基于流变性能试验的沥青高温稳定性评价

弓文政

(湖南岳常高速公路开发有限公司)

高温稳定性，也称为高温抗车辙性能，即抵抗高温条件下流动荷载反复作用产生沥青混合料变形的能力。我国大部分地区夏季的最高气温一般能达到35～40 ℃以上，而沥青路面的最高温度会比最高气温高25 ℃，再加上高温气候持续时间的增长，将可能使得沥青路面在使用过程中迅速变形破坏。而沥青作为一种典型的粘弹性材料，在这种高温条件下其材料的高温稳定性对沥青路面的基本使用性能起着决定性的作用。SHRP 的研究结果显示，沥青对于高温车辙的贡献率达到29%。所以说针对沥青的高温稳定性进行研究对于沥青路面的使用是很有必要的。国内相关规范采用软化点和60 ℃粘度作为评价沥青高温使用条件下的性能指标。而superpave 沥青结合料规范则从流变学的角度对沥青的高温稳定性进行分析。通过采用动态剪切流变仪测定复数剪切模量G* 和相位角δ 及车辙因子G* /sinδ 来评价其高温条件下的抗车辙性能。但是许多针对沥青的抗车辙性能的研究，仅仅是将车辙因子作为唯一的评判标准，没有考虑到不同温度、不同行车荷载甚至不同路面结构对其性能的影响，在实际应用中往往会导致沥青使用的局限性。所以针对这些影响因素进行研究分析，通过对不同种类沥青进行流变试验，综合分析其高温稳定性。

1 试验材料及测试方法

1.1 试验材料

试验所采用的三种沥青分别为70#基质沥青、SBS 改性沥青以及高模量沥青。具体相关技术指标如表1 所示。

表1 沥青相关技术指标结果

1.2 试验方法

采用superpave 规定的沥青胶结料规范为试验依据，使用TA 牌AR－1500ex 型号动态剪切流变仪对三种不同沥青进行标准动态剪切试验。通过改变相关参数，从温度水平、频率水平及应变水平三个方面进行性能研究，并分析数据及分别对其高温稳定性进行评价。

2 试验结果分析

2.1 温度扫描

沥青作为一种粘弹性材料，其材料性能具有很大的温度依赖性。SHRP 规范中通过动态剪切流变仪对沥青进行温度扫描(52～83 ℃)，分析其复数剪切模量G* 、相位角δ 以及车辙因子G* /sinδ 在不同温度条件下的变化情况。

图1 各种沥青的G* 和δ 与温度的半对数关系图

由图1 可知，三种沥青的复数剪切模量G* 均随着温度增大而减小，均呈现一条下降的直线。这是因为随着温度的升高，沥青的主要成分在高温情况下逐渐呈现粘流态。复数剪切模量G* 是最大剪应力与最大剪应变的比值，该值越大，表面材料的弹性性能越好。在这种情况下，最大剪应力减小，而最大剪应变变大，这就直接导致了复数剪切模量G* 的减小。高模量沥青的G* 曲线和SBS 改性沥青的曲线较为接近，而基质沥青的曲线与它们两者差别明显。相关研究表明，曲线的斜率可以很好的反映出复数剪切模量G* 对温度的敏感性。如图1 所示，高模量沥青和SBS 改性沥青对温度依赖性基本相同，均小于基质沥青。这表明，高模量沥青和SBS 改性沥青受温度影响程度比基质沥青要小。针对相位角δ 而言，它反映的是复数剪切模量G* 中弹性成分和粘性成分的比例，δ 值越大则说明粘性成分多而弹性成分少，而弹性成分是可恢复的，决定了抵抗车辙能力。由图1可看出，随着温度逐渐升高，基质沥青的相位角δ 最大逐渐接近90°，δ 值接近90°则意味着沥青中粘性成分过多，接近粘性状态，此时的变形基本为永久变形，这就意味着基质沥青基本丧失了高温下抵抗车辙的能力。SBS 改性沥青的相位角δ 呈下降趋势，数值介于基质沥青和高模量沥青之间。而高模量沥青的相位角δ 则最小，这表明高模量沥青在高温情况下所含弹性成分最多，可抵抗变形能力也是最好的。所以在评价高温性能时，较大的G* 值与较小的δ 值是比较好的。

图2 各种沥青的G* /sinδ 与温度的半对数关系图

G* /sinδ 值的大小直接反映了沥青的抗车辙性能的好坏，G* /sinδ 值越大表示其抗车辙性能越好。由图2 可发现，各种沥青的G* /sinδ 与温度有着良好的线性关系，随着温度的增加均减小。无论在何种温度情况下，高模量沥青的G* /sinδ 值最大，SBS 改性沥青的次之。而基质沥青的G* /sinδ 值最小，且在82 ℃时接近为0 kPa，此时基本丧失抵抗车辙能力。参考它们曲线的斜率，与G* 曲线的斜率基本一致，说明它们对温度依赖性与之前分析是相同的。结合之前关于复数剪切模量G* 与相位角δ 的分析来看，高模量沥青的抗车辙性能最好，SBS 改性沥青次之，基质沥青最差。

2.2 频率扫描

动态剪切试验中将角速度ω 设定为10 rad/s，这是因为superpave 规范是将70 km/h 定位为标准速度进行换算得来的。但是路面实际行车荷载是动态的加载效应，不同频率状态下所表现出来的性能也是不一样的，所以只从单一频率来分析材料性能是不够的。选取在一个特定温度(50 ℃)下，通过对沥青进行频率扫描，检测G* /sinδ 值的变化。频率扫描范围为1～100 rad/s。

图3 50 ℃下各种沥青的G* /sinδ 与频率的半对数关系图

由图3 可知，在50 ℃条件下，随着频率的增加，三种沥青的G* /sinδ 值均变大，并且均呈现出较好的线性关系。高模量沥青的G* /sinδ 值最大，SBS 改性沥青的模量次之，基质沥青的最小。高模量沥青的G* /sinδ 值从1 rad/s 时的8 kPa 上升至100 rad/s 时的125 kPa;SBS 改性沥青的G* /sinδ值则从3.9 kPa 上升至107 kPa;基质沥青的G* /sinδ 值则从1.3 kPa 上升至106 kPa。频率越大，三者之间的差异就越小。频率越低则意味着行车速度较慢，此时三种沥青的G* /sinδ值均较低，这意味着抵抗车辙能力也越弱。停车场、陡坡道等地方的车辙痕迹就是很好的例子，这些地方的行车速度慢，变形较大，所以更容易出现车辙。而随着频率升高，行车速度加快，荷载与路面的接触时间段，变形小，不容易产生车辙，此时它们的抗车辙性能也更好，直接在图表上反映出来的就是G* /sinδ 的变大。三种沥青在频率逐渐增大时，G* /sinδ 值之间的差异越来越小。综合分析，高模量沥青在高温、低频阶段所具备的抗车辙能力是最好的，而随着频率逐渐增大，三种沥青的抗车辙能力逐渐趋于接近。

2.3 应变扫描

应变水平的选取与路面结构有着很强的联系，应变值选取的较小则意味着路面结构较强，反之则较弱。而DSR 试验所选取的应变水平值一般是固定的，这与实际路面结构强度是不一致的，所以为了恰当的评价其高温稳定性，要对其进行应变扫描，以便分析其不同应变条件下的高温稳定性。

图4 50 ℃下各种沥青的G* /sinδ 与应变的关系图

图5 70 ℃下各种沥青的G* /sinδ 与应变的关系图

由图4 可知，在50 ℃条件下，高模量沥青的车辙因子最大，SBS 改性沥青次之，基质沥青最小。高模量沥青的车辙因子基本不受到应变的影响，基本呈现一条直线，这说明高模量沥青在承受较大的应力时不会发生变形。而SBS 改性沥青的车辙因子呈一个微弱的下降趋势，由25.23 kPa 下降至23 kPa。减小程度最大的是基质沥青，下降了2.8 kPa。由图5 可知，在70 ℃条件下，各种沥青的车辙因子大小排序与50 ℃下一致，但是曲线形状出现了明显的不同。基质沥青的车辙因子很小，且其车辙因子曲线基本呈现一条直线。参考之前的温度扫描分析，基质沥青的相位角δ 在70 ℃时已接近90°。这说明基质沥青的主要成分已变为粘性成分，基本丧失了抵抗车辙的能力，失去了对应变的依赖性。SBS改性沥青在70 ℃时仍具备一定的抗车辙能力，但是与高模量沥青相比存在明显差距。高模量沥青的车辙因子曲线虽然呈现一条下降的曲线，由5.4 kPa 下降到了3.5 kPa，但是在整个应变扫描范围内都要比其他沥青表现出更好的抗车辙性能。究其三者沥青车辙因子下降的原因，温度占有主导因素。温度升高导致沥青粘性成分的增多，相位角δ 增大，进而导致变形更容易，这就会使得G* /sinδ 值的变小。综合比较这三种沥青来看，高模量沥青无论是在50 ℃还是70 ℃情况下，其受应变影响程度最小，即使在高温情况下，在不同应变条件下的抗车辙性能仍最佳。SBS 改性沥青处于中间阶段，高温条件下没有丧失抵抗车辙能力，与高模量沥青相比差距明显，但是仍优于基质沥青。基质沥青在高温情况下，基本丧失了对车辙的抵抗能力，此时受应变的作用较小，这主要还是由温度作用引起的。

3 结 论

通过从不同温度、频率以及应变条件下的试验可以看出，在分析沥青的高温稳定性时，不能简单的根据车辙因子大小进行判断，而是应该综合分析，根据实际所需情况进行综合评价。具体分析结论如下:

(1)在温度逐渐升高的情况下，三种沥青的G* 和G* /sinδ曲线均呈线性下降，高模量沥青的G* 和G* /sinδ值最大，SBS 改性沥青次之，基质沥青的最小。基质沥青的δ值逐渐增大接近90°，SBS 改性沥青的δ 值逐渐减小，高模量沥青的δ 则最小。且高模量沥青和SBS 改性沥青的温度敏感性比基质沥青较小。在整个高温范围内，高模量沥青的抗车辙性能要好于SBS 改性沥青和基质沥青。

(2)在50 ℃时，三种沥青的G* /sinδ 值随频率的增加而增加，在低频阶段，高模量沥青的G* /sinδ 最大，SBS 改性沥青次之，基质沥青最小。随着频率逐渐往高频发展，三者之间的差异减小。说明在高温、低频范围内，高模量沥青具有更好的抗车辙性能。

(3)50 ℃时，除基质沥青的G* /sinδ 值随应变的增大而降低，SBS 改性沥青和高模量沥青的G* /sinδ 基本没有变化;70 ℃时，高模量沥青的G* /sinδ 随应变增加呈下降趋势，SBS 改性沥青和基质沥青的G* /sinδ 基本无变化，但是高模量沥青的G* /sinδ 始终要比其他两种沥青要高。说明，高模量沥青在高温、重载时的抗车辙能力要优于其余两种沥青。

［1］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京:人民交通出版社，2011:107－108.

［2］美国沥青协会，江苏省交通科学研究院等.高性能沥青路面(superpave)基础参考手册［M］.北京:人民交通出版社，2005:25－35.

［3］郭四泽.高模量沥青结合料的SHRP 试验研究［J］. 公路与汽运，2010，(1):84－86.

［4］扈少华.添加剂型高模量沥青混合料特性及其应用技术研究［D］. 山东建筑大学，2013.

［5］马莉骍.沥青及沥青混合料老化过程中的粘弹性能研究［D］.武汉理工大学，2012.

［6］袁迎捷.基于Superpave 的沥青胶浆流变特性与级配优化研究［D］.长安大学，2004.