基于時(shí)間-溫度等效原理的EVA改性瀝青流變參數(shù)主曲線研究

王愛峰，李自力，李銳鐸

(1.河南中州路橋建設(shè)有限公司，河南 周口 466000；2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

瀝青路面由于具有良好的行車舒適性、便于維修等優(yōu)點(diǎn)而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但是瀝青路面也存在容易出現(xiàn)車轍、裂縫等病害問題，特別是隨著交通荷載的增加和渠化交通的影響，瀝青路面車轍病害始終沒有得到有效的根治。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青及瀝青混合料的抗永久變形能力方面開展了大量研究工作。其中，瀝青改性是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法，常見的改性瀝青可以分為聚合物改性瀝青以及非聚合物改性瀝青。聚合物改性瀝青主要包括三類：熱塑性彈性體改性瀝青、橡膠改性瀝青以及樹脂改性瀝青。其中，樹脂類改性瀝青主要包括乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)改性瀝青、聚乙烯(PE)改性瀝青、無規(guī)聚丙烯(APP)改性瀝青、聚氯乙烯(PVC)改性瀝青、聚酰胺改性瀝青和聚丙烯(PP)改性瀝青等。吳恒瀾等[1]將EVA和EPDM復(fù)合對(duì)瀝青進(jìn)行改性，試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同條件下，改性瀝青的車轍因子G+/sinδ較基質(zhì)瀝青明顯增大，具有良好的高溫抗車轍性。李其祥等[2-4]采用SBS、SEBS和EVA對(duì)路用瀝青及混合料進(jìn)行改性并進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：經(jīng)過改性后的瀝青及混合料具有更好的抗變形能力。范維玉[5]利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀和熒光顯微鏡研究了EVA中VA含量對(duì)改性瀝青的流變性、相容性及常規(guī)性能等的影響，結(jié)果表明，在給定的溫度和頻率條件下，VA含量越大，改性瀝青的相位角逐漸變大，彈性部分逐漸減少，車轍因子G+/sinδ逐漸減小，抗車轍能力逐漸減弱。劉亞[6]分別利用EVA和廢膠粉對(duì)環(huán)氧瀝青進(jìn)行改性，然后對(duì)EVA及廢膠粉改性環(huán)氧瀝青的微觀形貌和性能進(jìn)行了研究。

由于試驗(yàn)設(shè)備條件限制，一般只能在一定的時(shí)間和溫度范圍內(nèi)對(duì)瀝青的黏彈性能進(jìn)行測(cè)試，而實(shí)際瀝青混合料的施工及使用溫度范圍很大。例如，從瀝青混合料的拌和到攤鋪碾壓，其溫度由160 ℃到80 ℃，而瀝青混合料的使用溫度也可能會(huì)在夏季炎熱高溫時(shí)的60 ℃和冬季嚴(yán)寒時(shí)最低氣溫零下40℃之間進(jìn)行變化。因此，對(duì)于這樣大范圍的使用條件，很難做到全范圍的性能測(cè)試，然而時(shí)間-溫度等效原理是解決該問題的有效方法[7-12]。因此，本文基于時(shí)間-溫度等效原理，構(gòu)建EVA改性瀝青的流變性指標(biāo)復(fù)數(shù)模量和車轍因子主曲線，并分析不同EVA摻量和動(dòng)態(tài)剪切頻率條件下的主曲線變化規(guī)律。

1 原材料性質(zhì)

1.1 瀝青

使用江蘇產(chǎn)阿爾法70#A級(jí)道路瀝青，其基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 EVA

本文選用瀝青改性劑為EVA樹脂顆粒，該EVA含有的乙酸乙酯(VA)含量為15%，EVA顆粒直徑約0.5 cm，由裕辰隆工程塑料公司所生產(chǎn)，如圖1所示。EVA塑料顆粒的物性表如表2所示。

圖1 EVA顆粒

圖2 材料參數(shù)與位移因子

表2 EVA共聚物物性表

2 改性瀝青制備

將基質(zhì)瀝青在烘箱內(nèi)加熱熔化后保溫在(135±5)℃ 4 h以上待用，再次將瀝青加熱到170 ℃并保溫1 h以上待用。按照3%、6%、9%的摻量將EVA改性劑摻入瀝青中，使用高速攪拌裝置在170 ℃下均勻攪拌1 h，可以制得EVA改性瀝青，然后利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DHR-1型)對(duì)基質(zhì)瀝青和改性瀝青進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)。

3 主曲線繪制及分析

3.1 主曲線繪制

3.1.1 位移因子

位移因子aT(T)是溫度的函數(shù)，現(xiàn)在常采用WLF公式和Arrhenius公式進(jìn)行計(jì)算[14]。本文選擇WLF方程進(jìn)行計(jì)算，即：

(1)

式中：C1—材料參數(shù)，C1=B/(2.303fg)；

C2—材料參數(shù)，C2=fg/ar；

T0—材料的參考溫度。

WLF公式中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)C1、C2隨著參考溫度和材料的變化而改變，本文通過擬合確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)C1、C2，如圖2所示。

WLF方程適用于Tg

表3 基質(zhì)瀝青位移因子(參考溫度40 ℃)

圖3 基質(zhì)瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線

以40 ℃作為參考溫度，分析基質(zhì)瀝青的位移因子。該參考溫度下位移因子的結(jié)果如表3所示。按照上述方法，將基質(zhì)瀝青和摻量為3%、6%、9%的EVA改性瀝青在30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下的0.1～150 rad/s頻率掃描結(jié)果，通過時(shí)間-溫度等效原理合成復(fù)數(shù)模量G*主曲線、車轍因子G*/sinδ主曲線。

3.1.2 主曲線合成過程分析

將DSR結(jié)果繪制在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，參照位移因子lgaT，對(duì)各個(gè)溫度下的頻率掃描結(jié)果曲線進(jìn)行移動(dòng)。當(dāng)位移因子為負(fù)數(shù)時(shí)，向左進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)位移因子為正數(shù)時(shí)，向右進(jìn)行移動(dòng)，即可獲得主曲線。

將基質(zhì)瀝青移動(dòng)前后的復(fù)數(shù)模量G*、車轍因子G*/sinδ和相位角隨頻率變化的曲線繪制在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，如圖3、圖4和圖5所示。

圖4 基質(zhì)瀝青車轍因子主曲線

圖5 基質(zhì)瀝青相位角主曲線

由圖3～圖5可以看出：基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量、車轍因子隨著頻率的增加而增大，說明當(dāng)頻率掃描的加載頻率增大時(shí)，基質(zhì)瀝青的抵抗外力變形的能力增強(qiáng)。而相位角δ與頻率呈現(xiàn)先遞增后遞減的關(guān)系。當(dāng)加載頻率小于0.01 rad/s時(shí)相位角δ隨著頻率的增加而增大，當(dāng)頻率大于0.01 rad/s時(shí)，基質(zhì)瀝青的相位角隨著頻率的增大而減小。即當(dāng)荷載處于低頻和高頻狀態(tài)時(shí)，相位角彈性能力比較高，當(dāng)荷載處于0.01 rad/s左右時(shí)，瀝青的彈性能力降低，黏性能力提高。

利用同樣的方法可以得到不同EVA摻量改性瀝青的復(fù)數(shù)模量及車轍因子主曲線如圖6和圖7所示。

圖6 復(fù)數(shù)模量主曲線

圖7 車轍因子主曲線

由圖6可以看出：在0.001～948.991 rad/s范圍內(nèi)，基質(zhì)瀝青和改性瀝青的復(fù)數(shù)模量都隨著加載頻率的增大而增大。說明基質(zhì)瀝青和改性瀝青抵抗外力作用變形的能力隨著加載頻率的升高而增強(qiáng)；6%摻量的EVA改性瀝青與9%摻量的EVA改性瀝青的復(fù)數(shù)模量主曲線相近，在較低頻率區(qū)和較高頻率區(qū)的復(fù)數(shù)剪切模量值相近，僅在角頻率為0.1 rad/s附近時(shí)，9%摻量的EVA改性瀝青略高于6%摻量的EVA改性瀝青。說明EVA改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*并不會(huì)隨著摻量的增加而一直增大，EVA改性劑有臨界含量，復(fù)數(shù)剪切模量G*在EVA改性劑的摻量達(dá)到臨界含量的時(shí)候就會(huì)停止不斷增大的過程。

由圖7可以看出：在0.001～948.991 rad/s范圍內(nèi)，基質(zhì)瀝青和改性瀝青的車轍因子G*/sinδ都隨頻率的增大而增大。說明隨著加載頻率的升高，基質(zhì)瀝青和改性瀝青表明瀝青在高頻率加載的情況下，抵抗變形的彈性因素增強(qiáng)，瀝青抗永久變形能力較強(qiáng)；6%摻量的EVA改性瀝青與9%摻量的EVA改性瀝青的復(fù)數(shù)模量主曲線相近，在較低頻率區(qū)和較高頻率區(qū)的車轍因子相近，僅在角頻率為0.1 rad/s附近時(shí)，9%EVA改性瀝青略高于6%EVA改性瀝青。說明EVA改性瀝青的車轍因子并不會(huì)隨著摻量的增加而一直增大，EVA改性劑有臨界含量，當(dāng)摻量達(dá)到一定比例時(shí)，改性瀝青的車轍因子G*/sinδ就會(huì)停止增加，抵抗變形的彈性因素保持穩(wěn)定，瀝青抗永久變形能力不變。

4 結(jié)論

利用時(shí)間-溫度等效原理并使用WLF方程進(jìn)行位移因子計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)EVA改性瀝青的主曲線的繪制，最后合成并分析了基質(zhì)瀝青和EVA改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*主曲線和車轍因子G*/sinδ主曲線的主要特性，可以得出以下結(jié)論：

(1)EVA改性瀝青和棚膜改性瀝青都能夠有效提高基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ。隨著瀝青改性劑摻量的增加，改性瀝青抵抗變形的彈性因素有所增加，抗永久變形能力增強(qiáng)。

(2)通過EVA改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ，可以發(fā)現(xiàn)6%摻量的EVA改性瀝青與9%摻量的EVA改性瀝青的復(fù)數(shù)模量主曲線相近，在較低頻率區(qū)和較高頻率區(qū)的車轍因子相近，僅在角頻率為0.1 rad/s附近時(shí)，9%EVA改性瀝青略高于6%EVA改性瀝青。說明EVA改性瀝青的車轍因子并不會(huì)隨著改性劑含量的增加而一直增大，EVA改性劑有臨界含量，當(dāng)摻量達(dá)到一定比例時(shí)，改性瀝青的車轍因子就會(huì)停止增加，抵抗變形的彈性因素保持穩(wěn)定，瀝青抗永久變形能力不變。

(3)利用時(shí)間-溫度等效原理得到的主曲線能夠在更寬的頻域及溫度范圍內(nèi)描述改性瀝青的流變性能，可以通過0.1～150 rad/s的試驗(yàn)結(jié)果得到改性瀝青在0.001～948.991 rad/s頻率范圍內(nèi)的基質(zhì)瀝青及改性瀝青的黏彈性力學(xué)性能，能夠?yàn)槔碚撗芯考肮こ虘?yīng)用提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。