SBS改性瀝青低溫勁度模量研究

康兆興，苑瑞星，郭杰

(1.山東省德州市公路勘察設計院，山東 德州 253006;2.霍尼韋爾綜合科技(中國)有限公司，上海 201203)

0 引言

瀝青路面在低溫情況下容易產生裂縫，并且在寒冷地區尤為突出。SHRP[1]研究成果證明了瀝青的低溫抗開裂性能對路面低溫開裂的直接貢獻率為80%，因此研究者們嘗試采用各種方法來改善瀝青的低溫性能，采用SBS高分子聚合物進行改性則是近年來各國比較常用的一種方法。JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》中對SBS改性瀝青的各種性能要求進行了明確的規定，其中低溫性能采用5℃延度指標來進行評價[2]，但延度指標是經驗型指標缺乏必要的理論依據，其主要缺陷如下:(1)試驗溫度與寒冷地區的實際環境溫度不一致[3]，如5℃等溫度下的延度值實際反映的仍是瀝青的塑性變形能力，與瀝青結合料的低溫抗裂性關系如何一直備受爭議;(2)瀝青路面開裂與瀝青老化有關，而現有延度試驗沒能體現這一點[4];(3)延度試驗只反映了瀝青的變形能力，沒能體現瀝青的蠕變松弛性能，如 Hajek模型、加拿大機場模型以及Superpave低溫開裂模型均表明，瀝青材料的勁度模量是預估瀝青路面低溫開裂的基本參數。因此，Superpave[5，6]提出了 BBR 試驗，將瀝青的勁度模量和松弛性能(勁度模量隨時間變化的斜率m)作為評價瀝青低溫性能的核心指標，但由于BBR試驗采用的低溫彎曲流變儀價格昂貴，想要大面積推廣應用困難重重。

既然瀝青的低溫勁度模量與其低溫性能密切相關，那么有沒有可能在國內現有的經驗性評價指標體系下得到瀝青的勁度模量呢?荷蘭人范得普(van der Poel)1954年就開創了用經驗常規試驗數據轉換為有嚴格理論基礎的力學性質的先河[7]。按范得普的方法，利用兩個不同溫度下的針入度和軟化點，通過諾模圖(Nomograph)，可以求得作為溫度和時間函數的勁度(或稱剛度)模量。國內湖南大學曾夢瀾等人在此基礎上，優化并得出了基于常規試驗數據的瀝青勁度模量的理論模型[8]。為此，該文對SBS改性瀝青低溫勁度模量和5℃延度結果進行分析，以期得出評價SBS改性瀝青低溫性能的合理評價方法。

1 瀝青勁度模量

1.1 瀝青勁度模量的計算

曾夢瀾等人在諾模圖的基礎上，推演出了基于常規試驗數據的瀝青勁度模量的理論模型，見公式(1)。它是以Vander Poer原始諾模圖的直接復印件為基礎通過大量手工操作，查出了所有可以讀到的勁度模量值，共約5000個數據，足以涵蓋路用瀝青實際可能的溫度和時間[8]。

理論模型中，需要確定的變量有荷載作用時間、針入度指數、軟化點(當量軟化點)，路面實際溫度等參數。研究中荷載作用時間采用0.01s，這是因為對于高速公路來說，荷載作用時間較短，車速80km/h在路面瀝青層下緣產生變形的持續時間僅為0.01s左右，所以采用荷載作用時間0.01s不失一般性[9－11]。另外，我國路面溫縮裂縫一般發生在10℃以下的季節，車轍一般發生在25～30℃以上的夏季，因此以10℃以下作為低溫，25℃以上作為高溫，10～25℃作為常溫的分界比較合理[10]。所以本文選取－10℃、0℃和10℃作為路面實際溫度進行研究。

理論模型:

式中:S為瀝青在給定溫度和加載時間下的勁度模量，當加載時間t=0時，S=Sg=3GPa;PI為針入度指數;ΔT=T－TR＆B，實際溫度與軟化點之差，℃;T為路面實際溫度，

1.2 勁度模量計算

本文選取了殼牌(QP)、國創(GC)、高粘(TPS)、科氏(STR)和一種復合改性瀝青(FH)五種SBS改性瀝青進行勁度模量的研究，其基本性能指標如表1所示。

采用公式(1)的理論模型，結合表1中數據，可以得出五種瀝青的勁度模量如表2和圖1、圖2所示。

表1 五種瀝青的基本性能指標

表2 五種瀝青勁度模量值/MPa

不同種類瀝青在不同溫度條件下的勁度模量值比較:

(1)原樣瀝青:10℃ strata＜GC＜QP＜FH＜TPS;0℃ strata＜GC＜QP＜FH＜TPS;－10℃strata＜GC＜QP＜FH＜TPS。同一種瀝青來說，隨著溫度的降低，瀝青的勁度模量值不斷增加，這主要是因為隨溫度的降低，聚合物分子兩端基本上凍結在固定位置上，圍繞固定位置振動，SBS改性劑增韌作用減弱，而瀝青在低溫條件下呈玻璃態，瀝青分子鏈幾乎被凍結，不能迅速地重新取向或移動;不同種類的瀝青表現出相同的規律，但變化的幅度不同，這表明不同種類的瀝青對溫度的敏感程度不同[12]。

(2)短期老化后:10℃ strata＜GC＜FH＜QP＜TPS;0℃strata＜GC＜FH＜QP＜TPS;－10℃strata＜GC＜FH ＜QP＜TPS。對于同一種瀝青來說，瀝青老化后的勁度模量值要高于原樣瀝青，這主要是因為經過老化后SBS高分子鏈發生裂解，分子鏈之間的傳遞作用減弱，而基質瀝青由于輕質組分的揮發和轉化，使瀝青中的膠質和瀝青質含量增加，瀝青變硬，從而使勁度模量值也增加。由于不同種類的瀝青的抗老化能力不同，老化后瀝青的勁度模量的變化幅度亦不同，增加幅度大說明抗老化性能較差，增加幅度小說明抗老化性能好;

根據實際工程情況，strata瀝青的抗低溫開裂的性能最好，而計算表明strata瀝青在各個溫度下勁度模量值最小，與實際相符;另通過以上數據還可以發現，TPS瀝青在各個溫度下勁度模量值最大，低溫性能較差，在行車荷載作用下，路面容易產生開裂。

圖1 原樣瀝青勁度模量

圖2 短期老化后瀝青勁度模量

2 瀝青混合料性能驗證

為了檢驗瀝青結合料的低溫勁度模量與混合料低溫抗裂能力的相關性，本文進行了混合料低溫彎曲破壞試驗，試驗溫度條件為－10℃，采用相同的礦料級配、集料類型和成型方法，不同的只是瀝青結合料，試驗結果如表3所示。其中，PB為試件破壞時的最大荷載，d為試件破壞時的跨中撓度，RB為試件破壞時的抗彎拉強度，εB為試件破壞時的最大彎拉應變，SB為試件破壞時的彎曲勁度模量。

許多文獻指出[13－15]:瀝青混合料的低溫抗裂性能不僅與瀝青混合料的強度參數有關，還與混合料的變形特性有關，所以不能僅以瀝青混合料在低溫時破壞強度大，或者變形大，就評價其低溫抗裂性能好。如果混合料低溫條件下有很強的伸長能力，即使其破壞強度不高，抗開裂能力也較強。瀝青混合料在低溫條件下既具有較高的強度還具有較大的變形能力是工程應用所必需的，但是對于一種瀝青混合料，兩者不可兼得，尋找反映強度和變形兩種性能的綜合參數尤為重要。

應變能密度綜合考慮了應力和應變的關系，可以很好的反映混合料的低溫抗裂性能。假定材料破壞形式與單位體積內能量狀態相對應，那么材料損傷就可以用應變能密度表示[14]。

表3 低溫彎曲試驗結果

應變能密度公式[16]如下:

式中:σij、εij為應力、應變分量;ε0為最大應力所對應的應變

本文選取彎曲勁度模量和彎曲應變能密度兩個參數，與不同種類瀝青在同溫度(－10℃)條件下的勁度模量值和5℃延度值進行關聯性分析，結果如圖3～6。

圖3 混合料低溫勁度與瀝青勁度模量的關系圖

圖4 混合料低溫勁度與瀝青延度的關系圖

圖5 混合料應變能密度與瀝青勁度模量的關系圖

圖6 混合料應能密度與瀝青延度的關系圖

結果表明:混合料的應變能密度與瀝青－10℃勁度模量值具有很好的相關性，它與老化前、后勁度模量的相關系數分別為0.736、0.752，而瀝青老化后的勁度模量值與其混合料的應變能密度的相關性更好，這是因為混合料試件成型時相當于對瀝青進行了短期老化。另外，混合料的低溫勁度與瀝青－10℃勁度模量值也具有較好的相關關系，與老化前、后瀝青勁度模量相關系數分別為 0.838、0.880，說明瀝青結合料的勁度在一定程度上決定了混合料的勁度;而5℃延度和應變能密度和低溫勁度的相關性較差，相關系數均小于0.1，說明瀝青－10℃勁度模量值能在一定程度上反映混合料的低溫開裂性能，用瀝青－10℃低溫勁度模量來評價SBS改性瀝青的低溫抗裂性能具有合理性。

3 結論

(1)不同種類的SBS改性瀝青的勁度模量對溫度變化的敏感程度不同，對老化的敏感程度也不同，敏感程度越大，低溫抗開裂性能越差。

(2)與SBS改性瀝青常規低溫評價指標5℃延度相比，其－10℃低溫勁度模量與應變能密度和低溫彎曲勁度具有更好的相關關系，可以反映出混合料的低溫抗裂能力，因此，可以作為SBS改性瀝青的低溫性能評價指標。

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