基于動態頻率掃描的SBS改性瀝青老化性能分析

張利冬，范亮平

（中國聯合工程公司，浙江 杭州 310052）

基于動態頻率掃描的SBS改性瀝青老化性能分析

張利冬，范亮平

（中國聯合工程公司，浙江 杭州 310052）

為了研究SBS改性瀝青的老化特性，應用動態頻率掃描試驗，對不同老化程度下SBS摻量分別為0%、3%、6%的改性瀝青進行了多個溫度條件下的頻率掃描，通過對主曲線的分析，并引入玻璃態轉變溫度來評價改性瀝青與基質瀝青老化前后的性能特點，最后利用CA模型擬合主曲線。研究表明：改性劑的加入改善了基質瀝青的高、低溫性能，同時減緩老化速率；老化使瀝青低溫抗裂性能大幅下降，但高溫溫度性能卻有一定提高；玻璃態轉變溫度和CA模型對于評價瀝青結合料性能均有較好的適用性。

道路工程；改性瀝青；老化；動態頻率掃描

0　引言

近年來改性瀝青在各個等級的公路建設中得到了越來越廣泛的應用。然而隨著時間的推移，由于受到行車荷載、環境、人為等因素的影響，改性瀝青混合料依然存在老化的問題，路面性能隨著劣化。目前國內普遍使用針入度、軟化點等常規傳統方法評價改性瀝青的老化特征。Superpave瀝青結合料規范雖然從流變學的角度區分瀝青的各種性能，但是許多試驗對改性瀝青并不能很好的適用，同時對改性瀝青經過室內短期老化和長期老化后粘彈性力學行為的改變認識明顯不足[1-2]。

瀝青材料是一種典型的粘彈性材料，可以通過動態粘彈測試方法準確反映瀝青材料的穩定性、粘彈性和熱敏感性。目前最常用的動態粘彈測試方法是借助動態剪切流變儀（DSR），在指定的溫度和頻率下施加正弦應力，由此測得瀝青處于不同條件下的復數模量(G*)和相位角（δ），以此評價瀝青在不同溫度和頻率下粘彈性特征。這種方法可以有效模擬路面動載作用下的變形特征，從而表征瀝青性能。

本研究通過70#基質瀝青、低改性劑摻量（SBS改性劑摻量3%）、高改性劑摻量（SBS改性劑摻量6%）三種瀝青分別通過旋轉薄膜烘箱老化（RTFOT）,PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h制備18種瀝青。運用動態剪切流變儀在處于線粘彈性范圍內的18種瀝青進行較寬溫度和頻率范圍的動態頻率掃描試驗。根據時溫等效原理，運用WLF公式繪制各種瀝青的主曲線，并使用CA模型擬合出主曲線方程，由此分析改性瀝青經過室內短期老化和長期老化的流變性能，并據此討論改性瀝青的老化規律和老化機理。

1　材料制備與試驗方案

本研究通過70#基質瀝青，加入指定摻量的SBS改性劑（3%和6%），使用實驗室專用的改性瀝青制作設備－高速剪切攪拌儀在170℃±5℃溫度范圍內，以3 000～6 000 r/min的剪切速率剪切1 h，由此制備低、高改性劑摻量的改性瀝青[3]。

考慮到從路面回收的瀝青其性能變異性較差，同時老化程度不易掌握，本文采用室內模擬瀝青老化的方法。研究表明瀝青的PAV老化可以有效的模擬瀝青路面實際的長期使用中的老化，且兩者存在較好的對應關系，PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h分別對應于實際道路路面齡期2 a、4 a、6 a和8 a[4]。而20世紀90年代美國SHRP成果中提出，旋轉薄膜烘箱老化可以用來模擬在瀝青混合料生產和施工期間的老化。所以本文將上述制備的兩種瀝青和基質瀝青分別進行旋轉薄膜烘箱老化，PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h，共制備18種瀝青，見圖1。

本文采用美國TA公司生產的Advanced Rheometer-2000高級流變儀測試改性瀝青的動態粘彈力學性能。試樣的制備方法是將1 g左右的瀝青放在直徑為25 mm的平板家具下的平板上，調節上平板至1 000 μm，用熱刀將平板周圍壓出的試樣刮去后，恒溫15 min。動態頻率掃描的溫度范圍為30℃～80℃，頻率范圍是0.01～100 Hz，試驗由應變控制。

圖1　PAV老化時間和道路齡期關系

2　試驗結果與討論

2.1主曲線的確定

通過頻率掃描試驗，可以得到各個溫度下瀝青在較寬頻率范圍內的復數模量值G*,圖2為改性劑摻量為3%的改性瀝青經過16 h PAV老化進行頻率掃描的結果。

圖2　摻量3%改性劑的瀝青PAV16 h后頻率掃描圖

從圖2中可見，隨著荷載頻率的增加或試驗溫度的降低，瀝青的復數模量增加。但在相同荷載頻率和試驗溫度的條件下，瀝青復數模量的改變受老化時間和改性劑摻加量共同影響。為了進一步深入分析評價改性瀝青老化后的性能變化規律，需要確定其主曲線，以此將試驗結果拓延到更加廣泛的頻率（溫度）范圍。

主曲線的繪制通常運用時間-溫度等效原理，利用關于位移因子的WLF公式。WLF方程：

式中：Tg為材料的玻璃化轉變溫度；T為材料溫度；αT為溫度T時的水平移位因子；C1、C2為經驗常數，隨參考溫度而變[5]。

位移因子lgαT的獲得：以某一參考溫度的曲線文參考曲線，可用最小二乘法及L-M法得最優平移距離lgαT，該法的計算過程可以有Origin軟件非線性擬合實現。

玻璃化轉變溫度Tg的獲得：由于玻璃化轉變溫度Tg的測定比較復雜，一般不通過試驗測定瀝青的Tg。而可以通過式（1），在測定的溫度條件中選定任意兩個溫度T0和T1來推導Tg。

可采用Origin軟件進行最小二乘非線性擬合。

通過上述計算，并進行水平位移疊加，可以得到參考溫度下寬頻率范圍內主曲線，圖3～圖5為在40℃下三種瀝青進行不同程度老化后的頻率與復數模量的關系曲線。

圖3　不同老化程度基質瀝青復數模量主曲線

圖4　不同老化程度3%改性劑摻量瀝青復數模量主曲線

圖5　不同老化程度6%改性劑摻量瀝青復數模量主曲線

由圖3～圖5可見：

（1）隨著改性劑摻加量的增加，復數模量增大，但是增大的幅度隨著摻加量的增加而減少，說明改性劑的加入提高了基質瀝青的高溫性能，同時使老化速率減小。

（2）基質瀝青和3%SBS改性劑摻量的瀝青，他們主曲線的復數模量隨著老化時間的增加而增加。而6%改性劑摻量的瀝青，其短期老化（旋轉薄膜老化）的復數模量比長期老化（PAV5 h和16 h）的復數模量大。主要原因是高改性劑摻量的瀝青在短期老化后，基質瀝青中的小分子成分減小，同時聚合物與基質瀝青的溶脹更充分，導致分子間約束加強，使得改性瀝青復數模量值大幅增加。而隨著老化的深入，改性劑出現裂解，使復數模量又有一定的下降；對于低改性劑摻量的改性瀝青，基質瀝青的老化是改性瀝青的老化的主導因素，所以它和基質瀝青表現為相同的復數模量隨著老化時間增大而增大的現象[6]。

（3）三種瀝青短期老化后的復數模量明顯增加，隨著老化程度的深入，復數模量的增加速率變緩。其主要原因是改性瀝青的老化從根本上說是基質瀝青的老化和改性劑聚合物的分解，基質瀝青的老化使得復數模量的增加，而改性劑聚合物的分解又使復數模量降低，改性瀝青最終表現出的復數模量是這兩個因素共同作用產生的效果。相對于基質瀝青，改性劑表現出相對的穩定性，所以在短期老化過程中主要表現的是基質瀝青的老化，而隨著老化程度的加深改性劑聚合物的裂解程度加大，從而表現為復數模量增加速率下降。

（4）比較不同老化程度的幾種瀝青，隨著老化時間的增加，基質瀝青、3%和6%摻量的改性瀝青的主曲線更為接近，說明改性瀝青老化后期同基質瀝青類似。

2.2玻璃化轉變溫度Tg分析

物體由玻璃態向高彈態過度的轉變溫度稱為玻璃化轉變溫度，一般以Tg表示。玻璃化轉變溫度具有明確的物理意義，它表征高分子材料鏈段運動得以開始或凍結的溫度。按照自由體積理論的解釋，在玻璃化轉變溫度下物體所含有的自由體積達到一臨界值，低于此值，不足以是鏈段再運動[7]。

對于路用瀝青，其服務溫度橫跨玻璃態至粘流態。在低溫條件下，希望其具有一定的變形能力，以此松弛部分因溫度下降產生的溫度應力，從而提高瀝青路面的低溫抗裂性。從這個角度講，玻璃化轉變溫度Tg就能很好的表征瀝青的低溫性能。Tg越小，表示瀝青在更低的溫度下就從變形能力較差的玻璃態過渡到變形能力較好的高彈態，使瀝青在較低溫度下有更好的抗變形能力，從而減少低溫開裂。所以玻璃化轉變溫度Tg能夠區分不同瀝青低溫性能的好壞，評價瀝青的低溫性能，見圖6。

圖6　不同老化程度三種瀝青玻璃態轉變溫度

從圖6可以看出：

隨著改性劑的增加，瀝青的Tg變小，說明改性劑的加入改善了瀝青的低溫抗裂性。

（1）隨著老化程度的深入，瀝青的Tg變大，但增幅逐漸減小，說明老化使瀝青的低溫性能降低，但隨著老化的推移低溫抗裂性趨向穩定。

（2）相同老化程度的三種瀝青，低改性劑摻量和高改性劑摻量的Tg比較接近，說明SBS改性劑的摻加可以明顯提高基質瀝青的低溫性能，但過多的增加SBS摻量改善效果不顯著，并不經濟。

（3）未老化的三種瀝青，其Tg值分別為-3.0℃、-4.7℃和-6.1℃，而老化50 h后，三者Tg值分別為2.1℃、1.0℃、0.5℃，三種瀝青的玻璃化轉變溫度隨著老化的深入逐漸靠近，這說明對于改性瀝青的低溫抗裂性，基質瀝青的影響因素大于改性劑的影響。

2.3主曲線CA模型分析

經典的粘彈力學通過粘壺和彈簧描述瀝青及瀝青混合料的粘彈力學特性，可以形象的表述其力學行為的變化。如瀝青在動態剪切作用下建立起的復合模量和相位角的模型是CA模型，可以較好地擬合主曲線數據[8]。

玻璃態復合模量是高頻（f→∞）或者低溫條件下材料的復合模量。瀝青在高溫或低頻部分主曲線逐漸變緩，并趨近水平線，此時瀝青處于玻璃態，該處的復數模量即為玻璃態復合模量，它描述了瀝青在低溫時抗變形的能力。交叉頻率fc是流變區與彈性極限區的分界頻率，fc越大反映瀝青的低溫性能越好。經過擬合得到CA模型的幾個參數見表1。

表1　CA模型主要參數表

由表1可以看出，各種瀝青的相關系數均大于0.99，擬合度較好，說明CA模型對于不同老化程度的改性瀝青與基質瀝青都有較好的適用性。

3　結　論

（1）改性劑的加入后，聚合物與基質瀝青形成一種更加穩定的結構，使瀝青的高溫穩定性與低溫抗裂性有了一定的提高。

（2）瀝青老化使瀝青的低溫性能變差，但高溫性能卻得以增強，而對于相同老化程度的基質瀝青與改性瀝青，改性瀝青與其相應的原樣瀝青性能更為接近，改性劑的加入延緩了瀝青的老化速率。

（3）使用玻璃態轉變溫度Tg評價不同老化程度和不同改性劑摻加量的瀝青與CA模型擬合得到的結論一致，說明玻璃態轉變溫度Tg對于評價瀝青低溫性能有較好的適用性。

[1]Isacsson U,Lu X.Testing and appraisal of polymer modified road bitumens 2:state of the Art[J].Materials and Structures,1995(28): 139-159.

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[3]司曉麗.高強瀝青的研發與利用[D].江蘇南京:東南大學,2008.

[4]王舜.高速公路擴建路面拼接技術研究[D].江蘇南京:東南大學, 2007.

[5]張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈性力學原理與應用[M].北京:人民交通出版社,2006.

[6]徐劍,黃頌昌,鄒桂蓮.高等級公路瀝青路面再生技術[M].北京:人民交通出版社,2011

[7]曹麗萍,譚憶秋,董澤蛟,等.應用玻璃化溫度評價SBS改性瀝青的低溫性能[J].中國公路學報,2006,19(2):1-6.

[8]Mauricio Centeno,Israel Sandoval,Ignacio Cremades,etc.Assessing Rutting Susceptibility of Five Different Modified Asphalts in Bituminous Mixtures Using Rheology and Wheel Racking Test[C]. Transportion Research Board of the National Academies 2008.

杭州灣將再建兩條跨海鐵路大橋 直接連接上海寧波

一座杭州灣跨海大橋，拉近了寧波與上海的距離，構筑了一條海上高速公路大通道，但寧波市民一直期盼能在杭州灣上架起一條不經杭州樞紐直接連接上海的高鐵通道。這樣的夢想很快就能實現了。“十三五”期間，杭州灣上將再建兩條跨海鐵路，一條是滬甬跨海鐵路，一條是滬甬城際鐵路，其中滬甬跨海鐵路有望在“十三五”期間開工建設。

滬甬跨海鐵路目前已進入方案研究階段，兩套備選方案首次對外發布。建成以后，杭州灣上將架起一座350 km級的高速鐵路，建成以后寧波到上海坐高鐵最快只要51 min。

U414

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1009-7716（2016）02-0172-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.048

2015-10-29

張利冬（1989-），男，浙江嵊州人，助理工程師，從事道路設計工作。