频率扫描下基质沥青相态结构分析

翟文卿，栗振锋

(太原科技大学 交通与物流学院，太原 030024)

道路交通量的快速增长，沥青路面呈现一定的病害，例如拥包、车辙、开裂等，直接影响道路的使用，不仅影响道路的正常使用，还增加了维修资金。最值得引起注意的是道路的使用寿命，影响道路使用年限的因素有路面的高温性能、抗疲劳性能等[1]。

沥青的内部结构很复杂，虽然包含多种化学成份以及非金属元素，还有结构复杂的化合物，但是沥青拥有无定形结构物的一些常见特性[2]。沥青属于粘弹性，一般的基质沥青是均相体，即内部只有一种物质组成，但是温度和频率的不同，也会使沥青的内部发生改变。

logG′-logG″称作Han曲线，它是Han提出用于研究均相聚合物的一种说法，其中G′为存储模量，G″是损耗模量。由于沥青的内部结构相当复杂，是聚合物，进而可以研究在温度变化情况下的Han曲线，从而得到沥青内部的相态结构，分析沥青的道路使用情况[3]。

1 试验结果及其分析

1.1 镇海70#基质沥青Han曲线的温度依赖性

运用DSR进行频率扫描试验，在1～20 rad/s的频率区间内对镇海70#基质沥青做频率扫描试验，运用DSR仪器在温度-10 ℃～50 ℃区域内进行频率扫描，根据实验数据拟合得到Han曲线如图1：

图1 镇海70#沥青的Han曲线

Fig.1Hancurvesof70#asphaltatdifferenttemperature

由图1可知，镇海70#基质沥青不随温度的变化发生变化，说明在此温度区间内该沥青不具有温度依赖性，再由表1得到，该沥青的斜率均大于1，且相关性很强，而Han曲线的变化率可以揭示沥青内部分子的数量的分散情况[3]，当曲线变化率小于1时物质可以当做均相体研究，即该沥青内部只有一种物质的状态。因此，该基质沥青在试验条件内为非均相体。

表1 70#沥青不同温度下的拟合结果

Tab.1 Fitting result of 70# asphalt at different temperature

沥青结果-10 ℃-5 ℃0 ℃5 ℃10 ℃30 ℃40 ℃50 ℃70#斜率1.2661.2691.2711.2491.2541.1991.1901.213相关系 数0.994 630.994 540.994 710.996 640.995 300.996 160.996 560.995 56标准误 差0.009 850.010 480.010 650.005 630.009 640.005 870.004 010.003 01

1.2 各粘弹参量的频率依赖性分析

1.2.1 储存模量、损耗模量的频率依赖性

在线性变化中，均相聚合物的logG′(ω)～logω、logG″(ω)～log(ω)曲线在低频下是直线，其频率分别为2和1.为了研究沥青的相态结构对于不同温度的变化差异，对储存模量和损耗模量进行线性拟合，实验结果如表2所示：

由表2可知，0 ℃以下，沥青的储存模量-频率的变化率小于2，损耗模量-频率的变化率都小于1，更加说明该沥青不是均相体。0 ℃之前，储存模量-频率变化率逐渐增大，5 ℃时忽然减小，之后一直呈现上升趋势；而损耗模量-频率在0 ℃之前一直减小，在10 ℃时逐渐增大，但是都小于1.研究表明，由于温度上升，内部分子变得活跃，在聚合物形成过程中由于内部分子量的不均一性，在该频率较低的区间内储存模量-频率变化率和损耗模量-频率的变化率大致都跟随分布的分子量的增加而呈上升趋势，由表2可以清楚的了解该沥青内部分子数量的多分散情况。

表2 70#沥青不同温度下的拟合结果

Tab.2Fittingresultof70#asphaltatdifferenttemperature

沥青项目结果-10 ℃-5 ℃0 ℃5 ℃10 ℃30 ℃40 ℃50 ℃70#储存模量-频率损耗模量-频率斜率0.9420.9190.8920.8030.8910.9541.0071.100相关系数0.99 9530.99 8200.99 7410.87 4310.99 6850.99 9080.99 9960.99 932斜率0.7440.7240.7020.6430.7090.7940.8450.906相关系数0.99 1030.98 6650.98 4820.87 5190.98 4600.99 1590.99 5850.99 828

图2 频率扫描下沥青储存模量的变化

Fig.2Variationofasphaltstoragemodulusunderfrequencysweep

图3 频率扫描下沥青损耗模量的变化

Fig.3Variationofasphaltlossmodulusunderfrequencysweep

图2、3绘制出对数下两模量随频率变化曲线。可以看出，频率增加，两模量均增大，损失模量增大幅度大于储能模量，表明频率扫描下损失模量更敏感；10 ℃之前，两者都增加，之后却在减小，说明此温度是需要关注的。

按照Han曲线，分析镇海70#沥青在温度变化下的曲线可以得到，随着温度的升高，两个模量均在减小，相比之下很明显损耗模量的减小速度更快，说明伴随温度的升高，沥青内部表现出来的粘性性能比弹性性能下降更快[4]。温度范围内，两个模量对频率依赖性较强，显然温度在10 ℃时，两模量的数值都在下降，频率依赖性呈降低趋势[5]。

1.2.2 抗车辙因子的频率依赖性

图4 频率扫描下沥青车辙因子变化

Fig.4Thechangeofrutfactorunderfrequencyscanning

由图4可知，当温度在0 ℃以下时，抗车辙因子对频率具有依赖性，频率逐渐增大，抗车辙因子也在逐渐增大，温度大于0 ℃时，抗车辙因子对频率的依赖性急剧减弱，当温度达到40 ℃时，抗车辙因子出现平台区，并且为恒定值0.同样可以说明在0 ℃之前可以把该沥青当做均相体研究。众所周知，抗车辙因子与沥青路面的抗车辙能力成正比[7]，由上可知，0 ℃以下该沥青的抗车辙能力增强，说明沥青处于均相体的状态时，其高温稳定性能越好。

1.2.3 疲劳因子的频率依赖性

PG分级中用疲劳因子G*sinδ来描述沥青混合料的疲劳性能[8]，疲劳因子是材料在变形过程中内部摩擦做的功，转换成热能，疲劳因子与材料的抗疲劳性能成反比[9]。

图5 频率扫描下沥青疲劳因子的变化

Fig.5Variationofasphaltfatiguefactorunderfrequencysweep

由上图5可得，横向观察，频率的升高，使得疲劳因子逐渐增大，纵向观察，温度的增大，使得疲劳因子逐渐减小。0 ℃之前该沥青的疲劳因子与频率成正比变化，0 ℃之后，疲劳因子对频率敏感性减小，当温度超过40 ℃时，疲劳因子值为0，曲线由于横坐标平行，不再发生变化，说明在此温度之后沥青的疲劳性能达到最好。

2 结语

(1)运用DSR对镇海70#基质沥青进行动态剪切实验，得到其频率谱，进而分析该沥青的相态结构，得到其路用性能；

(2)分析整个频率区间Han曲线，可以得到，基质沥青可以当做非均相体研究；

(3)0 ℃之前该沥青高温稳定性能良好，可以抵抗永久变形能力很强；疲劳性能较差；

(4)根据其路用性能，可以在温度接近0 ℃时对沥青路面可能出现的破坏提前做好防护措施，延长道路的使用寿命，提高沥青路面的品质。但是试验只判定一种沥青地性能，不具有广泛性，之后地学者可以选取多种基质沥青进行比较，探究路用价值。

参考文献：

[1] 王平,曹强.寒冷地区耐久性沥青混凝土路面材料组成设计与性能研究[D].天津：天津大学,2014.

[2] 于祥,张宝昌.动态硫化EVA/SBS复合改性沥青动态力学性能的研究[J].橡胶工业.2008,55(9)：529-533

[3] 詹晓丽.基于DMA方法对沥青粘弹性能的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2007.

[4] 吴小维.高密度聚乙烯改性沥青的制备与性能研究[D].山东，东营：中国石油大学,2012.

[5] 罗璇.超高分子量聚乙烯/线性低密度聚乙烯共混体系动态流变学行为研究[D].湖南：湘潭大学,2012.

[6] 金康康.高速公路沥青路面温拌薄层罩技术研究[D].重庆：重庆交通大学,2009.

[7] 王大伟.RET改性沥青及其混合料的技术特性试验研究[D].重庆：重庆交通大学,2013.

[8] 吴少鹏,江承建.老化沥青胶结料的疲劳特性研究[J].武汉理工大学学报.2013,37(3)：451-455

[9] 杜亚丽,常春清.基于DSR试验的胶粉改性沥青性能评价.内蒙古公路与运输[J].2010,16(1)：16-18