基于動態剪切流變儀試驗的溫拌瀝青老化性能研究

黃美燕

摘要：為了研究溫拌瀝青短期老化和長期老化后性能變化。該文選用Sasobit和3G兩種溫拌瀝青，加入到70#基質瀝青和SBS改性瀝青，制備相應的溫拌瀝青，采用動態剪切流變儀DSR，測試不同溫拌劑種類及不同摻量的溫拌瀝青，測試其復數剪切模量G*和相位角δ 。結果表明：Sasobit和3G溫拌劑的加入都使瀝青短期老化程度降低，Sasobit溫拌劑的幅度比3G溫拌劑大，且降低幅度隨著溫度的增大而增大，而3G溫拌劑在不同溫度下其降低幅度相差無幾;長期老化后，Sasobit溫拌劑能夠使瀝青的G*/sinδ值變大，提高瀝青的高溫性能，3G溫拌瀝青的高溫性能基本不變。

關鍵詞：Sasobit溫拌瀝青復數剪切模量老化性能

中圖分類號：U414文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）01（a）-0000-00

Rheological Properties of Aging Performance of Warm Mix Asphalt Based on

Dynamic Shear Rheometer Test

HUANG ?Meiyan

（Hunan Urban Construction College，Xiangtan，Hunan Province，411101 China）

Abstract： In order to study the short-term aging and long-term aging of warm mix asphalt performance changes. In this paper， Sasobit and 3Gwarm mix asphalt were used to prepare warm mix asphalt by adding 70# base asphalt and SBS modified asphalt， and DSR dynamic shear rheometer was used to test different kinds of warm mix asphalt and different content of warm mix asphalt， the Complex Shear Modulus G* and Phase Angle δ were measured. The results show that the short-term aging degree of asphalt decreases with the addition of Sasobit and 3G， and the range of Sasobit is larger than that of 3G， after long-term aging， Sasobit can increase the G*/Sin δ value of asphalt and improve the high-temperature performance of asphalt， and the high-temperature performance of 3G warm-mix asphalt is basically unchanged.

KeyWords： Sasobit; Warm mix asphalt; Complex shear modulus; Aging performance

截至2020年，我國高速公路里程達16.10萬km，其中近90%的路面采用鋪筑[1]。大部分瀝青路面選用熱拌瀝青混合料（HMA），這種混合料在施工過程中，釋放有毒廢氣、施工溫度高，能源消耗且加速老化[2]。針對此，溫拌瀝青混合料技術應運而生，就是通過一定的技術或摻加添加劑，降低瀝青在拌和、攤鋪溫度的粘度，使得瀝青能在較低的溫度下進行施工，同時保持其不低于HMA的使用性能的瀝青混合料技術[3]。

通過知網文獻研究，目前大多數學者主要關注溫拌瀝青混合料的能源消耗方面及施工溫度降低方面的問題[4-5]，對于其老化前后的性能關注較少。該文通過動態剪切流變儀（DSR）研究溫拌瀝青的短期老化和長期老化性能，測試溫拌瀝青的復數剪切模量G*和相位角δ 來評價其流變性能，并提出老化率Ar來表征老化程度，為溫拌瀝青混合料在路面服役過程提供指導。

1老化試驗方法介紹

美國公路研究計劃SHRP采用全新的方法對瀝青老化進行評價，主要是模擬實踐條件的老化狀態，構建模擬生產過程中的短期老化和路面服役過程中的長期老化。SHRP規范的思想是采用原樣和短期老化后的復數剪切模量G*和相位角δ 表征產生在瀝青路面修筑初期的車轍等永久變形;瀝青路面的疲勞開裂主要發生在經過短期老化又經過長期老化的瀝青路面，通過動態剪切試驗的G*sinδ來評價。該文用動態流變性能評價老化瀝青，采用旋轉薄膜烘箱（RTFOT）來模擬短期老化和壓力老化容器（PAV）來模擬長期老化。

1.1 旋轉薄膜烘箱（RTFOT）試驗

旋轉薄膜烘箱（RTFOT）試驗模擬施工期的老化，主要進行膠結料的老化，用Superpave膠結料試驗方法對膠結料作進一步的試驗和評價。該方法是將（35±0.5）g瀝青試樣倒入RTFOT試樣瓶中，裝8個瓶，但有2個瓶必須用于確定質量變化。如果測定質量變化，含有試樣的2個瓶應被冷卻并稱量精確到0.001g。另外，RTFOT的殘留物應從裹覆的瓶中倒出，實際應用時可用刮器盡可能多的刮出。這種材料可被用來做DSR試驗或轉移到壓力老化容器盤中進行進一步老化，或者裝進同樣大小的容器中，貯存起來以備將來使用。

1.2 壓力老化儀（PAV）

壓力老化容器（PAV）試驗模擬路面使用期的老化。PAV法是模擬瀝青在路面長期服役過程中發生的氧化老化，利用高溫和壓縮的空氣進行加速老化（氧化）試驗。

試驗方法大致是先預熱壓力容器，達到試驗溫度后，把澆灌50g熱瀝青壓力老化容器放在試樣加上，再把架子上的試樣放進熱容器中，固定好蓋子，并固定好安全裝置。儀器重新加熱，直至到試驗溫度的2℃以內，儀器開始加壓，試驗開始計時。加壓20h后，通過排氣閥緩慢排氣。將試驗盤先從試驗架上挪開，再放入163℃的烘箱中，時長為15min，最后放入真空除氣箱，將試件中封閉的空氣消除，然后放入儲存材料的容器，為下一步試驗做準備。

該實驗瀝青采用青島安邦路法有限公司提供的70#瀝青和SBS改性瀝青，溫拌劑選用Sasobit和3G。采用美國TA公司生產的AR-1500e型動態剪切流變儀進行老化瀝青動態剪切流變試驗，溫度范圍為29 ℃～85℃，角速度ω為10rad/s，進行溫度掃描[6]。

2 溫拌劑對瀝青短期老化的影響分析

2.1 溫拌劑對短期老化G*和δ的影響

復數剪切模量表征其抵抗剪切變形的能力，原樣和短期老化瀝青的復數剪切模量都隨著溫度的升高而減小，相位角隨著溫度升高而升高，試驗數據具體見表1。

通過對表1數據分析可以得到以下方面的影響。

2.1.1老化前后，瀝青的流變性能趨勢不變

當在相同溫度時，不論老化前后，添加溫拌劑的瀝青的復數剪切模量較之未加前的數值大，表明溫拌劑在瀝青老化階段也能提高其抗變形能力。在溫度低于71℃，G*值每隔12℃，其增大幅度有一個數量級，當溫度高于71℃時，G*的變化很小;在試驗溫度下，相位角δ的值都是增大的，在71℃左右時，曲線出現小幅度震蕩，老化前與老化后瀝青的相位角差值變小，特別是A-S-4的相位角基本相等，總而言之，摻加溫拌劑的瀝青老化后的相位角比原樣的大。

2.1.2溫拌劑種類對老化的影響

溫拌劑種類會影響瀝青的老化性能，這是因為不同的溫拌劑會有不同的溫拌機理。為了定量表征瀝青老化性能，定義老化前后指標的差值與老化前的比值作為老化率Ar，其值與老化程度呈現正相關關系。以G*為標準的老化率來分析，基質溫拌瀝青的老化程度與溫度呈現負相關的關系，即隨著溫度的增加老化程度降低，這可能是因為當溫度超過一定值時，相位角δ的值幾近達到90℃，即將散失彈性變形特性。當瀝青是粘性狀態，兩種溫拌劑的加入均讓瀝青老化程度降低，相較之于3G溫拌劑，Sasobit溫拌劑使瀝青老化性能降低幅度要大，且該幅度隨著溫度的增大而增大，但3G溫拌劑使瀝青老化性能降低幅度與溫度變化關系不大。

2.2 老化對溫拌瀝青G*/sinδ的影響

G*/sinδ是表征瀝青高溫性能的重要指標。Superpave規范要求瀝青經過短期老化后的G*/sinδ值不小于2.2MPa。該試驗中，短期老化后瀝青的G*/sinδ值都會較原樣的大，溫拌瀝青短期老化后又會呈現什么規律？該文詳細分析了短期老化數據，具體見表2。

通過對表2數據分析可以得到以下關系。

（1）溫拌瀝青的G*/sinδ值與溫度的關系呈負相關，溫度越高，G*/sinδ值迅速降低，抗車轍能力降低。

（2）比較各原樣瀝青的G*/sinδ值，發現Sasobit溫拌劑對基質瀝青的高溫性能效果最好，3G溫拌劑加入基質瀝青或改性瀝青中，其G*/sinδ值都有所減小。

（3）同一溫度下，溫拌劑加入到基質瀝青中，不管老化前后，Sasobit高溫性能的效果比3G好，且都是老化后瀝青的G*/sinδ值比原樣的大，高溫性能變好。3G溫拌瀝青不管加到基質瀝青還是改性瀝青中，其老化前瀝青的G*/sinδ值基本沒變，表明其對瀝青的高溫性能沒有很大的影響，如在35℃時，Sasobit加入到基質瀝青中，其G*/sinδ值都比基質瀝青的大，高溫性能變好，當Sasobit加入到改性瀝青中，G*/sinδ值增幅很小，對高溫性能的影響不是很大，說明Sasobit溫拌劑的加入更有利于70#瀝青的高溫性能。A-G-0.6的G*/sinδ值比A的小5.8kPa，B-G-0.6的G*/sinδ值比B的小0.7kPa，表面在中溫下，3G溫拌瀝青的G*/sinδ值略有降低，高溫性能變弱。經過短期老化后，3G溫拌瀝青的G*/sinδ值比原樣小，抗車轍能力降低。總而言之，Sasobit溫拌劑不管老化前后的G*/sinδ值均增大，且對基質瀝青效果更好，而3G溫拌劑瀝青的高溫性能沒有大的變化，有時G*/sinδ值還比原樣小。

3 溫拌劑對長期老化的影響

長期老化一般發生在路面使用階段，在短期老化之后[7]。可通過研究長期老化溫拌瀝青，預測路面使用壽命。瀝青的抗車轍能力一般是路面使用一段時間之后（長期老化）最強，然后是路面鋪筑初期（短期老化），最后是原樣瀝青。由上節對溫拌瀝青短期老化的數據可以看出，老化會影響溫拌瀝青的性能，且對不同溫拌劑的影響效果不同。從老化特性來看，短期老化只是瀝青在拌和和鋪筑過程中的老化，而路面服役過程是一個連續而又漫長的過程，有必要模擬瀝青長期老化性能。

3.1 溫拌劑種類對長期老化的影響

溫拌劑加入到瀝青中，降低拌和和攤鋪的溫度，使得瀝青的老化程度減輕，長期老化的程度也會減低，但是不同溫拌劑對瀝青長期老化的影響存在差異，現經過試驗研究Sasobit和3G溫拌瀝青長期老化性能的影響，具體數據見圖1。

從圖1數據獲知，長期老化后瀝青的G*值都是隨溫度的升高而減小，δ值都是呈現增大的趨勢。不同溫拌劑對瀝青G*值的影響也不同，P-A-S-4的G*值比P-A大，且隨著溫度的增大差值愈小，由29℃的2.29×106減小為85℃的1.31×103，相差3個數量級，P-A-G-0.6的G*值比P-A的小，29℃時差值為2.91×105，85℃時的差值為2.18×102。Sasobit、3G溫拌瀝青加入改性瀝青中，G*值也呈現同樣的規律。Sasobit溫拌瀝青的δ值比原樣瀝青的小，且不管原樣瀝青是基質瀝青還是改性瀝青，其差值差不多，最大值為7℃和8℃，3G溫拌瀝青的δ值比原樣也只是大一點，沒有很大的影響。表明長期老化對瀝青粘彈比例影響不大。

3.2 長期老化對溫拌瀝青G*sinδ值的影響

SHRP研究者采用DSR測定瀝青的粘彈性，用RTFOT和PAV中老化后瀝青的G*sinδ值來表示瀝青路面的疲勞開裂。溫拌瀝青由于其在施工過程中的老化程度比較小，相應的長期老化性能也較原樣瀝青好，如圖2所示。比較Sasobit和3G溫拌瀝青長期老化后G*sinδ值，研究溫拌瀝青的疲勞性能及不同溫拌劑在疲勞性能方面的差異。

分析圖2可知，溫拌瀝青疲勞因子隨著溫度的升高迅速降低，不同溫拌劑對瀝青G*sinδ值的影響不同，Sasobit溫拌劑在試驗溫度范圍內能增加瀝青的G*sinδ值，使其抗疲勞性能增強，在29～41℃時，P-A-S-4與P-A的G*sinδ差值分別為1751kPa、852.2kPa、349.8kPa，P-B-S-4與P-B的G*sinδ差值分別為880kPa、501kPa、284.5kPa，即Sasobit加入基質瀝青的G*sinδ值比Sasobit加入改性瀝青的提高地大，表明改性瀝青中加入Sasobit溫拌劑后，其路面疲勞性能的增加幅度比基質瀝青小。而3G加入到瀝青中的G*sinδ值比原樣瀝青的小，表明3G溫拌劑降低了瀝青的疲勞性能。

4 結語

通過上述的試驗結果分析，發現溫拌劑加入瀝青后，其長期老化和短期老化性能都有所變化。老化不會改變溫拌瀝青的粘彈性質，只是改變其變化幅度，Sasobit和3G溫拌劑的加入都使瀝青短期老化程度降低，Sasobit溫拌劑的幅度比3G溫拌劑大，且降低幅度隨著溫度的增大而增大，而3G溫拌劑在不同溫度下其降低幅度相差無幾;長期老化后，Sasobit溫拌劑能夠使瀝青的G*/sinδ值變大，提高瀝青的高溫性能，3G溫拌瀝青的高溫性能基本不變。

參考文獻

[1] 王海成，金嬌，劉帥，等.環境友好型綠色道路研究進展與展望[J].中南大學學報：自然科學版，2021，52（7）：2137-2169.

[2] 馬峰，袁康博，傅珍，等.不同溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2021，44（11）：1500-1505.

[3] 張蔭成，馬耀宗，李懷玉，等.溫拌瀝青短期老化性能研究[J].西部交通科技，2018（8）：44-47.

[4] 吳坤.溫拌瀝青短期老化溫度與老化性能研究[J].上海公路，2021（1）：97-99，122.

[5] 雷俊安，鄭南翔，許新權，等.基于多應力蠕變恢復試驗的溫拌瀝青高溫性能[J].江蘇大學學報：自然科學版，2020，41（4）：459-465.

[6] 蔣宇.溫拌相變瀝青混凝土路用性能研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2021.

[7] YU T，HUI L，HENGJI Z，etal. Comparative Investigation on Three Laboratory Testing Methods for Short-Term Aging of Asphalt Binder[J]. Construction and Building Materials，2021，266：121204.