不同改性沥青高低温流变性能对比

张海涛，吴广源

(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040)

目前，我国所采用的沥青常规评价指标在实际应用中具有重要的评价意义，但这些评价指标存在一定的局限性，例如无法有效动态地评价沥青材料的高低温性能[1-2]。

国内一些学者针对更加有效的沥青高低温性能评价方法做了诸多研究。其中，对于沥青的高温性能，主要采用动态剪切流变试验来进行评价，而对于处在高温状态下的沥青，其破坏程度主要受时间和温度的影响，时间对沥青的作用效果可以通过加载频率来表征。例如，祝斯月等[3]、豆怀兵等[4]采用动态剪切流变仪对不同掺量的高黏改性沥青进行温度扫描和频率扫描试验，分析复数剪切模量、相位角、车辙因子等指标，对高黏改性沥青的高温黏弹特性进行了综合分析；马峰等[5]应用频率和温度扫描模式下的动态剪切流变试验分析SEBS/橡胶粉复合改性沥青的流变性能，并采用多应力蠕变恢复试验研究其高温性能；王岚等[6]基于流变学和黏弹性理论，对温拌胶粉改性沥青和胶粉改性沥青进行了动态剪切流变试验和重复荷载恢复试验(RCRB)，对温拌胶粉改性沥青的高温流变性能进行了评价。在沥青低温性能的评价方面，张家伟等[7]采用弯曲梁蠕变实验对不同掺量的TB复合SBS改性沥青进行低温性能研究，通过对蠕变劲度、蠕变速率以及低温应力的描述，综合评价了TB复合SBS改性沥青的低温性能，并确定了最佳复合掺量；马晓燕等[8]以不同基质沥青、不同种类SBS改性剂、不同改性剂掺量为研究对象，设计正交试验，采用弯曲梁流变试验，通过分析蠕变劲度和蠕变速率并进行灰色关联分析来探究不同掺量不同种类改性沥青的低温流变性能。

上述评价方法均有效地在不同侧重点上对沥青的高、低温性能进行了合理评价，使得沥青高低温流变性能评价方法体系更加成熟完善。然而现有研究缺乏在同一评价体系内对不同种类的基质沥青或改性沥青的高低温性能进行对比评价。因此，为了在同一评价方法体系内对不同改性沥青高低温流变性能进行对比分析，本研究在综合借鉴诸多学者的研究方法[9-12]的基础上，采用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪分别对70#和90#的SBS、PE、SBR改性沥青进行温度扫描、频率扫描和弯曲梁蠕变试验，获取不同改性沥青的黏弹性参数，经过数据分析和拟合，从不同角度对比评价以上不同种改性沥青的高低温流变性能，以期为建立更全面系统的沥青高低温流变性能评价方法体系提供参考。

1 材料与方法

1.1 沥青原材料

试验用沥青为70#沥青和90#沥青，对两种牌号的基质沥青分别加入5% SBS改性剂(质量分数)、5% PE改性剂(质量分数)、3% SBR改性剂(质量分数)，通过搅拌机和高速剪切仪制备得到两种沥青牌号下的6种改性沥青，基质沥青及6种改性沥青的常规性技术指标如表1所示。

表1 改性沥青的技术指标Table 1 Technical indexes of modified asphalt

1.2 试验方法

1.2.1 温度扫描

由于沥青材料本身对温度的敏感性，其黏弹特性会随着温度的改变而产生变化。本研究采用动态剪切流变仪对各种沥青材料进行温度扫描，控制应变为12%，试验温度为46，52，58，64，70，76，82 ℃，测试试样在25 mm的平行板间(间距1 mm)进行振荡扫描。

1.2.2 频率扫描

频率扫描试验是研究沥青结合料流变特性的主要试验方法。该方法在线黏弹性范围内，分析不同温度不同加载频率下的黏弹性参数[13-14]。本研究选择频率ω范围为0.1～100 rad/s，应变控制为5%。由于沥青混合料车辙试验采用的试验温度为60 ℃，表明60 ℃以上沥青路面的车辙变形更加明显，基于以上考虑，同时结合PG分级的温度，本研究试验温度选择64 ℃。

1.2.3 弯曲梁流变试验

本研究依据传统的弯曲梁蠕变原理，选择温度-12，-18，-24 ℃作为试验设置参数。试验所用仪器设备如图1～2所示。

图3 不同改性沥青黏弹性参数随温度的变化Fig. 3 Variations of visco-elastic parameters of different modified asphalt with temperature changes

图1 动态剪切流变试验Fig. 1 Dynamic shear rheological test

图2 弯曲梁流变试验Fig. 2 Bending beam rheological test

2 结果与分析

2.1 温度扫描

对上述各种沥青材料进行温度扫描试验，试验结果如图3所示。由图3a可知，各种沥青试验材料的复数剪切模量随温度的升高均为单调递减，变化趋势基本一致。从不同改性剂角度分析，PE改性沥青和SBS改性沥青的复数剪切模量明显高于SBR改性沥青和基质沥青，这说明PE改性剂和SBS改性剂对沥青的高温性能均有非常明显的改善。PE改性沥青的复数剪切模量较其他沥青随温度下降幅度更大，在52 ℃左右时，PE改性沥青的复数剪切模量开始略低于SBS改性沥青，说明从52 ℃左右开始继续向上升温，SBS改性沥青的高温流变性能要略优于PE改性沥青。从不同沥青牌号角度分析，70#沥青的复数剪切模量均比90#沥青的高，说明70#沥青的高温流变性能要优于90#沥青，且70#沥青和90#沥青的不同种改性沥青的变化曲线形状基本相似。

由图3b可知，除PE改性沥青之外，各种改性沥青相位角与温度呈现正相关变化，表明沥青的黏性增强而弹性减弱，且作用效果逐渐减弱。而PE改性沥青的相位角变化则有所不同：随着温度的升高其相位角呈现非规律性变化，特别是90#PE改性沥青，温度的升高反而导致其相位角减小，这种现象可能归因于PE改性剂本身固有的性质，说明PE改性剂在改善沥青黏弹性的同时，也让其变得更加复杂。抵抗变形能力最优的是SBS改性沥青，其次是PE改性沥青，最后是SBR改性沥青。对于不同沥青牌号而言，70#沥青的相位角均大于90#沥青，表明70#沥青相较于90#沥青而言，黏性更大。

车辙因子可以反映沥青材料对永久变形的阻力。车辙因子的数值越高，沥青材料的弹性性能就越好，抗永久变形(如车辙)的能力也就越强。由图3c可知，随着温度的升高，沥青对永久变形的抵抗力降低。在相同的温度条件下，PE改性沥青和SBS改性沥青在高温下具有更好的抗永久性变形性能，而SBR改性沥青在高温下具有相对较差的抗永久性变形性能。同时，在高温下，70#沥青对永久变形的抵抗性大于90#沥青。

2.2 频率扫描试验

频率扫描可以模拟车辆路面行驶的速度[15]。各种沥青的频率扫描结果如图4所示。

由图4a可知，各种沥青的复数剪切模量模量随荷载频率的增加而逐渐增大，随着频率的增加，荷载作用的时间就越来越短，因此材料的变形量较小，劲度较大，模量也就越大。复数剪切模量越大，沥青的抵抗荷载作用能力越强。复数剪切模量模量曲线始终处于最上方的是PE改性沥青，且在低频条件下，除了PE改性沥青的曲线有明显的间距，其余几种沥青的复数剪切模量曲线基本重合，表明复数剪切模量相差不大；而随着频率的增加，各种沥青的复数剪切模量差异愈加明显，各自曲线之间的间距也不断增大，这说明在同一频率下，改性沥青的抵抗荷载作用能力由强到弱依次是PE改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青，且随着频率的增大，抵抗荷载作用能力的差异愈加明显。从不同沥青牌号角度分析，无论是基质沥青还是改性沥青，70#沥青的复数剪切模量均高于90#沥青，说明在高温条件下，70#沥青相较于90#沥青有更强的抵抗荷载作用能力。

图4 不同改性沥青黏弹性参数随频率的变化Fig. 4 Variations of visco-elastic parameters of different modified asphalt with frequency changes

相位角可以表征沥青材料的黏弹性比例，由图4b可知，随着频率的增大，基质沥青、SBS改性沥青和SBR改性沥青的相位角均逐渐减小，表明随着频率的增加，这几种沥青的黏性逐渐减弱而弹性逐渐增强，即抗永久变形能力逐渐增强。这说明这几种沥青在高温条件下，高速行驶更有利于改善路面的抗车辙能力，而停车、急刹车等渠化交通处更容易使路面产生永久变形。对于PE改性沥青，无论是70#沥青还是90#沥青，其相位角曲线明显相反于其他几种沥青，呈现出近似“S”形曲线的形状，相位角随着频率增加亦逐渐增大，即随着频率增大，沥青的黏性逐渐增大，弹性逐渐减小，抗永久变形能力减弱。在相同频率条件下，当几种沥青的加载频率在15 rad/s以下同一水平时，PE改性沥青的相位角明显小于其他几种沥青，即抗永久变形能力最优。其次是SBS改性沥青，SBR改性沥青对基质沥青的抗永久变形能力虽有所改善，但相对来说效果不明显，即在高温低频条件(车速较慢)下，抗车辙能力由强到弱依次是PE改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青。当频率增加到15 rad/s以上同一水平时，SBS改性沥青的相位角开始小于PE改性沥青，即在高温高频条件(车速较快)下，抗车辙能力由强到弱依次是SBS改性沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青。

综合同一温度不同频率条件下的复数剪切模量和相位角，从车辙因子角度分析，各种改性沥青的车辙因子随着频率的增加逐渐增大，即抗车辙能力逐渐增强，因此，加载频率越大越有利于抵抗车辙的产生，这与前述结论是一致的。在同一频率下，各类改性沥青抗车辙能力由强到弱依次是PE改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青，同时根据图4c亦可以得知，70#改性沥青的抗车辙能力要优于90#改性沥青。

2.3 弯曲劲度蠕变实验

2.3.1 蠕变劲度和蠕变速率分析

改性沥青在-12，-18和-24 ℃温度条件下的蠕变劲度S和蠕变速率m值分别如图5和图6所示。由图5a可知，各种改性沥青的蠕变劲度随温度的升高均成降低趋势。蠕变劲度越大，表明材料在低温与荷载作用条件下，更易开裂和脆断，因此蠕变劲度越小，低温性能越好。由图5b和图5c可知，对于不同种改性沥青而言，蠕变劲度由大到小依次为PE改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青，因此SBR改性沥青的低温抗裂性能最好。

对于不同沥青牌号的改性沥青，由图5a可得，在3个试验温度下，除个别差别较小外，70#改性沥青的蠕变劲度均明显大于90#改性沥青的蠕变劲度，因此3种90#改性沥青的低温抗裂性明显优于3种70#改性沥青，这与实际应用中70#沥青适用于我国南方地区，而90#沥青适用于我国北方地区的情况是相符的。

图5 不同改性沥青的蠕变劲度Fig. 5 Creep stiffness of different modified asphalt

对于不同的沥青牌号，根据图6a可以看出，总体上而言，90#改性沥青的蠕变速率高于70#改性沥青，说明90#沥青的低温性能优于70#沥青，与前述结论相吻合。由图6b和图6c可知，同一试验温度条件下，改性沥青的蠕变速率由大到小依次为：SBR改性沥青、SBS改性沥青、PE改性沥青，即SBR改性沥青的低温性能最好。

图6 不同改性沥青的蠕变速率Fig. 6 Creep rate values of different modified asphalt

2.3.2 低温感温性分析

根据相关研究[16]，蠕变劲度指数可以表征沥青的低温感温性，计算公式如下：

lgS=STST+C

(1)

式中：STS为蠕变劲度指数；T为试验温度；C为回归常数。根据式(1)通过Origin软件进行拟合计算，分析各种改性沥青的低温感温性，结果如表2所示。

表2 不同改性沥青的蠕变劲度指数Table 2 Creep stiffness indexes of different modified asphalt

蠕变劲度指数可以反映沥青蠕变劲度的对数随温度变化的快慢，由表2可知，6种改性沥青蠕变劲度的对数随温度由快到慢依次为70#PE改性沥青、90#PE改性沥青、90#SBS改性沥青、70#SBS改性沥青、70#SBR改性沥青、90#SBR改性沥青。因此，SBR改性沥青的低温稳定性最好，而对于70# 改性沥青和90#改性沥青，除了PE改性沥青，其余均是90#改性沥青低温稳定性优于70#改性沥青，PE改性沥青产生的结果偏差可能是由于PE改性沥青在制备完成后相容性出现下降，即储存稳定性差所导致的试验结果偏差。

3 结 论

1)通过温度扫描试验，依据得到的不同温度下的黏弹性参数分析不同改性沥青的高温流变性能，试验结果分析表明，PE改性沥青和SBS改性沥青的高温性能较优，SBR改性沥青的高温性能相对较差，SBR改性剂对基质沥青高温性能的改善效果甚微；同时，在高温条件下，70#沥青的性能要优于90#沥青。

2)通过频率扫描试验，探究同一温度下不同加载频率沥青黏弹性参数的变化，试验结果分析表明，在同一频率下，各类改性沥青抗车辙能力由强到弱依次是PE改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青，且70#改性沥青的抗车辙能力要优于90#改性沥青。

3)在-12，-18，-24 ℃低温条件下，通过弯曲梁流变试验探究各类改性沥青的低温性能。从不同温度下各类改性沥青的蠕变劲度和蠕变速率得知，低温性能由优到劣依次为SBR改性沥青、SBS改性沥青、PE改性沥青。