60℃零剪切粘度ZSV指标在高速公路养护沥青评价中的应用

祝争艳，江瑞龄，孟令国

(江苏现代路桥有限责任公司 南京 210049)

60℃零剪切粘度ZSV指标在高速公路养护沥青评价中的应用

祝争艳，江瑞龄*，孟令国

(江苏现代路桥有限责任公司 南京 210049)

根据高速公路养护工程的不同情况，通过试验室模拟现场情况制备相应条件的SBS改性沥青样品，采用动态剪切流变仪进行动态频率扫描试验，并采用Carreau模型进行多项式拟合得到不同样品的60℃ZSV。试验结果表明，储存温度越高、储存时间越长，其改性沥青的ZSV降低的幅度越大，说明养护工程中，改性沥青高温下不能长期储存；随着循环次数的增多，SBS改性沥青60℃ZSV整体呈现下降的趋势，且在相同循环次数时，60℃ZSV在170℃降温至室温条件下较150降温至130℃下降幅度大，说明在养护工程周期较长的时候，改性沥青不宜多次循环加热，且储存温度不宜过高。

高速公路；养护工程；SBS改性沥青；ZSV；评价

0 引言

SBS改性沥青可以有效改善沥青混合料的温度稳定性、形变模量、低温弹性和塑性，因此，在高速公路养护中也得到广泛的应用。与新建工程相比，高速公路养护工程SBS改性沥青使用具有存储时间长、出场温度高、反复加热等特点，容易导致其高温性能衰减、抗疲劳性能变差等问题。针对这种问题，仅用现行规范中规定的常规指标不能准确评价养护用沥青的路用性能，因此有必要增加对SBS改性沥青在养护工程中应用的高温性能评价指标[1-3]。

目前传统指标如针入度指数、软化点、60℃动力黏度等对重交沥青评价较好，但对改性沥青不能合理评价[4-5]。美国Superpave 沥青胶结料规范中提出车辙因子G*/sinδ进行沥青高温性能评价，但是车辙因子和改性沥青混合料性能关联性较差[6-8]，Andcrson[9]认为针对改性沥青高温性能评价，零剪切粘度ZSV具有比抗车辙因子更好的适用性，可以很好地反映改性沥青高温性能。为探讨高速公路养护用SBS沥青高温性能评价指标，本文采用5%SBS含量沥青为样本，通过试验分析ZSV指标在高速公路养护用沥青评价的合理性，并用软化点指标与其进行对比分析，为准确评价高速公路养护用改性沥青高温性能提供依据。

1 零剪切粘度ZSV的测试方法

60℃零剪切黏度ZSV[10-11]是沥青胶结料本身固有的性质，当剪切速度非常小的极限情况下，其黏度表现为不依赖于剪切速率的恒定值。改性沥青是一种非牛顿流体，在较低的剪切速度下的粘度与车辙变形非常相似，所以用ZSV来表征改性沥青的高温性能较为合适。60℃时的ZSV的测定方法[12-13]包括：

①采用动态频率扫描试验测定沥青动黏度，再以图形外延法得到频率接近0时的黏度；②采用稳态流动试验测定不同剪切速率下的黏度，在剪切流变曲线上直接量取或用流变模型拟合得到极低剪切速率下的ZSV；③采用静态蠕变试验测试沥青的蠕变稳定状态，以流变模型拟合计算得到ZSV；④采用重复蠕变恢复试验结果拟合计算得到ZSV。

本文对不同储存条件下所获取的改性沥青样品进行动态频率扫描试验，得到频率与粘度的关系曲线，并通过多项式拟合得到了相对应的零剪切粘度，研究[14-17]表明采用Carreau模型优于Cross模型，因此本文采用Carreau模型进行多项式拟合得到ZSV。

Carreau模型如下：

式中：η为黏度(Pa·s)；η0为零剪切黏度，Pa·s；η∞为无限大速率黏度黏度，Pa·s；ω为剪切速率，1/s；K和m为材料参数。

2 确定试验室内模拟养护工程现场存储条件

在高速公路养护工程中，SBS改性沥青在不同的储存温度、储存时间和储存过程中加热的次数等条件下，会影响其各项性能指标，并呈现不同程度的衰减。根据调研，现场沥青存储条件一般情况下分为两类：第一类是相同存储温度条件下存储不同时间；第二类是不同储存温度条件下相互转换[14]。根据现场两类储存条件，试验室内对存储条件进行简化模拟，第一类情况见表1，第二类情况表2。

表1 试验室内模拟第一类情况(相同温度下存储)表

表2 试验室内模拟第二类情况(不同温度下转换存储)表

3 ZSV试验结果及分析

通过试验室制备各种储存条件样品，按不同养护条件下，采用软化点指标找出极限存储条件后再采用DSR流变仪进行动态频率扫描试验，并对两个指标进行对比分析。

3.1 持续保温状态对SBS改性沥青性能影响3.1.1 持续保温状态对SBS改性沥青软化点的影响

通过环球法试验对不同储存时间下制备的SBS改性沥青样品进行软化点试验，得到软化点和存储时间及反复循环次数的关系曲线，结果如图1～图3所示。

图1 储存时间对SBS改性沥青软化点的影响规律Fig.1 Effect of storage time on SBS modified asphalt softening point

由图1储存时间对SBS改性沥青软化点的影响规律，呈现了软化点随着储存时间和储存温度的变化情况。从结果可以看出，储存温度越高、储存时间越长，其改性沥青的软化点降低的幅度越大。

图2 反复加热次数对SBS改性沥青软化点的影响规律Fig.2 Effect of repeated heating times on softening point of SBS modified asphalt

由图2可知，两种保温冷却循环条件对SBS改性沥青软化点随循环次数的影响程度不同。随着循环次数的增多，SBS改性沥青软化点整体呈现下降的趋势，且在相同循环次数时170℃降温至室温较150℃降温至130℃下降幅度大。

养护工程中通常要求软化点值≥80℃，以此为控制条件，得到以下结论：①当储存温度为170℃时，样品加热时间不超过36 h；当储存温度为150℃时，样品加热时间不超过132 h；当储存温度为130℃时，样品加热时间不超过216 h；②当循环条件为170℃到室温时，极限循环次数为1次；当循环条件为150～130℃时，极限循环次数为3次。

3.1.2 持续保温状态对SBS改性沥青60℃ZSV的影响

通过DSR流变仪采用稳态流动试验对以3.1.1得到的极限条件在不同储存时间下制备的SBS改性沥青样品进行频率扫描试验，得到频率与粘度的关系曲线，结果如图3～图5所示。

图3 沥青扫描频率与粘度的关系曲线(170℃)Fig.3 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity(170℃)

图4 沥青扫描频率与粘度的关系曲线(150℃)Fig.4 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity(150℃)

图5 沥青扫描频率与粘度的关系曲线(130℃)Fig.5 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity(130℃)

对通过动态剪切流变仪经频率扫描所得到的频率与粘度的关系数据采用Carrera模型获得多项式曲线，得到不同储存温度下SBS改性沥青的60℃ZSV，结果如图6所示。

图6 储存时间对ZSV的影响规律Fig.6 Effect of storage time on ZSV

图6是储存时间对SBS改性沥青60℃ZSV的影响规律曲线，呈现了60℃ZSV随着储存时间和储存温度的变化情况。从结果可以看出，储存温度和储存时间都对ZSV有较大的影响，具体体现在，储存温度越高、储存时间越长，其改性沥青的ZSV降低的幅度越大。

3.2 循环加热对SBS改性沥青60℃零剪切黏度的影响

通过DSR流变仪采用稳态流动试验对不同循环次数下制备的SBS改性沥青样品进行频率扫描试验，得到频率与粘度的关系曲线，结果如图7、图8所示。

图7 沥青扫描频率与粘度的关系曲线(170℃降温至室温)Fig.7 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity (170℃ to room temperature)

图8 沥青扫描频率与粘度的关系曲线(150℃降温至130℃)Fig.8 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity (150℃ to 130℃)

对通过动态剪切流变仪经频率扫描所得到的频率与粘度的关系数据采用Carrera模型获得多项式曲线，得到不同储存温度下SBS改性沥青的60℃ZSV，结果如图9所示。

由图9可知，两种保温冷却循环条件对SBS改性沥青60℃ZSV随循环次数的影响程度不同。随着循环次数的增多，SBS改性沥青60℃ZSV整体呈现下降的趋势，且在相同循环次数时170℃降温至室温较150℃降温至130℃下降幅度大，说明SBS改性沥青的高温性能逐渐变差。

图9 循环次数对ZSV的影响规律Fig.9 Effect of cycle times on ZSV

SBS改性沥青在不同存储条件下高温性能逐渐衰减的原因主要是一方面在持续高温下SBS聚合物发生降解至小分子，另一方面SBS与沥青在高温下所形成的交联键发生了断裂，使体系的ZSV减小即高温性能变差。

4 结论

根据试验室模拟养护工程现场条件对SBS改性沥青进行制样，对不同的样品通过动态剪切流变仪经频率扫描试验得到的频率与粘度的关系数据，再采用Carrera模型获得多项式曲线，得到不同养护条件下SBS改性沥青的60℃ZSV，得出以下结论：

(1)确定了养护工程用SBS改性沥青现场施工的实验室内模拟条件，其中储存温度选取170℃、150℃和130℃，保温冷却循环选取170℃至室温、150℃至130℃；

(2)根据软化点值提出了不同存储温度条件下的极限存储时间和不同循环条件下的极限循环次数。

(3)储存温度越高、储存时间越长，其改性沥青的ZSV降低的幅度越大，说明养护工程中，改性沥青高温下不能长期储存。

(4)随着循环次数的增多，SBS改性沥青60℃ZSV整体呈现下降的趋势，且在相同循环次数时170℃降温至室温较150℃降温至130℃下降幅度大，说明在养护工程周期较长的时候，改性沥青不宜多次循环加热，且储存温度不宜过高。

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The Application of 60℃ ZSV Index in the Evaluation of Asphalt of Highway Maintenance

Zhu Zhengyan，Jiang Ruiling，Meng Lingguo

(Jiangsu Sundai Road & Bridge Co.，Ltd，Nanjing 210049)

According to the different situation of expressway maintenance engineering，SBS modified asphalt samples of corresponding conditions were prepared through laboratory simulation.Dynamic frequency sweep test was carried out by using dynamic shear rheometer.60℃ ZSV values of different sample was obtained by polynomial fitting method using Carreau model.Thetest results showed that the higher the storage temperature and the longer storage time，the greater decreasing amplitude of modified asphalt ZSV.This indicated that in the process of maintenance engineering，the modified asphalt can’t be stored for a long time in high temperature condition.60℃ ZSV of SBS modified asphalt has a decreasing trend with the increasing number of the cycles.The decrement of 60℃ ZSV from 170℃ to room temperature was bigger than that from 150 ℃ to 130 ℃ in the same number of cycles.It was not appropriate to repeatedly heat the modified asphalt during in a long period maintenance project and the exorbitant storage temperature was not recommended.

expressway maintenance engineering；SBS modified asphalt；ZSV；evaluation

2016-06-20

2016年江苏省交通科研项目(2016707-2)

祝争艳，硕士，高级工程师。研究方向：道路工程养护。

*通信作者：江瑞龄，硕士，教授级高级工程师。研究方向：道路工程养护。E-mail：jiangah@sina.com

祝争艳，江瑞龄，孟令国.60℃零剪切粘度ZSV指标在高速公路养护沥青评价中的应用[J].森林工程，2017，33(2)：83-87.

U 418

A

1001-005X(2017)02-0083-05