基于流变特性的温拌沥青温度与频率敏感性分析

唐培培，申爱琴，肖　葳

(1.长安大学　特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西　西安　710064；2.交通运输部管理干部学院，北京　101601；

3.嘉兴市交通工程质量安全监督站，浙江　嘉兴　314001)



基于流变特性的温拌沥青温度与频率敏感性分析

唐培培1，2，申爱琴1，肖葳3

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安710064；2.交通运输部管理干部学院，北京101601；

3.嘉兴市交通工程质量安全监督站，浙江嘉兴314001)

摘要：为进一步分析温拌剂对沥青流变性能相关参数的影响，采用动态剪切流变仪(DSR)对不同温拌剂种类和掺量的温拌沥青进行流变特性测试，通过模量和相位角数据分析不同温拌沥青的温度敏感性及频率敏感性。结果表明：Sasobit温拌剂掺量大于2.5%时，在30～50 ℃范围内沥青的黏弹性结构相对稳定，可有效提高基础沥青的高温等级。随着频率的增加，Sasobit温拌沥青对基础沥青的模量增效最大，相位角比基础沥青有所降低。对于Leadcap温拌沥青，其温度稳定性和高温等级均随掺量的增加而提高。扫描频率范围内，Leadcap掺量为3%时模量显著增大；频率高于40 rad/s时，Leadcap和WFP温拌沥青发生相位角上升和紊乱现象；不同掺量WFP温拌沥青的模量和相位角与基质沥青的变化趋势基本重合。综合流变试验数据分析，Sasobit、Leadcap和WFP温拌剂掺量分别在2.5%～3.5%、2%～3%和6%～7%时有利于改善沥青的高温稳定性。

关键词：道路工程；温拌沥青；流变测试；温度与频率敏感性；相位角

0引言

近年来，温拌技术因其在不降低沥青混合料路用性能的前提下，可降低拌和温度和碾压温度，减少能源消耗，降低沥青混合料生产过程中有害物质的排放量等诸多特点，在高速公路、机场道路、隧道铺装工程中得到了广泛的应用。温拌技术的实现原理是利用外加添加剂或者其他方式降低沥青的高温黏度，提高其流动性[1]。目前，各国学者多集中于对某特定沥青或沥青混合料的高、低温性能、抗水损害性能等路用性能的探讨[2-5]，而针对不同种类和掺量条件下温拌剂对沥青流变性能相关参数的研究也不够系统全面，至于温拌沥青材料对温度和频率的敏感性分析较少[6-8]。因此，掌握温拌沥青材料在环境状态如受力、温度、频率等因素的影响规律，具有重要的意义。

对温拌沥青的温度及频率敏感性分析，一些专家和学者做了相关研究。湖南大学吴超凡等人通过试验研究了温拌添加剂对沥青针入度和PG高温等级的影响[9]；长安大学杜少文等人研究了不同温拌添加剂对SBS改性混合料压实温度、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳特性的影响[10]；江苏省交通科学研究院的刘伟等人研究了Sasobit和Evotherm 温拌剂对沥青胶结料性能的影响[11]；广东的徐士翠等人对基于软化点的温拌沥青老化动力学进行了研究[12]；兰州交通大学李波等人研究了温拌沥青混合料温度变化的灰色预测模型[13]。现有研究成果显示，目前的研究对温拌沥青的频率敏感性分析较罕见，而温度敏感性分析只局限于某种特定温拌沥青的温度敏感性，且普遍采用针入度指数PI、黏温指数VTS及针入度黏度指数PVN等感温性指标。其中针入度指数仅仅反映出5～30 ℃之间的温度敏感性，不能涉及到更高温度；PVN指数是根据25 ℃针入度和60 ℃黏度计算得出，能够反映较宽温度范围内的温度，但是计算模型仍受到一些研究文献的质疑[14-15]。

为了探索温拌沥青的温度敏感性及频率敏感性，本文基于沥青的流变性质，对不同温拌剂种类和掺量的温拌沥青进行温度扫描和频率扫描试验，获取不同温拌沥青的模量和相位角数据，以此来分析对比不同温拌沥青的温度敏感性及频率敏感性差异，为实际应用中温拌剂种类、掺量的选取和温拌沥青性能的评价提供参考。

1原材料与试验方案

基质沥青选用中海A级70号沥青，沥青技术性能指标见表1。

表1　基质沥青与温拌沥青技术性能指标

注：表1中Leadcap、Sasobit和WFP温拌剂采用各自典型掺量，分别为沥青质量的1.5%，3%和7%。

温拌剂分别为有机添加剂Leadcap、Sasobit和WFP矿物发泡型温拌剂。参考厂家提供的添加范围，Leadcap掺量按照0%，1%，2%，3%进行沥青混兑，Sasobit掺量按照0%，1.5%，2.5%，3.5%进行沥青混兑，WFP矿物发泡型温拌剂掺量按照0%，6%，7%，8%进行沥青混兑。

基于流变测试技术，采用美国某公司Advanced Rheometer(AR2000EX)扩展性动态剪切流变仪，进行温度扫描和频率扫描等试验，获取不同种类不同掺量的温拌沥青的模量及相位角数据，以反映各温拌沥青的温度敏感性和频率敏感性。

2不同温拌沥青温度敏感性分析

采用流变测试中温度扫描技术，获取不同温度下温拌沥青的模量和相位角数据，同时按照模量变化率、相位角变化拟合系数综合考察，以此来反映不同温拌沥青的温度敏感性。

试验参数设置：转子直径25 mm，转子间隙1 mm，转速10 rad/s，应力水平100 Pa，温度范围10～60 ℃。

2.1模量与相位角随温度变化影响

Leadcap、Sasobit和WFP温拌剂掺量分别为沥青质量的1.5%，3%和7%，进行温拌沥青温度扫描试验。不同温拌沥青的温度扫描曲线结果见图1、图2。由图1、图2可知：3种温拌沥青均是在试验温度下呈现黏弹特征，模量随着温度升高而降低，相位角随温度升高而增加；60 ℃时相位角均为85°以上，温度敏感性比较明显。从相位角角度分析，低于50 ℃时，Sasobit温拌沥青相位角最小，并在35～50 ℃范围内曲线斜率变小；高于50 ℃时，WFP温拌沥青相位角最大。

图1　不同温拌沥青模量与温度关系曲线Fig.1　Curves of modulus vs.temperature of different warm mix asphalts

图2　不同温拌沥青相位角与温度关系曲线Fig.2　Curves of phase angle vs.temperature of different warm mix asphalts

从模量角度分析：沥青模量与温度的关系为指数规律，根据温度扫描范围，计算得到不同掺量温拌沥青模量-温度拟合公式，见表2。

由各拟合公式可以看出，若以模量对数坐标下，可以绘制出相关性良好的单对数直线，此时模量对温度的敏感性可以用曲线斜率来表示。根据表2的拟合结果作出不同掺量下各温拌沥青的温度敏感对比图，见图3。

由图3可知：不同掺量各温拌沥青的拟合斜率在-0.15～-0.17之间，变化范围不大，每种温拌沥青的温度敏感性变化规律不相同：Leadcap温拌沥青随掺量增加拟合斜率先减小后增大，(绝对值先增大后减小)，掺量为1.5%时温度敏感性最高，3.5%时温度敏感性最低，增加掺量对沥青的温度稳定性有所改善；Sasobit温拌沥青随掺量增加拟合斜率变小(绝对值变大)，温度敏感性增强，掺量高于2.5%时，拟合斜率变化不大；WFP温拌剂在掺量为7%时拟合斜率最小(绝对值大)，温度敏感性高，其余掺量时温度敏感性均有所降低。

表2　不同温拌沥青的模量-温度拟合公式

图3　不同温拌沥青的温度敏感性(拟合斜率)对比Fig.3　Comparison of temperature sensitivity (fitting slope) of different WMAs

对不同掺量WFP温拌沥青和Sasobit温拌沥青分别进行温度扫描试验，结果见图4、图5。结果可知：温度高于20 ℃时，随着掺量的增加，WFP温拌沥青与基质沥青的变化趋势相同且彼此重合；而Sasobit随着掺量的增加，相位角曲线开始与基质沥青曲线有所差别，并在2.5%掺量后，在30～50 ℃ 范围出现一个平台，此时沥青的黏弹性结构相对稳定，有利于高温条件下沥青的稳定性。

图4　不同掺量WFP温拌沥青相位角与温度关系曲线Fig.4　Curves of angle phase vs.temperature of WMA with different WFP dosages

图5　不同掺量Sasobit温拌沥青相位角与温度关系曲线Fig.5　Curves of angle phase vs.temperature of WMA with different Sasobit dosages

2.2不同温拌沥青高温等级

美国SHRP的沥青PG分级以不同温度区间内的特定性能作为划分沥青等级的依据，把沥青指标与路用性能联系起来，有利于沥青胶结料的工程选用。温拌剂的种类和掺量对沥青的等级有一定的影响，通过温度扫描试验数据计算得出不同掺量温拌沥青的高温等级，有助于确定其适用的环境和交通条件，也可进一步对温拌剂的掺量进行优化，为工程应用提供参考。研究表明：在高温范围内沥青G*/sinδ与温度成半对数直线关系，由不同温度条件下各掺量温拌沥青的模量和相位角数据可得到log(G*/sinδ)-T的回归直线式，G*/sinδ=C时的温度即为不同掺量不同温拌沥青的高温等级值[16]。按照未老化样品C=1 kPa为临界模量标准，不同掺量温拌沥青的高温温度等级如表3所示。可知，3种温拌剂中，Sasobit对基础沥青高温等级的提高效果最为明显，其中在掺量为2.5%时高温温度等级最高， Leadcap和WFP分别在掺量为3%和6%时高温等级最高。

表3　不同温拌沥青的临界高温温度等级

3不同温拌沥青频率敏感性分析

不同掺量、不同温拌剂沥青对频率的敏感性有所不同，本文对3种温拌沥青在各自相应掺量下进行频率扫描试验，获取模量与相位角数据，对频率敏感性进行分析。

试验参数设置：转子直径25 mm，荷载100 Pa，温度60 ℃，频率范围0.05～600 rad/s。

图6　不同掺量温拌沥青模量与频率关系曲线Fig.6　Curves of modulus vs.temperature of WMA with different dosages

图7　不同掺量温拌沥青相位角与频率关系曲线Fig.7　Curves of angle phase vs.temperature with different WFP dosages

频率扫描试验结果见图6～图7。通过分析可知：

(1)所有沥青及温拌沥青均呈现高频高弹的特点。从模量增效特点上看，以Sasobit对基础沥青的模量增效最为明显，且随着掺量的增加模量变化不明显；Leadcap次之，在掺量达到3%时模量有显著增大。而矿物发泡型WFP温拌沥青不同掺量下的模量曲线与基础沥青的相差不大，有所重叠。

(2)从相位角来看：在40 rad/s以下，3种温拌沥青相位角均呈现一定的规律性，Leadcap和WFP温拌沥青相位角随频率增加整体趋势下降，Sasobit温拌沥青在0.2～0.3 rad/s范围内相位角出现峰值，随后随频率增加而降低。结合模量的增长特点，可以解释行车速度越快对沥青路面破坏越少的现象。40 rad/s以上时，每种温拌沥青有着不同的黏弹结构变化，均发生相位角上升和紊乱现象，结构受到频率作用的破坏。Sasobit温拌沥青则在100 rad/s后才发生明显的相位角紊乱现象，说明Sasobit在60 ℃高温条件下，具有较好的黏弹性结构稳定性。Leadcap温拌沥青相位角比基质沥青有所增加，Sasobit温拌沥青相位角比基质沥青有所降低，WFP温拌沥青相位角与基质沥青变化不大。在各自掺量范围内，各温拌沥青的相位角无明显差异。

4结论

(1)试验温度下不同温拌沥青均呈现黏弹特征，模量随着温度升高而降低，相位角随温度升高而增加；60 ℃时相位角均为85°以上，温度敏感性比较明显。

(2)随着温拌剂掺量的加入，Sasobit温拌沥青温度敏感性显著增强；掺量大于2.5%时，在30～50 ℃范围内沥青的黏弹性结构相对稳定，能有效提高基础沥青的高温等级。随着频率的增加，Sasobit温拌剂对基础沥青的模量增效最大，相位角比基础沥青有所降低。

(3)掺量范围内，Leadcap温拌剂对沥青的温度稳定性和高温等级均随掺量的增加而提高；随着频率的增加，Leadcap在掺量为3%时模量显著增大；频率高于40 rad/s时， Leadcap和WFP温拌沥青发生相位角上升和紊乱现象，结构受到频率作用的破坏；WFP矿物发泡型温拌沥青的模量和相位角与基质沥青的变化趋势基本重合。

(4)综合来看，根据各温拌沥青在不同掺量下的流变测试结果以及对温度与频率敏感性分析可知，Sasobit温拌剂在掺量范围为2.5%～3.5%时有利于高温条件下沥青的稳定性；Leadcap温拌剂在掺量范围为2%～3%时温度敏感性较低，可改善沥青的高温稳定性；WFP温拌剂在掺量范围为6%～7%时，沥青的高温等级有所提高。

参考文献：

References:

[1]李德超.温拌沥青混合料技术综述[J].石油沥青, 2008, 22(5):1-5.

LI De-chao.Review on Research and Application of Warm Mix Technology [J].Petroleum Asphalt, 2008,22(5):1-5.

[2]尹利华, 延西利, 陈晓瑛.沥青材料感温性与其混合料高温稳定性关系研究[J].公路交通科技, 2008, 25(1):38-42.

YIN Li-hua, YAN Xi-li, CHEN Xiao-ying.Study of Relation between Asphalt Temperature Susceptibility and Its Mixture High Temperature Stability[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(1):38-42.

[3]王恒斌, 葛折圣.布敦岩沥青改性沥青胶浆高温动态流变性能的试验研究[J].公路交通科技,2008, 25(9):63-66.

WANG Heng-bin, GE Zhe-sheng.Test of Dynamic Rheology Properties of Buton Rock Asphalt Modified Asphalt Cement at High-temperature [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(9):63-66.

[4]李华平, 陈燕娟.温拌添加剂对橡胶沥青流变性能的影响[J].中外公路, 2010, 30(6):190-194.

LI Hua-ping, CHEN Yan-juan.Effect of Warm Mix Agent on Rheological Property of Rubber Asphalt [J].Journal of China and Foreign Highway, 2010, 30(6):190-194.

[5]张镇, 刘黎萍, 汤文.Evotherm温拌沥青混合料性能研究[J].建筑材料学报, 2009, 12(4):438-441.

ZHANG Zhen, LIU Li-ping, TANG Wen.Research on Performance of Evotherm Warm-mix Asphalt[J].Journal of Building Materials, 2009, 12(4):438-441.

[6]刘立新.沥青混合料黏弹性力学及材料学原理[M]．北京：人民交通出版社，2006.

LIU Li-xin.Principle of Viscoelastic Mechanics and Material Science of Asphalt Mixture [M].Beijing: China Communications Press, 2006.

[7]陈晓瑛, 尹利华, 延西利.沥青材料感温性与其混合料高温稳定性关系研究[J].公路交通科技, 2008, 25(1):38-42.

CHEN Xiao-ying, YIN Li-hua, YAN Xi-li.Study of Relation between Asphalt Temperature Susceptibility and Its Mixture High Temperature Stability[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(1):38-42.

[8]陈俊, 岳学军, 黄晓明.沥青温度敏感性指标评价与附加指标研究[J].公路交通科技, 2007, 24(6):46-49，56.

CHEN Jun, YUE Xue-jun, HUANG Xiao-ming.Evaluation of Temperature Susceptibility Indexes and Additional Index Study[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2007, 24(6):46-49,56.

[9]吴超凡, 曾梦澜, 鲁昌河，等.温拌添加剂对沥青针入度和PG高温等级的影响[J].公路交通科技, 2012, 29(10):16-21.

WU Chao-fan, ZENG Meng-lan, LU Chang-he, et al.Effect of Warm-mix Additive on Penetration and High-temperature Performance Grade of Asphalt Binder [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012, 29(10):16-21.

[10]杜少文, 刘超飞.不同温拌添加剂对SBS改性混合料性能的影响[J].公路,2012(10):151-155.

DU Shao-wen, LIU Chao-fei.Effect of Warm Asphalt Additives on Performance Properties of SBS Modified Asphalt Mixture[J].Highway, 2012(10):151-155.

[11]刘伟, 李强.Sasobit和Evotherm 温拌剂对沥青胶结料性能影响[J].中国水运,2012,12(7):265-266.

LIU Wei, LI Qiang.Impact of Sasobit and Evotherm Warm Mix Agent on Performance of Asphalt Binder[J].China Water Transport, 2012, 12(7):265-266.

[12]徐士翠, 王衍辉, 裴建中.基于软化点的温拌沥青老化动力学研究[J].公路与汽运, 2011(6):87-92.

XU Shi-cui, WANG Yan-hui, PEI Jian-zhong.Research on Aging Dynamics of Warm Mix Asphalt Based on Softening Point [J].Highways and Automotive Applications, 2011(6):87-92.

[13]李波, 姜敏, 曹贵,等.温拌沥青混合料温度变化的灰色预测模型[J].武汉理工大学学报, 2011, 33(8):48-52.

LI Bo, JIANG Min, CAO Gui, et al.Grey Prediction of Temperature Variation during Warm-mix Asphalt Pavement Paving[J].Journal of Wuhan University of Technology, 2011, 33(8):48-52.

[14]JTG F40—2004, 公路沥青路面施工技术规范[S].

JTG F40—2004, Technical Specifications for Construction of Highway Asphalt Pavements[S].

[15]陈华鑫, 李宁利, 张争奇,等.沥青材料的感温性分析[J].长安大学学报:自然科学版, 2006, 26(1):8-11.

CHEN Hua-xin, LI Ning-li, ZHANG Zheng-qi, et al.Temperature Susceptibility Analysis of Asphalt Binders [J].Journal of Chang’an University：Natural Science Edition, 2006, 26(1):8-11.

[16]陈佩茹, 孙立军.常规沥青的针入度等级和PG高温等级间的关系[J].中国公路学报,2003,16(3):15-17.

CHEN Pei-ru, SUN Li-jun.Relationship between Penetration Grade and Performance High Temperature Grade of Conventional Asphalt Binder[J].China Journal of Highway and Transport, 2003,16(3):15-17.

Analysis of Temperature and Frequency Sensitivity of WMA Based on Rheological Property

TANG Pei-pei1，2, SHEN Ai-qin1, XIAO Wei3

(1. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education, Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064, China; 2. Transport Management Institute, Ministry of Transport, Beijing 101601, China;3. Jiaxing Municipal Transport Engineering Quality and Safety Supervision Station, Jiaxing Zhejiang 314001, China)

Abstract：In order to analyze the influence of warm mix agent on the parameters related to rheological property of asphalt, the rheological properties of different types and dosages of warm mix asphalt are tested with dynamic shear rheometer(DSR). The temperature sensitivity and frequency sensitivity of different types of warm mix asphalt are analyzed with the modulus and phase angle data. The result shows that (1) When the dosage of Sasobit warm mix agent is more than 2.5% and within the temperature scope of 30 ℃ to 50 ℃, the viscoelastic structure is relatively stable, and the high temperature level of asphalt can be effectively improved. (2) With the increase of frequency, Sasobit WMA has the highest modulus and lower phase angle compared with basic asphalt. The temperature stability and high temperature level of Leadcap WMA are improved with the increase of dosage of Leadcap. Within the scope of the scanning frequency, the modulus of Leadcap WMA increases significantly at the dosge of 3%. (3) When the frequency is higher than 40 rad/s, the phase angles of Leadcap and WFP WMA rise and have disorder phenomenon. (4) The change trends of modulus and phase angle of WMA with different WFP dosages coincide with those of basic asphalt. Through comprehensive analysis of the test results, when the dosages of Sasobit, Leadcap and WFP mix agent are separately 2.5%-3.5%, 2%-3% and 6%-7%, the high temperature stability of asphalt can be improved.

Key words：road engineering; warm mix asphalt; rheological test; temperature and frequency sensitivity; phase angle

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)03-0007-06

中图分类号：U416.217

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.002

作者简介：唐培培(1983-)，女，天津蓟县人，博士研究生.(81238444@qq.com)

基金项目：中央高校基本科研业务费项目(0009-2014G1211010)

收稿日期：2015-03-10