考慮老化作用的瀝青膠漿動(dòng)態(tài)粘彈性能試驗(yàn)分析

王志軍

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100088)

考慮老化作用的瀝青膠漿動(dòng)態(tài)粘彈性能試驗(yàn)分析

王志軍

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100088)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲蠕變勁度試驗(yàn)，分析了不同老化狀態(tài)下瀝青膠漿的動(dòng)態(tài)流變性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：老化作用沒有改變?yōu)r青膠漿的粘彈性屬性，只是改變了瀝青膠漿粘彈性指標(biāo)變化的幅度；瀝青膠漿老化后，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G*增大，相位角δ變小，瀝青膠漿向固態(tài)轉(zhuǎn)化，提高了瀝青混合料的高溫抗車轍能力；老化時(shí)間越長(zhǎng)、溫度越低，瀝青膠漿的損失剪切模量G*sinδ越大，瀝青膠漿的抗疲勞性能越差；瀝青膠漿的蠕變勁度隨老化時(shí)間的增加不斷增大，蠕變速率隨老化時(shí)間的增加而減小，老化膠漿更易發(fā)生低溫開裂。

瀝青膠漿； 老化作用； 粘彈性能； 疲勞； 高溫流變性； 低溫柔性

1 概述

老化作用是引起瀝青路面損壞的主要因素之一，在瀝青混合料生產(chǎn)和瀝青路面服役過程中，外界環(huán)境因素如氧氣、溫度、水分和光照會(huì)引起瀝青混合料發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，最終導(dǎo)致瀝青路面破壞，影響瀝青路面使用性能，因此提高瀝青混合料的抗老化能力，改善瀝青路面的使用性能，延長(zhǎng)使用壽命顯得非常重要[1,2]。目前對(duì)老化的研究多集中在瀝青自身材料的老化，提出了一系列提高瀝青抗老化能力的途徑、評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)[3,4]；而近代膠漿理論則認(rèn)為瀝青混合料是由粗集料、細(xì)集料、瀝青膠漿形成的多級(jí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系，瀝青膠漿在物理形態(tài)上改變了瀝青結(jié)合料的粘稠度，影響和決定著瀝青混合料的高低溫特性及耐久性[5-10]。劉麗等人對(duì)瀝青膠漿的技術(shù)性能及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)：動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)可以用于研究瀝青膠漿的路用性能和流變特性，彎曲梁流變儀(BBR)可以用來評(píng)價(jià)瀝青膠漿的低溫性能[11]。張肖寧等利用DSR進(jìn)行了瀝青膠漿路用性能評(píng)價(jià)的研究，對(duì)粉膠比和纖維的影響進(jìn)行了分析[12]。以上研究可以發(fā)現(xiàn)，許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)瀝青膠漿的相關(guān)性能進(jìn)行了一些研究，但是到目前為止考慮老化作用對(duì)瀝青膠漿粘彈性能影響的研究相對(duì)還比較少，基于此，本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀Dynamic shearing rheometer(DSR)和彎曲梁流變儀Bending Bean Rheometer(BBR)，對(duì)不同老化程度和不同溫度下瀝青膠漿的粘彈性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，以分析老化作用對(duì)瀝青膠漿的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 材料

瀝青采用SK-70道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1.填料采用磨細(xì)的石灰石礦粉，礦粉干燥潔凈，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表2。兩種原材料的性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求。

表1 70號(hào)瀝青性能指標(biāo)Table1 Mainperformanceindexofsk-70asphalt指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果技術(shù)要求針入度25℃，5s，100g/(01mm)7160～80針入度指數(shù)(PI)-068-15～+10軟化點(diǎn)/℃49≥46蠟含量/%19<22閃點(diǎn)/℃338260溶解度/%998995密度15℃/(g·cm-3)1039實(shí)測(cè)記錄動(dòng)力粘度60℃/(Pas)206160老化后質(zhì)量變化/%-008±08針入度比15℃/%73≥61延度15℃/cm38≥15

表2 礦粉性能指標(biāo)Table2 Technicalparametersofthemineralfiller指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果技術(shù)要求表觀密度/(t·m-3)2812≥25親水系數(shù)082<1粒度范圍<06mm/%100 100<015mm/%956 90～100<0075mm/%83875～100

2.2 不同老化程度的瀝青膠漿的制備

樣品制備：把瀝青加熱到160 ℃放入攪拌容器中，用小勺慢慢加入已稱好的礦粉，粉膠比為0.8，持續(xù)攪拌5 min使瀝青膠漿攪拌均勻。瀝青膠漿的短期老化采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)，模擬其在貯存、運(yùn)輸、拌和及鋪筑過程中的老化。試驗(yàn)條件是膠漿試樣在163 ℃±0.5 ℃熱氧環(huán)境中受熱75 min，試驗(yàn)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中T0610-2011進(jìn)行；瀝青膠漿的長(zhǎng)期老化采用壓力老化試驗(yàn)，模擬瀝青膠漿在路面服役過程中的老化。試驗(yàn)采用經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青膠漿試驗(yàn)樣本在壓力2.1 MPa、溫度100 ℃的條件下進(jìn)行不同時(shí)間的老化，試驗(yàn)根據(jù)AASHTO PP1的要求進(jìn)行。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用DSR動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，測(cè)試不同老化程度的瀝青膠漿試樣在高溫條件下的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ，以此來分析不同老化程度下瀝青膠漿的高溫性能。

采用DSR動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，測(cè)試不同老化程度的瀝青膠漿試樣在中溫條件下的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ和疲勞因子G*sinδ，以此來分析不同老化程度瀝青膠漿在中溫條件下的抗疲勞性能。

采用彎曲梁流變儀(Bending bean rheometer，BBR)對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，分析不同老化程度的瀝青膠漿試樣在低溫條件下的蠕變勁度S、蠕變速率m變化規(guī)律，從而分析老化對(duì)瀝青膠漿低溫性能的影響。蠕變勁度S越大，表示瀝青膠漿的柔性越差；蠕變速率m值越大，表示瀝青膠漿的松弛能力越強(qiáng)，瀝青混合料的低溫性能越好。

具體試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 瀝青膠漿試驗(yàn)方案Table3 Testingprojectofasphaltmastic試驗(yàn)名稱試驗(yàn)樣品(粉膠比08)試驗(yàn)溫度/℃試驗(yàn)指標(biāo)DSR高溫試驗(yàn)未老化礦粉膠漿、RTFOT老化礦粉膠漿、RTFOT老化+PAV老化10h、RTFOT老化+PAV老化20h46、52、58、64、70、76復(fù)數(shù)剪切模量G?、相位角δBBR低溫試驗(yàn)未老化礦粉膠漿、RTFOT老化礦粉膠漿、RTFOT老化+PAV老化10h、RTFOT老化+PAV老化20h-18、-12、-6、0蠕變勁度S、蠕變速率mDSR疲勞試驗(yàn)未老化礦粉膠漿、RTFOT老化礦粉膠漿、RTFOT老化+PAV老化10h、TFOT老化+PAV老化20h10、20、30復(fù)數(shù)剪切模量G?、相位角δ

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 DSR高溫試驗(yàn)

復(fù)數(shù)剪切模量G*是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量，為最大剪切應(yīng)力和最大剪切應(yīng)變之比。相位角δ是剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變之間的時(shí)間差，對(duì)于完全彈性和完全黏性的材料，相位角分別是0°和90°。G*/sinδ為車轍因子，表示瀝青膠漿材料抗永久變形能力，在最高路面設(shè)計(jì)溫度下，其值越大表示瀝青膠漿的流動(dòng)變形越小，越有利于抵抗路面車轍的產(chǎn)生[13,14]。試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同老化狀態(tài)下瀝青膠漿粘彈性指標(biāo)與試驗(yàn)溫度的關(guān)系Figure 1 Relationship between viscoelastic parameters of asphalt mortar with different aging degree and temperature

圖1可以看出：不同老化狀態(tài)下瀝青膠漿的復(fù)合剪切模量G*均隨溫度的升高呈下降(冪指數(shù)下降)，而相位角δ隨溫度的升高逐步增加，說明溫度的升高使瀝青膠漿由低溫時(shí)的高彈態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為高溫時(shí)的粘流態(tài)，溫度越高，車轍因子G*/sinδ越小，老化作用沒有改變?yōu)r青膠漿的粘彈性屬性，只是在一定程度上改變了瀝青膠漿粘彈性指標(biāo)變化的幅度。

圖2可以看出：在同一溫度下，隨著老化程度的加劇，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量逐漸增大，相位角逐漸減小，車轍因子G*/sinδ逐漸增大，說明老化作用導(dǎo)致瀝青膠漿的粘性減小，彈性增加，瀝青膠漿向固態(tài)轉(zhuǎn)化，提高了瀝青混合料的高溫抗車轍能力；同時(shí)還可以看出，溫度越高，不同老化狀態(tài)下瀝青膠漿車轍因子G*/sinδ增加的幅度越小，說明在高溫條件下，溫度對(duì)瀝青膠漿車轍因子的影響比老化作用對(duì)車轍因子的影響要大的多。

圖2 不同溫度下瀝青膠漿粘彈性指標(biāo)與老化程度的關(guān)系Figure 2 Relationship between viscoelastic parameters of asphalt mortar with different temperature and aging degree

3.2 BBR低溫試驗(yàn)

采用彎曲梁流變儀(Bending bean rheometer，BBR)對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同溫度下蠕變勁度S的變化規(guī)律Figure 3 Test result of creep stiffness “s” by BBR

圖4 不同溫度下蠕變速率m的變化規(guī)律Figure 4 Test result of creep rate “m” by BBR

圖3可以發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，瀝青膠漿的蠕變勁度模量S呈指數(shù)形式遞減，說明溫度越低，瀝青膠漿越容易發(fā)生開裂；在同一溫度下，瀝青膠漿老化程度越大，蠕變勁度模量S越大，說明隨著瀝青膠漿的老化，其低溫性能逐漸變差；由圖4可知：隨著溫度的升高，瀝青膠漿的蠕變速率m呈線性遞增，說明溫度越低，瀝青膠漿的應(yīng)力松弛能力越差；在相同溫度下，瀝青膠漿蠕變速率m隨瀝青老化程度的增大而減小，說明老化作用使瀝青膠漿的粘性減小，低溫性能變差，老化膠漿更易發(fā)生低溫開裂。

3.3 DSR疲勞試驗(yàn)

瀝青膠漿的疲勞性能，可以用疲勞因子G*sinδ表示，反映瀝青膠漿在變形過程中散失的能量，其值越大，表示重復(fù)荷載作用下的能量損失速度越快，其抵抗疲勞損傷的能力越差。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同溫度下瀝青膠漿疲勞因子G*sin δ的變化規(guī)律Figure 5 Relationship between fatigue parameter and temperature

圖6 不同老化程度瀝青膠漿疲勞因子G*sin δ的變化規(guī)律Figure 6 Relationship between fatigue parameter and aging degree

圖5所示：隨著溫度的升高，瀝青膠漿的疲勞因子G*sinδ逐漸減小，說明在較低的溫度范圍內(nèi)瀝青膠漿易發(fā)生疲勞損傷。圖6看出：在相同溫度下，隨著瀝青膠漿老化程度的加劇，疲勞因子G*sinδ逐漸增大，說明老化作用會(huì)引起瀝青膠漿彈性成分的增加和粘性成分的減少，導(dǎo)致瀝青膠漿硬化，減弱了瀝青膠漿的中溫抗疲勞性能。

4 結(jié)論

① 不同老化狀態(tài)下瀝青膠漿的復(fù)合剪切模量G*均隨溫度的升高呈冪指數(shù)下降趨勢(shì)，相位角δ隨溫度的升高逐步增加，老化作用沒有改變?yōu)r青膠漿的粘彈性屬性，只是一定程度上改變了瀝青膠漿粘彈性指標(biāo)變化的幅度。

② 在高溫條件下，老化作用導(dǎo)致瀝青膠漿的粘性減小，彈性增加，瀝青膠漿向固態(tài)轉(zhuǎn)化，提高了瀝青混合料的高溫抗車轍能力。溫度越高，不同老化狀態(tài)下瀝青膠漿車轍因子G*/sinδ增加的幅度越小，說明在高溫條件下，溫度對(duì)瀝青膠漿車轍因子的影響要大于比老化作用的影響。

③ 在低溫條件下，瀝青膠漿的蠕變勁度模量S隨著溫度的升高呈指數(shù)形式遞減，蠕變速率m呈線性遞增，溫度越低，瀝青膠漿的應(yīng)力松弛能力越差；在同一溫度下，瀝青膠漿老化程度越大，蠕變勁度模量S越大，蠕變速率m越小，老化作用使瀝青膠漿的粘性減小，低溫性能變差，老化膠漿更易發(fā)生低溫開裂。

④ 瀝青膠漿的疲勞因子G*sinδ隨溫度的升高逐漸減小，在較低的溫度范圍內(nèi)瀝青膠漿易發(fā)生疲勞損傷。同時(shí)，老化作用會(huì)引起瀝青膠漿彈性成分的增加和粘性成分的減少，導(dǎo)致瀝青膠漿硬化，抵抗重復(fù)剪切能力降低，減弱了瀝青膠漿的抗疲勞性能。

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Viscoelastic Properties Test of Asphalt Mortar with Different Aging Degree

WANG Zhijun

(Key Laboratory of Road Structure & Material， Research Institute of Highway， MOC， Beijing 100088， China)

The dynamic rheological properties of asphalt mortar under the effects of aging were studied by Dynamic Shear Rheometer(DSR)Test and Bending Bean Rheometer(BBR)Test.Test results show the following： ①The effects of aging affect the viscoelastic properties of asphalt mortar by changing the magnitude of viscoelastic index. ②The complex shears modulus increase and the phase angle decrease after aging.The asphalt mortar is gradually transformed into solid that can obviously improve the rutting resistance capacity of the asphalt pavement in the high temperature. ③The fatigue parameterG*sinδvalues increases with the degree of aging intensifies.The anti-fatigue performance of aged asphalt mortar is worse at low temperatures. ④The creep stiffness increase with increasing aging time and the creep rate increase.The cracking of aging mortar is occurred more likely at low temperatures.

asphalt mortar； aging； viscoelasticity； fatigue； high temperature rheology； low temperature flexibility

2015 — 04 — 07

王志軍(1983 — )，男，山東日照人，助理研究員，碩士，主要從事瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0048 — 05