基于流變特性的溫拌瀝青溫度與頻率敏感性分析

唐培培，申愛(ài)琴，肖　葳

(1.長(zhǎng)安大學(xué)　特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西　西安　710064；2.交通運(yùn)輸部管理干部學(xué)院，北京　101601；

3.嘉興市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江　嘉興　314001)

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基于流變特性的溫拌瀝青溫度與頻率敏感性分析

唐培培1，2，申愛(ài)琴1，肖葳3

(1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064；2.交通運(yùn)輸部管理干部學(xué)院，北京101601；

3.嘉興市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江嘉興314001)

摘要：為進(jìn)一步分析溫拌劑對(duì)瀝青流變性能相關(guān)參數(shù)的影響，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)不同溫拌劑種類(lèi)和摻量的溫拌瀝青進(jìn)行流變特性測(cè)試，通過(guò)模量和相位角數(shù)據(jù)分析不同溫拌瀝青的溫度敏感性及頻率敏感性。結(jié)果表明：Sasobit溫拌劑摻量大于2.5%時(shí)，在30～50 ℃范圍內(nèi)瀝青的黏彈性結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，可有效提高基礎(chǔ)瀝青的高溫等級(jí)。隨著頻率的增加，Sasobit溫拌瀝青對(duì)基礎(chǔ)瀝青的模量增效最大，相位角比基礎(chǔ)瀝青有所降低。對(duì)于Leadcap溫拌瀝青，其溫度穩(wěn)定性和高溫等級(jí)均隨摻量的增加而提高。掃描頻率范圍內(nèi)，Leadcap摻量為3%時(shí)模量顯著增大；頻率高于40 rad/s時(shí)，Leadcap和WFP溫拌瀝青發(fā)生相位角上升和紊亂現(xiàn)象；不同摻量WFP溫拌瀝青的模量和相位角與基質(zhì)瀝青的變化趨勢(shì)基本重合。綜合流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)分析，Sasobit、Leadcap和WFP溫拌劑摻量分別在2.5%～3.5%、2%～3%和6%～7%時(shí)有利于改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：道路工程；溫拌瀝青；流變測(cè)試；溫度與頻率敏感性；相位角

0引言

近年來(lái)，溫拌技術(shù)因其在不降低瀝青混合料路用性能的前提下，可降低拌和溫度和碾壓溫度，減少能源消耗，降低瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程中有害物質(zhì)的排放量等諸多特點(diǎn)，在高速公路、機(jī)場(chǎng)道路、隧道鋪裝工程中得到了廣泛的應(yīng)用。溫拌技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是利用外加添加劑或者其他方式降低瀝青的高溫黏度，提高其流動(dòng)性[1]。目前，各國(guó)學(xué)者多集中于對(duì)某特定瀝青或?yàn)r青混合料的高、低溫性能、抗水損害性能等路用性能的探討[2-5]，而針對(duì)不同種類(lèi)和摻量條件下溫拌劑對(duì)瀝青流變性能相關(guān)參數(shù)的研究也不夠系統(tǒng)全面，至于溫拌瀝青材料對(duì)溫度和頻率的敏感性分析較少[6-8]。因此，掌握溫拌瀝青材料在環(huán)境狀態(tài)如受力、溫度、頻率等因素的影響規(guī)律，具有重要的意義。

對(duì)溫拌瀝青的溫度及頻率敏感性分析，一些專(zhuān)家和學(xué)者做了相關(guān)研究。湖南大學(xué)吳超凡等人通過(guò)試驗(yàn)研究了溫拌添加劑對(duì)瀝青針入度和PG高溫等級(jí)的影響[9]；長(zhǎng)安大學(xué)杜少文等人研究了不同溫拌添加劑對(duì)SBS改性混合料壓實(shí)溫度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗疲勞特性的影響[10]；江蘇省交通科學(xué)研究院的劉偉等人研究了Sasobit和Evotherm 溫拌劑對(duì)瀝青膠結(jié)料性能的影響[11]；廣東的徐士翠等人對(duì)基于軟化點(diǎn)的溫拌瀝青老化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究[12]；蘭州交通大學(xué)李波等人研究了溫拌瀝青混合料溫度變化的灰色預(yù)測(cè)模型[13]?，F(xiàn)有研究成果顯示，目前的研究對(duì)溫拌瀝青的頻率敏感性分析較罕見(jiàn)，而溫度敏感性分析只局限于某種特定溫拌瀝青的溫度敏感性，且普遍采用針入度指數(shù)PI、黏溫指數(shù)VTS及針入度黏度指數(shù)PVN等感溫性指標(biāo)。其中針入度指數(shù)僅僅反映出5～30 ℃之間的溫度敏感性，不能涉及到更高溫度；PVN指數(shù)是根據(jù)25 ℃針入度和60 ℃黏度計(jì)算得出，能夠反映較寬溫度范圍內(nèi)的溫度，但是計(jì)算模型仍受到一些研究文獻(xiàn)的質(zhì)疑[14-15]。

為了探索溫拌瀝青的溫度敏感性及頻率敏感性，本文基于瀝青的流變性質(zhì)，對(duì)不同溫拌劑種類(lèi)和摻量的溫拌瀝青進(jìn)行溫度掃描和頻率掃描試驗(yàn)，獲取不同溫拌瀝青的模量和相位角數(shù)據(jù)，以此來(lái)分析對(duì)比不同溫拌瀝青的溫度敏感性及頻率敏感性差異，為實(shí)際應(yīng)用中溫拌劑種類(lèi)、摻量的選取和溫拌瀝青性能的評(píng)價(jià)提供參考。

1原材料與試驗(yàn)方案

基質(zhì)瀝青選用中海A級(jí)70號(hào)瀝青，瀝青技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　基質(zhì)瀝青與溫拌瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

注：表1中Leadcap、Sasobit和WFP溫拌劑采用各自典型摻量，分別為瀝青質(zhì)量的1.5%，3%和7%。

溫拌劑分別為有機(jī)添加劑Leadcap、Sasobit和WFP礦物發(fā)泡型溫拌劑。參考廠(chǎng)家提供的添加范圍，Leadcap摻量按照0%，1%，2%，3%進(jìn)行瀝青混兌，Sasobit摻量按照0%，1.5%，2.5%，3.5%進(jìn)行瀝青混兌，WFP礦物發(fā)泡型溫拌劑摻量按照0%，6%，7%，8%進(jìn)行瀝青混兌。

基于流變測(cè)試技術(shù)，采用美國(guó)某公司Advanced Rheometer(AR2000EX)擴(kuò)展性動(dòng)態(tài)剪切流變儀，進(jìn)行溫度掃描和頻率掃描等試驗(yàn)，獲取不同種類(lèi)不同摻量的溫拌瀝青的模量及相位角數(shù)據(jù)，以反映各溫拌瀝青的溫度敏感性和頻率敏感性。

2不同溫拌瀝青溫度敏感性分析

采用流變測(cè)試中溫度掃描技術(shù)，獲取不同溫度下溫拌瀝青的模量和相位角數(shù)據(jù)，同時(shí)按照模量變化率、相位角變化擬合系數(shù)綜合考察，以此來(lái)反映不同溫拌瀝青的溫度敏感性。

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)子直徑25 mm，轉(zhuǎn)子間隙1 mm，轉(zhuǎn)速10 rad/s，應(yīng)力水平100 Pa，溫度范圍10～60 ℃。

2.1模量與相位角隨溫度變化影響

Leadcap、Sasobit和WFP溫拌劑摻量分別為瀝青質(zhì)量的1.5%，3%和7%，進(jìn)行溫拌瀝青溫度掃描試驗(yàn)。不同溫拌瀝青的溫度掃描曲線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。由圖1、圖2可知：3種溫拌瀝青均是在試驗(yàn)溫度下呈現(xiàn)黏彈特征，模量隨著溫度升高而降低，相位角隨溫度升高而增加；60 ℃時(shí)相位角均為85°以上，溫度敏感性比較明顯。從相位角角度分析，低于50 ℃時(shí)，Sasobit溫拌瀝青相位角最小，并在35～50 ℃范圍內(nèi)曲線(xiàn)斜率變?。桓哂?0 ℃時(shí)，WFP溫拌瀝青相位角最大。

圖1　不同溫拌瀝青模量與溫度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1　Curves of modulus vs.temperature of different warm mix asphalts

圖2　不同溫拌瀝青相位角與溫度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2　Curves of phase angle vs.temperature of different warm mix asphalts

從模量角度分析：瀝青模量與溫度的關(guān)系為指數(shù)規(guī)律，根據(jù)溫度掃描范圍，計(jì)算得到不同摻量溫拌瀝青模量-溫度擬合公式，見(jiàn)表2。

由各擬合公式可以看出，若以模量對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，可以繪制出相關(guān)性良好的單對(duì)數(shù)直線(xiàn)，此時(shí)模量對(duì)溫度的敏感性可以用曲線(xiàn)斜率來(lái)表示。根據(jù)表2的擬合結(jié)果作出不同摻量下各溫拌瀝青的溫度敏感對(duì)比圖，見(jiàn)圖3。

由圖3可知：不同摻量各溫拌瀝青的擬合斜率在-0.15～-0.17之間，變化范圍不大，每種溫拌瀝青的溫度敏感性變化規(guī)律不相同：Leadcap溫拌瀝青隨摻量增加擬合斜率先減小后增大，(絕對(duì)值先增大后減小)，摻量為1.5%時(shí)溫度敏感性最高，3.5%時(shí)溫度敏感性最低，增加摻量對(duì)瀝青的溫度穩(wěn)定性有所改善；Sasobit溫拌瀝青隨摻量增加擬合斜率變小(絕對(duì)值變大)，溫度敏感性增強(qiáng)，摻量高于2.5%時(shí)，擬合斜率變化不大；WFP溫拌劑在摻量為7%時(shí)擬合斜率最小(絕對(duì)值大)，溫度敏感性高，其余摻量時(shí)溫度敏感性均有所降低。

表2　不同溫拌瀝青的模量-溫度擬合公式

圖3　不同溫拌瀝青的溫度敏感性(擬合斜率)對(duì)比Fig.3　Comparison of temperature sensitivity (fitting slope) of different WMAs

對(duì)不同摻量WFP溫拌瀝青和Sasobit溫拌瀝青分別進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。結(jié)果可知：溫度高于20 ℃時(shí)，隨著摻量的增加，WFP溫拌瀝青與基質(zhì)瀝青的變化趨勢(shì)相同且彼此重合；而Sasobit隨著摻量的增加，相位角曲線(xiàn)開(kāi)始與基質(zhì)瀝青曲線(xiàn)有所差別，并在2.5%摻量后，在30～50 ℃ 范圍出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，此時(shí)瀝青的黏彈性結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，有利于高溫條件下瀝青的穩(wěn)定性。

圖4　不同摻量WFP溫拌瀝青相位角與溫度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4　Curves of angle phase vs.temperature of WMA with different WFP dosages

圖5　不同摻量Sasobit溫拌瀝青相位角與溫度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5　Curves of angle phase vs.temperature of WMA with different Sasobit dosages

2.2不同溫拌瀝青高溫等級(jí)

美國(guó)SHRP的瀝青PG分級(jí)以不同溫度區(qū)間內(nèi)的特定性能作為劃分瀝青等級(jí)的依據(jù)，把瀝青指標(biāo)與路用性能聯(lián)系起來(lái)，有利于瀝青膠結(jié)料的工程選用。溫拌劑的種類(lèi)和摻量對(duì)瀝青的等級(jí)有一定的影響，通過(guò)溫度掃描試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出不同摻量溫拌瀝青的高溫等級(jí)，有助于確定其適用的環(huán)境和交通條件，也可進(jìn)一步對(duì)溫拌劑的摻量進(jìn)行優(yōu)化，為工程應(yīng)用提供參考。研究表明：在高溫范圍內(nèi)瀝青G*/sinδ與溫度成半對(duì)數(shù)直線(xiàn)關(guān)系，由不同溫度條件下各摻量溫拌瀝青的模量和相位角數(shù)據(jù)可得到log(G*/sinδ)-T的回歸直線(xiàn)式，G*/sinδ=C時(shí)的溫度即為不同摻量不同溫拌瀝青的高溫等級(jí)值[16]。按照未老化樣品C=1 kPa為臨界模量標(biāo)準(zhǔn)，不同摻量溫拌瀝青的高溫溫度等級(jí)如表3所示?？芍?，3種溫拌劑中，Sasobit對(duì)基礎(chǔ)瀝青高溫等級(jí)的提高效果最為明顯，其中在摻量為2.5%時(shí)高溫溫度等級(jí)最高， Leadcap和WFP分別在摻量為3%和6%時(shí)高溫等級(jí)最高。

表3　不同溫拌瀝青的臨界高溫溫度等級(jí)

3不同溫拌瀝青頻率敏感性分析

不同摻量、不同溫拌劑瀝青對(duì)頻率的敏感性有所不同，本文對(duì)3種溫拌瀝青在各自相應(yīng)摻量下進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)，獲取模量與相位角數(shù)據(jù)，對(duì)頻率敏感性進(jìn)行分析。

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)子直徑25 mm，荷載100 Pa，溫度60 ℃，頻率范圍0.05～600 rad/s。

圖6　不同摻量溫拌瀝青模量與頻率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6　Curves of modulus vs.temperature of WMA with different dosages

圖7　不同摻量溫拌瀝青相位角與頻率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7　Curves of angle phase vs.temperature with different WFP dosages

頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6～圖7。通過(guò)分析可知：

(1)所有瀝青及溫拌瀝青均呈現(xiàn)高頻高彈的特點(diǎn)。從模量增效特點(diǎn)上看，以Sasobit對(duì)基礎(chǔ)瀝青的模量增效最為明顯，且隨著摻量的增加模量變化不明顯；Leadcap次之，在摻量達(dá)到3%時(shí)模量有顯著增大。而礦物發(fā)泡型WFP溫拌瀝青不同摻量下的模量曲線(xiàn)與基礎(chǔ)瀝青的相差不大，有所重疊。

(2)從相位角來(lái)看：在40 rad/s以下，3種溫拌瀝青相位角均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，Leadcap和WFP溫拌瀝青相位角隨頻率增加整體趨勢(shì)下降，Sasobit溫拌瀝青在0.2～0.3 rad/s范圍內(nèi)相位角出現(xiàn)峰值，隨后隨頻率增加而降低。結(jié)合模量的增長(zhǎng)特點(diǎn)，可以解釋行車(chē)速度越快對(duì)瀝青路面破壞越少的現(xiàn)象。40 rad/s以上時(shí)，每種溫拌瀝青有著不同的黏彈結(jié)構(gòu)變化，均發(fā)生相位角上升和紊亂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)受到頻率作用的破壞。Sasobit溫拌瀝青則在100 rad/s后才發(fā)生明顯的相位角紊亂現(xiàn)象，說(shuō)明Sasobit在60 ℃高溫條件下，具有較好的黏彈性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Leadcap溫拌瀝青相位角比基質(zhì)瀝青有所增加，Sasobit溫拌瀝青相位角比基質(zhì)瀝青有所降低，WFP溫拌瀝青相位角與基質(zhì)瀝青變化不大。在各自摻量范圍內(nèi)，各溫拌瀝青的相位角無(wú)明顯差異。

4結(jié)論

(1)試驗(yàn)溫度下不同溫拌瀝青均呈現(xiàn)黏彈特征，模量隨著溫度升高而降低，相位角隨溫度升高而增加；60 ℃時(shí)相位角均為85°以上，溫度敏感性比較明顯。

(2)隨著溫拌劑摻量的加入，Sasobit溫拌瀝青溫度敏感性顯著增強(qiáng)；摻量大于2.5%時(shí)，在30～50 ℃范圍內(nèi)瀝青的黏彈性結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，能有效提高基礎(chǔ)瀝青的高溫等級(jí)。隨著頻率的增加，Sasobit溫拌劑對(duì)基礎(chǔ)瀝青的模量增效最大，相位角比基礎(chǔ)瀝青有所降低。

(3)摻量范圍內(nèi)，Leadcap溫拌劑對(duì)瀝青的溫度穩(wěn)定性和高溫等級(jí)均隨摻量的增加而提高；隨著頻率的增加，Leadcap在摻量為3%時(shí)模量顯著增大；頻率高于40 rad/s時(shí)， Leadcap和WFP溫拌瀝青發(fā)生相位角上升和紊亂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)受到頻率作用的破壞；WFP礦物發(fā)泡型溫拌瀝青的模量和相位角與基質(zhì)瀝青的變化趨勢(shì)基本重合。

(4)綜合來(lái)看，根據(jù)各溫拌瀝青在不同摻量下的流變測(cè)試結(jié)果以及對(duì)溫度與頻率敏感性分析可知，Sasobit溫拌劑在摻量范圍為2.5%～3.5%時(shí)有利于高溫條件下瀝青的穩(wěn)定性；Leadcap溫拌劑在摻量范圍為2%～3%時(shí)溫度敏感性較低，可改善瀝青的高溫穩(wěn)定性；WFP溫拌劑在摻量范圍為6%～7%時(shí)，瀝青的高溫等級(jí)有所提高。

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Analysis of Temperature and Frequency Sensitivity of WMA Based on Rheological Property

TANG Pei-pei1，2, SHEN Ai-qin1, XIAO Wei3

(1. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education, Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064, China; 2. Transport Management Institute, Ministry of Transport, Beijing 101601, China;3. Jiaxing Municipal Transport Engineering Quality and Safety Supervision Station, Jiaxing Zhejiang 314001, China)

Abstract：In order to analyze the influence of warm mix agent on the parameters related to rheological property of asphalt, the rheological properties of different types and dosages of warm mix asphalt are tested with dynamic shear rheometer(DSR). The temperature sensitivity and frequency sensitivity of different types of warm mix asphalt are analyzed with the modulus and phase angle data. The result shows that (1) When the dosage of Sasobit warm mix agent is more than 2.5% and within the temperature scope of 30 ℃ to 50 ℃, the viscoelastic structure is relatively stable, and the high temperature level of asphalt can be effectively improved. (2) With the increase of frequency, Sasobit WMA has the highest modulus and lower phase angle compared with basic asphalt. The temperature stability and high temperature level of Leadcap WMA are improved with the increase of dosage of Leadcap. Within the scope of the scanning frequency, the modulus of Leadcap WMA increases significantly at the dosge of 3%. (3) When the frequency is higher than 40 rad/s, the phase angles of Leadcap and WFP WMA rise and have disorder phenomenon. (4) The change trends of modulus and phase angle of WMA with different WFP dosages coincide with those of basic asphalt. Through comprehensive analysis of the test results, when the dosages of Sasobit, Leadcap and WFP mix agent are separately 2.5%-3.5%, 2%-3% and 6%-7%, the high temperature stability of asphalt can be improved.

Key words：road engineering; warm mix asphalt; rheological test; temperature and frequency sensitivity; phase angle

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)03-0007-06

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.002

作者簡(jiǎn)介：唐培培(1983-)，女，天津薊縣人，博士研究生.(81238444@qq.com)

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(0009-2014G1211010)

收稿日期：2015-03-10