頻率掃描下基質(zhì)瀝青相態(tài)結(jié)構(gòu)分析

翟文卿，栗振鋒

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024)

道路交通量的快速增長，瀝青路面呈現(xiàn)一定的病害，例如擁包、車轍、開裂等，直接影響道路的使用，不僅影響道路的正常使用，還增加了維修資金。最值得引起注意的是道路的使用壽命，影響道路使用年限的因素有路面的高溫性能、抗疲勞性能等[1]。

瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，雖然包含多種化學(xué)成份以及非金屬元素，還有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物，但是瀝青擁有無定形結(jié)構(gòu)物的一些常見特性[2]。瀝青屬于粘彈性，一般的基質(zhì)瀝青是均相體，即內(nèi)部只有一種物質(zhì)組成，但是溫度和頻率的不同，也會使瀝青的內(nèi)部發(fā)生改變。

logG′-logG″稱作Han曲線，它是Han提出用于研究均相聚合物的一種說法，其中G′為存儲模量，G″是損耗模量。由于瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，是聚合物，進而可以研究在溫度變化情況下的Han曲線，從而得到瀝青內(nèi)部的相態(tài)結(jié)構(gòu)，分析瀝青的道路使用情況[3]。

1 試驗結(jié)果及其分析

1.1 鎮(zhèn)海70#基質(zhì)瀝青Han曲線的溫度依賴性

運用DSR進行頻率掃描試驗，在1～20 rad/s的頻率區(qū)間內(nèi)對鎮(zhèn)海70#基質(zhì)瀝青做頻率掃描試驗，運用DSR儀器在溫度-10 ℃～50 ℃區(qū)域內(nèi)進行頻率掃描，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到Han曲線如圖1：

圖1 鎮(zhèn)海70#瀝青的Han曲線

Fig.1Hancurvesof70#asphaltatdifferenttemperature

由圖1可知，鎮(zhèn)海70#基質(zhì)瀝青不隨溫度的變化發(fā)生變化，說明在此溫度區(qū)間內(nèi)該瀝青不具有溫度依賴性，再由表1得到，該瀝青的斜率均大于1，且相關(guān)性很強，而Han曲線的變化率可以揭示瀝青內(nèi)部分子的數(shù)量的分散情況[3]，當曲線變化率小于1時物質(zhì)可以當做均相體研究，即該瀝青內(nèi)部只有一種物質(zhì)的狀態(tài)。因此，該基質(zhì)瀝青在試驗條件內(nèi)為非均相體。

表1 70#瀝青不同溫度下的擬合結(jié)果

Tab.1 Fitting result of 70# asphalt at different temperature

瀝青結(jié)果-10 ℃-5 ℃0 ℃5 ℃10 ℃30 ℃40 ℃50 ℃70#斜率1.2661.2691.2711.2491.2541.1991.1901.213相關(guān)系 數(shù)0.994 630.994 540.994 710.996 640.995 300.996 160.996 560.995 56標準誤 差0.009 850.010 480.010 650.005 630.009 640.005 870.004 010.003 01

1.2 各粘彈參量的頻率依賴性分析

1.2.1 儲存模量、損耗模量的頻率依賴性

在線性變化中，均相聚合物的logG′(ω)～logω、logG″(ω)～log(ω)曲線在低頻下是直線，其頻率分別為2和1.為了研究瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)對于不同溫度的變化差異，對儲存模量和損耗模量進行線性擬合，實驗結(jié)果如表2所示：

由表2可知，0 ℃以下，瀝青的儲存模量-頻率的變化率小于2，損耗模量-頻率的變化率都小于1，更加說明該瀝青不是均相體。0 ℃之前，儲存模量-頻率變化率逐漸增大，5 ℃時忽然減小，之后一直呈現(xiàn)上升趨勢；而損耗模量-頻率在0 ℃之前一直減小，在10 ℃時逐漸增大，但是都小于1.研究表明，由于溫度上升，內(nèi)部分子變得活躍，在聚合物形成過程中由于內(nèi)部分子量的不均一性，在該頻率較低的區(qū)間內(nèi)儲存模量-頻率變化率和損耗模量-頻率的變化率大致都跟隨分布的分子量的增加而呈上升趨勢，由表2可以清楚的了解該瀝青內(nèi)部分子數(shù)量的多分散情況。

表2 70#瀝青不同溫度下的擬合結(jié)果

Tab.2Fittingresultof70#asphaltatdifferenttemperature

瀝青項目結(jié)果-10 ℃-5 ℃0 ℃5 ℃10 ℃30 ℃40 ℃50 ℃70#儲存模量-頻率損耗模量-頻率斜率0.9420.9190.8920.8030.8910.9541.0071.100相關(guān)系數(shù)0.99 9530.99 8200.99 7410.87 4310.99 6850.99 9080.99 9960.99 932斜率0.7440.7240.7020.6430.7090.7940.8450.906相關(guān)系數(shù)0.99 1030.98 6650.98 4820.87 5190.98 4600.99 1590.99 5850.99 828

圖2 頻率掃描下瀝青儲存模量的變化

Fig.2Variationofasphaltstoragemodulusunderfrequencysweep

圖3 頻率掃描下瀝青損耗模量的變化

Fig.3Variationofasphaltlossmodulusunderfrequencysweep

圖2、3繪制出對數(shù)下兩模量隨頻率變化曲線?？梢钥闯觯l率增加，兩模量均增大，損失模量增大幅度大于儲能模量，表明頻率掃描下?lián)p失模量更敏感；10 ℃之前，兩者都增加，之后卻在減小，說明此溫度是需要關(guān)注的。

按照Han曲線，分析鎮(zhèn)海70#瀝青在溫度變化下的曲線可以得到，隨著溫度的升高，兩個模量均在減小，相比之下很明顯損耗模量的減小速度更快，說明伴隨溫度的升高，瀝青內(nèi)部表現(xiàn)出來的粘性性能比彈性性能下降更快[4]。溫度范圍內(nèi)，兩個模量對頻率依賴性較強，顯然溫度在10 ℃時，兩模量的數(shù)值都在下降，頻率依賴性呈降低趨勢[5]。

1.2.2 抗車轍因子的頻率依賴性

圖4 頻率掃描下瀝青車轍因子變化

Fig.4Thechangeofrutfactorunderfrequencyscanning

由圖4可知，當溫度在0 ℃以下時，抗車轍因子對頻率具有依賴性，頻率逐漸增大，抗車轍因子也在逐漸增大，溫度大于0 ℃時，抗車轍因子對頻率的依賴性急劇減弱，當溫度達到40 ℃時，抗車轍因子出現(xiàn)平臺區(qū)，并且為恒定值0.同樣可以說明在0 ℃之前可以把該瀝青當做均相體研究。眾所周知，抗車轍因子與瀝青路面的抗車轍能力成正比[7]，由上可知，0 ℃以下該瀝青的抗車轍能力增強，說明瀝青處于均相體的狀態(tài)時，其高溫穩(wěn)定性能越好。

1.2.3 疲勞因子的頻率依賴性

PG分級中用疲勞因子G*sinδ來描述瀝青混合料的疲勞性能[8]，疲勞因子是材料在變形過程中內(nèi)部摩擦做的功，轉(zhuǎn)換成熱能，疲勞因子與材料的抗疲勞性能成反比[9]。

圖5 頻率掃描下瀝青疲勞因子的變化

Fig.5Variationofasphaltfatiguefactorunderfrequencysweep

由上圖5可得，橫向觀察，頻率的升高，使得疲勞因子逐漸增大，縱向觀察，溫度的增大，使得疲勞因子逐漸減小。0 ℃之前該瀝青的疲勞因子與頻率成正比變化，0 ℃之后，疲勞因子對頻率敏感性減小，當溫度超過40 ℃時，疲勞因子值為0，曲線由于橫坐標平行，不再發(fā)生變化，說明在此溫度之后瀝青的疲勞性能達到最好。

2 結(jié)語

(1)運用DSR對鎮(zhèn)海70#基質(zhì)瀝青進行動態(tài)剪切實驗，得到其頻率譜，進而分析該瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)，得到其路用性能；

(2)分析整個頻率區(qū)間Han曲線，可以得到，基質(zhì)瀝青可以當做非均相體研究；

(3)0 ℃之前該瀝青高溫穩(wěn)定性能良好，可以抵抗永久變形能力很強；疲勞性能較差；

(4)根據(jù)其路用性能，可以在溫度接近0 ℃時對瀝青路面可能出現(xiàn)的破壞提前做好防護措施，延長道路的使用壽命，提高瀝青路面的品質(zhì)。但是試驗只判定一種瀝青地性能，不具有廣泛性，之后地學(xué)者可以選取多種基質(zhì)瀝青進行比較，探究路用價值。

參考文獻：

[1] 王平,曹強.寒冷地區(qū)耐久性瀝青混凝土路面材料組成設(shè)計與性能研究[D].天津：天津大學(xué),2014.

[2] 于祥,張寶昌.動態(tài)硫化EVA/SBS復(fù)合改性瀝青動態(tài)力學(xué)性能的研究[J].橡膠工業(yè).2008,55(9)：529-533

[3] 詹曉麗.基于DMA方法對瀝青粘彈性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[4] 吳小維.高密度聚乙烯改性瀝青的制備與性能研究[D].山東，東營：中國石油大學(xué),2012.

[5] 羅璇.超高分子量聚乙烯/線性低密度聚乙烯共混體系動態(tài)流變學(xué)行為研究[D].湖南：湘潭大學(xué),2012.

[6] 金康康.高速公路瀝青路面溫拌薄層罩技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2009.

[7] 王大偉.RET改性瀝青及其混合料的技術(shù)特性試驗研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013.

[8] 吳少鵬,江承建.老化瀝青膠結(jié)料的疲勞特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報.2013,37(3)：451-455

[9] 杜亞麗,常春清.基于DSR試驗的膠粉改性瀝青性能評價.內(nèi)蒙古公路與運輸[J].2010,16(1)：16-18