性能的綜合參數(shù)尤為重要。

應(yīng)變能密度綜合考慮了應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，可以很好的反映混合料的低溫抗裂性能。假定材料破壞形式與單位體積內(nèi)能量狀態(tài)相對應(yīng)，那么材料損傷就可以用應(yīng)變能密度表示[14]。

表3 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)變能密度公式[16]如下:

式中:σij、εij為應(yīng)力、應(yīng)變分量;ε0為最大應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變

本文選取彎曲勁度模量和彎曲應(yīng)變能密度兩個(gè)參數(shù)，與不同種類瀝青在同溫度(－10℃)條件下的勁度模量值和5℃延度值進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，結(jié)果如圖3～6。

圖3 混合料低溫勁度與瀝青勁度模量的關(guān)系圖

圖4 混合料低溫勁度與瀝青延度的關(guān)系圖

圖5 混合料應(yīng)變能密度與瀝青勁度模量的關(guān)系圖

圖6 混合料應(yīng)能密度與瀝青延度的關(guān)系圖

結(jié)果表明:混合料的應(yīng)變能密度與瀝青－10℃勁度模量值具有很好的相關(guān)性，它與老化前、后勁度模量的相關(guān)系數(shù)分別為0.736、0.752，而瀝青老化后的勁度模量值與其混合料的應(yīng)變能密度的相關(guān)性更好，這是因?yàn)榛旌狭显嚰尚蜁r(shí)相當(dāng)于對瀝青進(jìn)行了短期老化。另外，混合料的低溫勁度與瀝青－10℃勁度模量值也具有較好的相關(guān)關(guān)系，與老化前、后瀝青勁度模量相關(guān)系數(shù)分別為 0.838、0.880，說明瀝青結(jié)合料的勁度在一定程度上決定了混合料的勁度;而5℃延度和應(yīng)變能密度和低溫勁度的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)均小于0.1，說明瀝青－10℃勁度模量值能在一定程度上反映混合料的低溫開裂性能，用瀝青－10℃低溫勁度模量來評價(jià)SBS改性瀝青的低溫抗裂性能具有合理性。

3 結(jié)論

(1)不同種類的SBS改性瀝青的勁度模量對溫度變化的敏感程度不同，對老化的敏感程度也不同，敏感程度越大，低溫抗開裂性能越差。

(2)與SBS改性瀝青常規(guī)低溫評價(jià)指標(biāo)5℃延度相比，其－10℃低溫勁度模量與應(yīng)變能密度和低溫彎曲勁度具有更好的相關(guān)關(guān)系，可以反映出混合料的低溫抗裂能力，因此，可以作為SBS改性瀝青的低溫性能評價(jià)指標(biāo)。

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