综合多维因素的路用基质沥青低温性能分析

冯保杰 栗振锋 李 彤

(太原科技大学交通与物流学院，山西 太原 030024)

0 引言

沥青路面因为其良好的力学特性，在全国范围内应用极其广泛。而且在目前，在建的公路项目90%以上都在使用沥青混凝土路面[1]。但是沥青在低温状态下容易产生开裂破坏，而开裂破坏不仅会对路面的外观造成破坏，同时对路面的使用功能也会产生很大影响。闻名全球的美国SHRP计划，其重要的研究内容之一就是沥青的低温机能。根据美国战略公路研究计划(SHRP)的研究结论，沥青对低温性能的贡献率占80%[2,3]。因此，为了研究沥青路面低温开裂，本文从基质沥青入手，基于流变学基本原理，重点研究基质沥青在低温状态下的各性能指标。

1 现有评价方法简介

1.1 我国沥青性能指标

软化点、低温延度、低温针入度，这三大指标是我国常采用的沥青低温性能指标，此外针入度指数PI,10 ℃延度和60 ℃粘度也经常运用于工程实践当中。沥青的低温性能在我国“七五”和“八五”攻关中，进行了一定程度的研究[4]。在有关施工规范中，10 ℃延度被作为评价低温性能的指标。另外，脆点和当量脆点也被当做评价沥青低温性能的重要指标。

1.2 国外道路沥青性能指标概述

国外评价沥青低温性能的指标主要有美国SHRP/SUPERPAVE沥青结合料路用性能规范，加拿大沥青标准，欧洲共同体CEN沥青新标准，澳大利亚沥青标准[5]。在很多国家中，弗拉斯脆点，当量脆点，玻璃化温度和低温流变学等也可以当做评价沥青低温性能的标准。弗拉斯脆点在许多西方国家被作为评价沥青低温开裂性能的指标，然而用弗拉斯脆点评价沥青的低温性能有严重的不足,包括实验重复性较差,试验用的钢片刚度不同,试件制备和降温条件等都会在很大程度上影响实验结果[6]。SHRP(美国战略公路研究计划)就基于流变学方法，并将流变学里的相关参数作为评价沥青路用性能的合理指标。

2 试验方案

2.1 试验材料

本实验材料采用未老化基质镇海70号沥青。

2.2 试验仪器

本实验仪器采用动态剪切流变仪(简称DSR)。

2.3 试验原理

由图1 DSR结构图可以看出，动态剪切流变仪(简称DSR)包括固定板，沥青和振荡板三个主要部分。DSR的工作原理很简单，一般来说，沥青试样放在固定板与振荡板之间，振荡板从A运动到B，然后再反方向从B转向A，继续转到C,最后再改变方向从C转动到A完成一个周期。

2.4 试验方案

沥青路面温度突变和极低温引起的路面开裂，与沥青路面疲劳、车辙共称为沥青路面的三大病害[8-10]。

1)制备沥青试样。

2)调试仪器。

3)进行试验。试验分为两个部分，分别是温度扫描试验和角频率扫描实验。温度扫描实验是将温度控制在在-10 ℃～50 ℃之间，当频率分别为5 Hz,10 Hz,15 Hz,降温速率分别为1 ℃/min，2 ℃/min，3 ℃/min时进行试验并且获得相应的力学响应指标；角频率扫描实验在不同角频率下进行，角频率范围为1 Hz～20 Hz、温度分别为-10 ℃，-5 ℃，0 ℃，5 ℃，10 ℃，30 ℃，40 ℃，50 ℃时进行实验并且获得相应的力学指标。

3 试验结果分析

3.1 降温速率为1 ℃/min时

复粘度，储能模量，损耗模量，复模量和车辙因子的多因素三维分析图如图2～图5所示。

由图2～图5可知，在温度为10 ℃～50 ℃，角频率为5 rad/s～15 rad/s的区域和温度为-15 ℃～10 ℃，角频率为5 rad/s～10 rad/s的区域内，无论是复粘度、储能模量、损耗模量、复模量都随着温度的降低与角速率的增大而增大，但是变化趋势比较平缓；当温度在-15 ℃～10 ℃，角频率在5 rad/s～10 rad/s的区域内，不同的力学性能指标均随着温度的降低与角速率的增大而增大，但是曲面变化趋势比较明显，特别是复粘度在角频率为5 rad/s时，随着温度的降低也逐渐增大，并且变化趋势也相对比较明显。所以，当角频率为15 rad/s时，各力学性能随着温度的变化最明显，即各力学响应指标变化程度为：15 rad/s>5 rad/s>10 rad/s。因此说明：当降温速率在1 ℃/min时，频率分别为5 rad/s，10 rad/s，15 rad/s的各力学指标随着温度的下降而上升。其中，在温度为-15 ℃～10 ℃时，角频率为10 rad/s～15 rad/s时，各指标随着温度的下降而上升，表明在此温度区间内，沥青的各力学性能变化比较快，尤其角频率在15 rad/s时最为明显；在10 ℃～50 ℃时，各力学指标随着温度的下降上升缓慢，并且接近于零。结果表明，基质镇海70号沥青在温度为-15 ℃～10 ℃，角频率为15 rad/s左右时，对沥青的整体性能影响比较大。

由上所知，未老化基质镇海70号沥青在降温速率为1 ℃/min的时候，角频率为15 rad/s时沥青的各力学响应指标较为敏感[11]，进一步研究，角频率固定为15 rad/s时，分析复粘度，储能模量，损耗模量，复模量和车辙因子对沥青低温性能的影响。

由图6可得，当降温速率为1 ℃/min时，各力学性能指标复粘度，储能模量，损耗模量，复模量和车辙因子均随着温度的不断下降而降低；可以比较直观的得到，复模量的变化率最大，而车辙因子的变化率最小，变化率大小顺序依次是复模量>损耗模量>储能模量>复粘度>车辙因子。因此在降温速率为1 ℃/min时复模量更适合来表征基质沥青的低温性能。

3.2 降温速率分别为2 ℃/min和3 ℃/min时

由实验数据可以得到，当降温速率为2 ℃/min时，同样是角频率为15 rad/s时各项力学响应指标变化最为明显。

从图7和图8中可以看出，在未老化基质镇海70号沥青的各项力学响应指标中，复模量在低温段变化最为明显，即变化率最大，所以，复模量也可以作为评价降温速率为3 ℃/min时的沥青低温性能的指标。

图9比较了不同降温速率的复模量变化趋势，当降温速率为1 ℃/min时，随着温度下降复模量的变化最大。所以在降温速率为1 ℃/min时，复模量所评价的未老化基质镇海70号沥青最为敏感。

4 结语

1)通过分析比较各降温速率(1 ℃/min,2 ℃/min,3 ℃/min)下的力学响应指标变化趋势，当角频率为15 rad/s时，各项力学指标最为敏感。

2)通过比较角频率为15 rad/s时的各力学指标可以得到，复模量可以较好的评价未老化基质镇海70号沥青的低温性能。

3)通过比较不同的降温速率(1 ℃/min,2 ℃/min,3 ℃/min)下的复模量可以发现，当降温速率为1 ℃/min时，复模量更能表征未老化基质镇海70号沥青的低温性能。

综上所述，经过分析实验数据可以得到，当降温速率为1 ℃/min，角频率为15 rad/s时，未老化基质镇海70号沥青的复模量可以作为评价其低温性能的指标。