60℃零剪切粘度ZSV指標(biāo)在高速公路養(yǎng)護(hù)瀝青評價中的應(yīng)用

祝爭艷，江瑞齡，孟令國

(江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司 南京 210049)

60℃零剪切粘度ZSV指標(biāo)在高速公路養(yǎng)護(hù)瀝青評價中的應(yīng)用

祝爭艷，江瑞齡*，孟令國

(江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司 南京 210049)

根據(jù)高速公路養(yǎng)護(hù)工程的不同情況，通過試驗(yàn)室模擬現(xiàn)場情況制備相應(yīng)條件的SBS改性瀝青樣品，采用動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行動態(tài)頻率掃描試驗(yàn)，并采用Carreau模型進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到不同樣品的60℃ZSV。試驗(yàn)結(jié)果表明，儲存溫度越高、儲存時間越長，其改性瀝青的ZSV降低的幅度越大，說明養(yǎng)護(hù)工程中，改性瀝青高溫下不能長期儲存；隨著循環(huán)次數(shù)的增多，SBS改性瀝青60℃ZSV整體呈現(xiàn)下降的趨勢，且在相同循環(huán)次數(shù)時，60℃ZSV在170℃降溫至室溫條件下較150降溫至130℃下降幅度大，說明在養(yǎng)護(hù)工程周期較長的時候，改性瀝青不宜多次循環(huán)加熱，且儲存溫度不宜過高。

高速公路；養(yǎng)護(hù)工程；SBS改性瀝青；ZSV；評價

0 引言

SBS改性瀝青可以有效改善瀝青混合料的溫度穩(wěn)定性、形變模量、低溫彈性和塑性，因此，在高速公路養(yǎng)護(hù)中也得到廣泛的應(yīng)用。與新建工程相比，高速公路養(yǎng)護(hù)工程SBS改性瀝青使用具有存儲時間長、出場溫度高、反復(fù)加熱等特點(diǎn)，容易導(dǎo)致其高溫性能衰減、抗疲勞性能變差等問題。針對這種問題，僅用現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的常規(guī)指標(biāo)不能準(zhǔn)確評價養(yǎng)護(hù)用瀝青的路用性能，因此有必要增加對SBS改性瀝青在養(yǎng)護(hù)工程中應(yīng)用的高溫性能評價指標(biāo)[1-3]。

目前傳統(tǒng)指標(biāo)如針入度指數(shù)、軟化點(diǎn)、60℃動力黏度等對重交瀝青評價較好，但對改性瀝青不能合理評價[4-5]。美國Superpave 瀝青膠結(jié)料規(guī)范中提出車轍因子G*/sinδ進(jìn)行瀝青高溫性能評價，但是車轍因子和改性瀝青混合料性能關(guān)聯(lián)性較差[6-8]，Andcrson[9]認(rèn)為針對改性瀝青高溫性能評價，零剪切粘度ZSV具有比抗車轍因子更好的適用性，可以很好地反映改性瀝青高溫性能。為探討高速公路養(yǎng)護(hù)用SBS瀝青高溫性能評價指標(biāo)，本文采用5%SBS含量瀝青為樣本，通過試驗(yàn)分析ZSV指標(biāo)在高速公路養(yǎng)護(hù)用瀝青評價的合理性，并用軟化點(diǎn)指標(biāo)與其進(jìn)行對比分析，為準(zhǔn)確評價高速公路養(yǎng)護(hù)用改性瀝青高溫性能提供依據(jù)。

1 零剪切粘度ZSV的測試方法

60℃零剪切黏度ZSV[10-11]是瀝青膠結(jié)料本身固有的性質(zhì)，當(dāng)剪切速度非常小的極限情況下，其黏度表現(xiàn)為不依賴于剪切速率的恒定值。改性瀝青是一種非牛頓流體，在較低的剪切速度下的粘度與車轍變形非常相似，所以用ZSV來表征改性瀝青的高溫性能較為合適。60℃時的ZSV的測定方法[12-13]包括：

①采用動態(tài)頻率掃描試驗(yàn)測定瀝青動黏度，再以圖形外延法得到頻率接近0時的黏度；②采用穩(wěn)態(tài)流動試驗(yàn)測定不同剪切速率下的黏度，在剪切流變曲線上直接量取或用流變模型擬合得到極低剪切速率下的ZSV；③采用靜態(tài)蠕變試驗(yàn)測試瀝青的蠕變穩(wěn)定狀態(tài)，以流變模型擬合計(jì)算得到ZSV；④采用重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果擬合計(jì)算得到ZSV。

本文對不同儲存條件下所獲取的改性瀝青樣品進(jìn)行動態(tài)頻率掃描試驗(yàn)，得到頻率與粘度的關(guān)系曲線，并通過多項(xiàng)式擬合得到了相對應(yīng)的零剪切粘度，研究[14-17]表明采用Carreau模型優(yōu)于Cross模型，因此本文采用Carreau模型進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到ZSV。

Carreau模型如下：

式中：η為黏度(Pa·s)；η0為零剪切黏度，Pa·s；η∞為無限大速率黏度黏度，Pa·s；ω為剪切速率，1/s；K和m為材料參數(shù)。

2 確定試驗(yàn)室內(nèi)模擬養(yǎng)護(hù)工程現(xiàn)場存儲條件

在高速公路養(yǎng)護(hù)工程中，SBS改性瀝青在不同的儲存溫度、儲存時間和儲存過程中加熱的次數(shù)等條件下，會影響其各項(xiàng)性能指標(biāo)，并呈現(xiàn)不同程度的衰減。根據(jù)調(diào)研，現(xiàn)場瀝青存儲條件一般情況下分為兩類：第一類是相同存儲溫度條件下存儲不同時間；第二類是不同儲存溫度條件下相互轉(zhuǎn)換[14]。根據(jù)現(xiàn)場兩類儲存條件，試驗(yàn)室內(nèi)對存儲條件進(jìn)行簡化模擬，第一類情況見表1，第二類情況表2。

表1 試驗(yàn)室內(nèi)模擬第一類情況(相同溫度下存儲)表

表2 試驗(yàn)室內(nèi)模擬第二類情況(不同溫度下轉(zhuǎn)換存儲)表

3 ZSV試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過試驗(yàn)室制備各種儲存條件樣品，按不同養(yǎng)護(hù)條件下，采用軟化點(diǎn)指標(biāo)找出極限存儲條件后再采用DSR流變儀進(jìn)行動態(tài)頻率掃描試驗(yàn)，并對兩個指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

3.1 持續(xù)保溫狀態(tài)對SBS改性瀝青性能影響3.1.1 持續(xù)保溫狀態(tài)對SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的影響

通過環(huán)球法試驗(yàn)對不同儲存時間下制備的SBS改性瀝青樣品進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，得到軟化點(diǎn)和存儲時間及反復(fù)循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 儲存時間對SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的影響規(guī)律Fig.1 Effect of storage time on SBS modified asphalt softening point

由圖1儲存時間對SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的影響規(guī)律，呈現(xiàn)了軟化點(diǎn)隨著儲存時間和儲存溫度的變化情況。從結(jié)果可以看出，儲存溫度越高、儲存時間越長，其改性瀝青的軟化點(diǎn)降低的幅度越大。

圖2 反復(fù)加熱次數(shù)對SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的影響規(guī)律Fig.2 Effect of repeated heating times on softening point of SBS modified asphalt

由圖2可知，兩種保溫冷卻循環(huán)條件對SBS改性瀝青軟化點(diǎn)隨循環(huán)次數(shù)的影響程度不同。隨著循環(huán)次數(shù)的增多，SBS改性瀝青軟化點(diǎn)整體呈現(xiàn)下降的趨勢，且在相同循環(huán)次數(shù)時170℃降溫至室溫較150℃降溫至130℃下降幅度大。

養(yǎng)護(hù)工程中通常要求軟化點(diǎn)值≥80℃，以此為控制條件，得到以下結(jié)論：①當(dāng)儲存溫度為170℃時，樣品加熱時間不超過36 h；當(dāng)儲存溫度為150℃時，樣品加熱時間不超過132 h；當(dāng)儲存溫度為130℃時，樣品加熱時間不超過216 h；②當(dāng)循環(huán)條件為170℃到室溫時，極限循環(huán)次數(shù)為1次；當(dāng)循環(huán)條件為150～130℃時，極限循環(huán)次數(shù)為3次。

3.1.2 持續(xù)保溫狀態(tài)對SBS改性瀝青60℃ZSV的影響

通過DSR流變儀采用穩(wěn)態(tài)流動試驗(yàn)對以3.1.1得到的極限條件在不同儲存時間下制備的SBS改性瀝青樣品進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)，得到頻率與粘度的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 瀝青掃描頻率與粘度的關(guān)系曲線(170℃)Fig.3 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity(170℃)

圖4 瀝青掃描頻率與粘度的關(guān)系曲線(150℃)Fig.4 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity(150℃)

圖5 瀝青掃描頻率與粘度的關(guān)系曲線(130℃)Fig.5 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity(130℃)

對通過動態(tài)剪切流變儀經(jīng)頻率掃描所得到的頻率與粘度的關(guān)系數(shù)據(jù)采用Carrera模型獲得多項(xiàng)式曲線，得到不同儲存溫度下SBS改性瀝青的60℃ZSV，結(jié)果如圖6所示。

圖6 儲存時間對ZSV的影響規(guī)律Fig.6 Effect of storage time on ZSV

圖6是儲存時間對SBS改性瀝青60℃ZSV的影響規(guī)律曲線，呈現(xiàn)了60℃ZSV隨著儲存時間和儲存溫度的變化情況。從結(jié)果可以看出，儲存溫度和儲存時間都對ZSV有較大的影響，具體體現(xiàn)在，儲存溫度越高、儲存時間越長，其改性瀝青的ZSV降低的幅度越大。

3.2 循環(huán)加熱對SBS改性瀝青60℃零剪切黏度的影響

通過DSR流變儀采用穩(wěn)態(tài)流動試驗(yàn)對不同循環(huán)次數(shù)下制備的SBS改性瀝青樣品進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)，得到頻率與粘度的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 瀝青掃描頻率與粘度的關(guān)系曲線(170℃降溫至室溫)Fig.7 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity (170℃ to room temperature)

圖8 瀝青掃描頻率與粘度的關(guān)系曲線(150℃降溫至130℃)Fig.8 Curve of asphalt scanning frequency and viscosity (150℃ to 130℃)

對通過動態(tài)剪切流變儀經(jīng)頻率掃描所得到的頻率與粘度的關(guān)系數(shù)據(jù)采用Carrera模型獲得多項(xiàng)式曲線，得到不同儲存溫度下SBS改性瀝青的60℃ZSV，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，兩種保溫冷卻循環(huán)條件對SBS改性瀝青60℃ZSV隨循環(huán)次數(shù)的影響程度不同。隨著循環(huán)次數(shù)的增多，SBS改性瀝青60℃ZSV整體呈現(xiàn)下降的趨勢，且在相同循環(huán)次數(shù)時170℃降溫至室溫較150℃降溫至130℃下降幅度大，說明SBS改性瀝青的高溫性能逐漸變差。

圖9 循環(huán)次數(shù)對ZSV的影響規(guī)律Fig.9 Effect of cycle times on ZSV

SBS改性瀝青在不同存儲條件下高溫性能逐漸衰減的原因主要是一方面在持續(xù)高溫下SBS聚合物發(fā)生降解至小分子，另一方面SBS與瀝青在高溫下所形成的交聯(lián)鍵發(fā)生了斷裂，使體系的ZSV減小即高溫性能變差。

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)室模擬養(yǎng)護(hù)工程現(xiàn)場條件對SBS改性瀝青進(jìn)行制樣，對不同的樣品通過動態(tài)剪切流變儀經(jīng)頻率掃描試驗(yàn)得到的頻率與粘度的關(guān)系數(shù)據(jù)，再采用Carrera模型獲得多項(xiàng)式曲線，得到不同養(yǎng)護(hù)條件下SBS改性瀝青的60℃ZSV，得出以下結(jié)論：

(1)確定了養(yǎng)護(hù)工程用SBS改性瀝青現(xiàn)場施工的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬條件，其中儲存溫度選取170℃、150℃和130℃，保溫冷卻循環(huán)選取170℃至室溫、150℃至130℃；

(2)根據(jù)軟化點(diǎn)值提出了不同存儲溫度條件下的極限存儲時間和不同循環(huán)條件下的極限循環(huán)次數(shù)。

(3)儲存溫度越高、儲存時間越長，其改性瀝青的ZSV降低的幅度越大，說明養(yǎng)護(hù)工程中，改性瀝青高溫下不能長期儲存。

(4)隨著循環(huán)次數(shù)的增多，SBS改性瀝青60℃ZSV整體呈現(xiàn)下降的趨勢，且在相同循環(huán)次數(shù)時170℃降溫至室溫較150℃降溫至130℃下降幅度大，說明在養(yǎng)護(hù)工程周期較長的時候，改性瀝青不宜多次循環(huán)加熱，且儲存溫度不宜過高。

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The Application of 60℃ ZSV Index in the Evaluation of Asphalt of Highway Maintenance

Zhu Zhengyan，Jiang Ruiling，Meng Lingguo

(Jiangsu Sundai Road & Bridge Co.，Ltd，Nanjing 210049)

According to the different situation of expressway maintenance engineering，SBS modified asphalt samples of corresponding conditions were prepared through laboratory simulation.Dynamic frequency sweep test was carried out by using dynamic shear rheometer.60℃ ZSV values of different sample was obtained by polynomial fitting method using Carreau model.Thetest results showed that the higher the storage temperature and the longer storage time，the greater decreasing amplitude of modified asphalt ZSV.This indicated that in the process of maintenance engineering，the modified asphalt can’t be stored for a long time in high temperature condition.60℃ ZSV of SBS modified asphalt has a decreasing trend with the increasing number of the cycles.The decrement of 60℃ ZSV from 170℃ to room temperature was bigger than that from 150 ℃ to 130 ℃ in the same number of cycles.It was not appropriate to repeatedly heat the modified asphalt during in a long period maintenance project and the exorbitant storage temperature was not recommended.

expressway maintenance engineering；SBS modified asphalt；ZSV；evaluation

2016-06-20

2016年江蘇省交通科研項(xiàng)目(2016707-2)

祝爭艷，碩士，高級工程師。研究方向：道路工程養(yǎng)護(hù)。

*通信作者：江瑞齡，碩士，教授級高級工程師。研究方向：道路工程養(yǎng)護(hù)。E-mail：jiangah@sina.com

祝爭艷，江瑞齡，孟令國.60℃零剪切粘度ZSV指標(biāo)在高速公路養(yǎng)護(hù)瀝青評價中的應(yīng)用[J].森林工程，2017，33(2)：83-87.

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1001-005X(2017)02-0083-05