EVA改性沥青重复蠕变变形特性分析

王爱峰，李自力，李锐铎

(1.河南中州路桥建设有限公司，河南 周口 466000； 2. 河南城建学院，河南 平顶山 467036)

0 引言

我国沥青路面产生高温车辙病害的主要原因是沥青及沥青混合料的高温稳定性较差，在车辆重复荷载作用下，沥青路面出现较大的不可恢复变形，因此许多学者通过对沥青改性的方法来提高沥青混合料的高温稳定性[1-4]，并通过多种试验方法评价沥青及其混合料的高温稳定性[5-9]。其中，基于流变学理论的重复蠕变试验是一种有效的沥青混合料高温稳定性评价方法。本研究利用动态剪切流变仪对EVA改性沥青进行重复蠕变试验，研究其蠕变变形特性，为EVA改性沥青的研究及应用提供一定的理论基础及技术指导。

1 原材料性质

1.1 沥青

使用江苏产阿尔法70#A级道路沥青，其基本性能指标如表1所示。

表1 70#基质沥青基本性能指标试验结果Tab.1 Test results of performance index of 70# matrix asphalt

1.2 EVA

选用沥青改性剂为EVA树脂颗粒，该EVA乙酸乙酯(VA)含量为15%，颗粒直径约0.5 cm，由裕辰隆工程塑料公司生产，如图1所示。EVA塑料颗粒物性表如表2所示。

图1 EVA颗粒Fig.1 EVA particle

表2 EVA共聚物物性表Tab.2 Physical property of EVA copolymer

2 改性沥青制备

将基质沥青在烘箱内加热熔化后保温在(135±5)℃、4 h以上待用，再次将沥青加热到170℃并保温1 h以上待用，再按照3%、6%、9%的掺量将EVA改性剂掺入沥青中，使用高速搅拌装置在170℃下均匀搅拌1 h，可制得EVA改性沥青。利用动态剪切流变仪(DHR-1型)对基质沥青和改性沥青进行流变试验。

3 重复蠕变恢复试验及改性沥青变形特性分析

3.1 重复蠕变恢复试验

重复蠕变恢复试验分别在30℃、40℃、50℃、60℃条件下测得，设定荷载为100 Pa、蠕变加载时间为50 s、蠕变卸载时间为50 s、蠕变循环次数共10次。30℃使用8 mm平行板测定，沥青膜厚度为2 000 μm；40℃、50℃、60℃使用25 mm金属平行板进行蠕变恢复试验，沥青膜厚度为1 000 μm。

3.2 改性沥青的变形特性分析

由图2可知，在所有测试温度条件下，基质沥青的应变均比EVA改性沥青应变大。在第2个蠕变恢复结束时(即试验时间为200 s时)，在30℃、40℃、50℃和60℃条件下，基质沥青的应变分别是EVA改性沥青的165.88倍、310.95倍、293.26倍和438.85倍，说明与基质沥青相比，EVA改性沥青具有明显的高温稳定性。随着EVA掺量的增加，EVA改性沥青的高温稳定性逐渐增强，但抗变形能力的增加幅度不断降低。

图2 加载卸载(前两个周期)应变试验结果Fig.2 Strain test results before and after loading(the first two cycles)

将蠕变恢复试验中，恢复阶段卸载瞬间时的应变用εL表示，恢复阶段最后时刻的残余变形用εP表示，称为永久变形[10]。则εP/εL为永久变形占总变形的比例，表示变形中黏性部分占据的比例[11]。

对初始应变进行归一化处理，并将处理后的初始应变绘制成散点图如图3所示。基质沥青的残余变形经过49 s的变形恢复比例为99.40%，说明基质沥青在经历了50 s的变形恢复阶段后仅仅恢复了0.6%的变形。对于改性沥青，残余变形比例则逐渐增大，3%、6%、9%EVA改性沥青的残余变形比例依次为99.07%、71.52%、67.60%。随着掺量的增加，改性沥青的变形恢复能力逐渐提高，弹性性能有了较大增强。从图3中可以看出，如果恢复时间延长，延迟弹性恢复还将继续，表明改性沥青的残余变形中仍有尚未恢复的延迟弹性变形。

图3 沥青在60℃ 第1次卸载恢复曲线 (归一化处理)Fig.3 Unloading and recovery curve of asphalt for the first time under 60℃(normalization processing)

表3 60℃基质沥青及改性沥青εP/εL结果Tab.3 εP/εL results of matrix asphalt and modified asphalt under the temperature of 60℃

对于基质沥青，主要变形形式是黏性流动变形，在变形过程中，仅考虑其黏性因素。而改性沥青在蠕变恢复试验中既表现黏性性能，又表现弹性性能。

以上研究的是蠕变恢复试验第1个卸载50 s阶段沥青的变形恢复特点，但改性沥青的延迟弹性变形恢复可能需要接近无限长的时间，现有的蠕变恢复试验难以满足要求。为了分析延迟弹性变形随着作用次数的变形情况，对εP/εL取倒数，得到εL/εP，用以表示改性沥青的变形恢复能力。

当εL/εP=1时，沥青的蠕变变形全部为黏性流动变形。εL/εP越大，沥青的变形恢复能力越大。将基质沥青、改性沥青在不同温度第1、5、10次蠕变恢复后的εL/εP值汇总于表4。

表4 不同温度、不同作用次数的沥青恢复指数εL/εPTab.4 Asphalt recovery index εL/εP under different temperature and different operation times

由表4可知，随着温度的增加，不同材质沥青在不同的循环作用次数下，εL/εP的值都出现了递减的规律，这表示在重复蠕变恢复试验中，温度越高，沥青的黏性流动变形越大，在沥青变形的因素中黏性因素逐渐增大，随着作用次数的增加，基质沥青随着蠕变次数的增加，εL/εP趋于稳定，在第5次加载和第10次加载时，εL/εP值极为接近，甚至相同，说明基质沥青在经过多次蠕变作用后，完全丧失了弹性变形的能力，基质沥青此时受到荷载作用产生的变形为黏性流动变形。而改性沥青随着循环作用次数εL/εP的值发生了增大现象，表明在重复蠕变恢复试验中，蠕变循环次数越多，则沥青变形的因素中黏性因素逐渐减小，弹性因素逐渐增加，随着沥青改性剂掺量的增加，EVA改性沥青的εL/εP都产生了不同程度的增加，说明随着改性剂掺量的增大，沥青变形的因素中黏性因素逐渐减小，弹性因素逐渐增加。

4 结论

(1)与基质沥青相比，EVA改性沥青具有明显的高温稳定性。随着EVA掺量的增加，EVA改性沥青的高温稳定性逐渐增强，但抗变形能力的增加幅度不断降低。

(2)在重复蠕变恢复试验中，蠕变循环次数越多，则沥青变形的因素中黏性因素逐渐减小，弹性因素逐渐增加；随着沥青改性剂EVA掺量的增加，改性沥青的εL/εP都产生了不同程度的增加，说明随着改性剂掺量的增大，沥青变形的因素中黏性因素逐渐减小，弹性因素逐渐增加。