綜合多維因素的路用基質(zhì)瀝青低溫性能分析

馮保杰 栗振鋒 李 彤

(太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

瀝青路面因?yàn)槠淞己玫牧W(xué)特性，在全國范圍內(nèi)應(yīng)用極其廣泛。而且在目前，在建的公路項(xiàng)目90%以上都在使用瀝青混凝土路面[1]。但是瀝青在低溫狀態(tài)下容易產(chǎn)生開裂破壞，而開裂破壞不僅會對路面的外觀造成破壞，同時對路面的使用功能也會產(chǎn)生很大影響。聞名全球的美國SHRP計劃，其重要的研究內(nèi)容之一就是瀝青的低溫機(jī)能。根據(jù)美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)的研究結(jié)論，瀝青對低溫性能的貢獻(xiàn)率占80%[2,3]。因此，為了研究瀝青路面低溫開裂，本文從基質(zhì)瀝青入手，基于流變學(xué)基本原理，重點(diǎn)研究基質(zhì)瀝青在低溫狀態(tài)下的各性能指標(biāo)。

1 現(xiàn)有評價方法簡介

1.1 我國瀝青性能指標(biāo)

軟化點(diǎn)、低溫延度、低溫針入度，這三大指標(biāo)是我國常采用的瀝青低溫性能指標(biāo)，此外針入度指數(shù)PI,10 ℃延度和60 ℃粘度也經(jīng)常運(yùn)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。瀝青的低溫性能在我國“七五”和“八五”攻關(guān)中，進(jìn)行了一定程度的研究[4]。在有關(guān)施工規(guī)范中，10 ℃延度被作為評價低溫性能的指標(biāo)。另外，脆點(diǎn)和當(dāng)量脆點(diǎn)也被當(dāng)做評價瀝青低溫性能的重要指標(biāo)。

1.2 國外道路瀝青性能指標(biāo)概述

國外評價瀝青低溫性能的指標(biāo)主要有美國SHRP/SUPERPAVE瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范，加拿大瀝青標(biāo)準(zhǔn)，歐洲共同體CEN瀝青新標(biāo)準(zhǔn)，澳大利亞瀝青標(biāo)準(zhǔn)[5]。在很多國家中，弗拉斯脆點(diǎn)，當(dāng)量脆點(diǎn)，玻璃化溫度和低溫流變學(xué)等也可以當(dāng)做評價瀝青低溫性能的標(biāo)準(zhǔn)。弗拉斯脆點(diǎn)在許多西方國家被作為評價瀝青低溫開裂性能的指標(biāo)，然而用弗拉斯脆點(diǎn)評價瀝青的低溫性能有嚴(yán)重的不足,包括實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較差,試驗(yàn)用的鋼片剛度不同,試件制備和降溫條件等都會在很大程度上影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]。SHRP(美國戰(zhàn)略公路研究計劃)就基于流變學(xué)方法，并將流變學(xué)里的相關(guān)參數(shù)作為評價瀝青路用性能的合理指標(biāo)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)材料采用未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青。

2.2 試驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)儀器采用動態(tài)剪切流變儀(簡稱DSR)。

2.3 試驗(yàn)原理

由圖1 DSR結(jié)構(gòu)圖可以看出，動態(tài)剪切流變儀(簡稱DSR)包括固定板，瀝青和振蕩板三個主要部分。DSR的工作原理很簡單，一般來說，瀝青試樣放在固定板與振蕩板之間，振蕩板從A運(yùn)動到B，然后再反方向從B轉(zhuǎn)向A，繼續(xù)轉(zhuǎn)到C,最后再改變方向從C轉(zhuǎn)動到A完成一個周期。

2.4 試驗(yàn)方案

瀝青路面溫度突變和極低溫引起的路面開裂，與瀝青路面疲勞、車轍共稱為瀝青路面的三大病害[8-10]。

1)制備瀝青試樣。

2)調(diào)試儀器。

3)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)分為兩個部分，分別是溫度掃描試驗(yàn)和角頻率掃描實(shí)驗(yàn)。溫度掃描實(shí)驗(yàn)是將溫度控制在在-10 ℃～50 ℃之間，當(dāng)頻率分別為5 Hz,10 Hz,15 Hz,降溫速率分別為1 ℃/min，2 ℃/min，3 ℃/min時進(jìn)行試驗(yàn)并且獲得相應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)；角頻率掃描實(shí)驗(yàn)在不同角頻率下進(jìn)行，角頻率范圍為1 Hz～20 Hz、溫度分別為-10 ℃，-5 ℃，0 ℃，5 ℃，10 ℃，30 ℃，40 ℃，50 ℃時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且獲得相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 降溫速率為1 ℃/min時

復(fù)粘度，儲能模量，損耗模量，復(fù)模量和車轍因子的多因素三維分析圖如圖2～圖5所示。

由圖2～圖5可知，在溫度為10 ℃～50 ℃，角頻率為5 rad/s～15 rad/s的區(qū)域和溫度為-15 ℃～10 ℃，角頻率為5 rad/s～10 rad/s的區(qū)域內(nèi)，無論是復(fù)粘度、儲能模量、損耗模量、復(fù)模量都隨著溫度的降低與角速率的增大而增大，但是變化趨勢比較平緩；當(dāng)溫度在-15 ℃～10 ℃，角頻率在5 rad/s～10 rad/s的區(qū)域內(nèi)，不同的力學(xué)性能指標(biāo)均隨著溫度的降低與角速率的增大而增大，但是曲面變化趨勢比較明顯，特別是復(fù)粘度在角頻率為5 rad/s時，隨著溫度的降低也逐漸增大，并且變化趨勢也相對比較明顯。所以，當(dāng)角頻率為15 rad/s時，各力學(xué)性能隨著溫度的變化最明顯，即各力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)變化程度為：15 rad/s>5 rad/s>10 rad/s。因此說明：當(dāng)降溫速率在1 ℃/min時，頻率分別為5 rad/s，10 rad/s，15 rad/s的各力學(xué)指標(biāo)隨著溫度的下降而上升。其中，在溫度為-15 ℃～10 ℃時，角頻率為10 rad/s～15 rad/s時，各指標(biāo)隨著溫度的下降而上升，表明在此溫度區(qū)間內(nèi)，瀝青的各力學(xué)性能變化比較快，尤其角頻率在15 rad/s時最為明顯；在10 ℃～50 ℃時，各力學(xué)指標(biāo)隨著溫度的下降上升緩慢，并且接近于零。結(jié)果表明，基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青在溫度為-15 ℃～10 ℃，角頻率為15 rad/s左右時，對瀝青的整體性能影響比較大。

由上所知，未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青在降溫速率為1 ℃/min的時候，角頻率為15 rad/s時瀝青的各力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)較為敏感[11]，進(jìn)一步研究，角頻率固定為15 rad/s時，分析復(fù)粘度，儲能模量，損耗模量，復(fù)模量和車轍因子對瀝青低溫性能的影響。

由圖6可得，當(dāng)降溫速率為1 ℃/min時，各力學(xué)性能指標(biāo)復(fù)粘度，儲能模量，損耗模量，復(fù)模量和車轍因子均隨著溫度的不斷下降而降低；可以比較直觀的得到，復(fù)模量的變化率最大，而車轍因子的變化率最小，變化率大小順序依次是復(fù)模量>損耗模量>儲能模量>復(fù)粘度>車轍因子。因此在降溫速率為1 ℃/min時復(fù)模量更適合來表征基質(zhì)瀝青的低溫性能。

3.2 降溫速率分別為2 ℃/min和3 ℃/min時

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)降溫速率為2 ℃/min時，同樣是角頻率為15 rad/s時各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)變化最為明顯。

從圖7和圖8中可以看出，在未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青的各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)中，復(fù)模量在低溫段變化最為明顯，即變化率最大，所以，復(fù)模量也可以作為評價降溫速率為3 ℃/min時的瀝青低溫性能的指標(biāo)。

圖9比較了不同降溫速率的復(fù)模量變化趨勢，當(dāng)降溫速率為1 ℃/min時，隨著溫度下降復(fù)模量的變化最大。所以在降溫速率為1 ℃/min時，復(fù)模量所評價的未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青最為敏感。

4 結(jié)語

1)通過分析比較各降溫速率(1 ℃/min,2 ℃/min,3 ℃/min)下的力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)變化趨勢，當(dāng)角頻率為15 rad/s時，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)最為敏感。

2)通過比較角頻率為15 rad/s時的各力學(xué)指標(biāo)可以得到，復(fù)模量可以較好的評價未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青的低溫性能。

3)通過比較不同的降溫速率(1 ℃/min,2 ℃/min,3 ℃/min)下的復(fù)模量可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降溫速率為1 ℃/min時，復(fù)模量更能表征未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青的低溫性能。

綜上所述，經(jīng)過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)降溫速率為1 ℃/min，角頻率為15 rad/s時，未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青的復(fù)模量可以作為評價其低溫性能的指標(biāo)。