基于CAM模型的瀝青及改性瀝青的流變主曲線研究

肖亞瀾 張 莉 賈建松

（1.湖南高速材料貿易有限公司，湖南 長沙 410003；2.中路交建（北京）工程材料技術有限公司，北京 100089）

關鍵字：道路工程；改性瀝青；CAM模型；流變主曲線；流變特性

0 引言

瀝青結合料作為一種粘彈性材料，其力學性能受溫度、頻率和時間等因素影響，根據時溫疊加原理，可得到瀝青的復數剪切模量和相位角的主曲線，其主曲線在二維空間中呈S形分布，通過對主曲線進行分析，可以得到瀝青混合料在擴展的溫度和頻率范圍內的粘彈性特性[1]。描述瀝青混合料流變主曲線的常用模型有Sigmoidal模型、廣義Logistic Sigmoidal 模型、Christensen-Anderson（CA）模型和Christensen-Anderson-Marasteanu（CAM）模型[2]。通過對四種模型計算的實驗數據和模型數據之間的相關性進行評估，可以發現對于改性瀝青粘合劑，廣義Logistics模型和CAM模型的實驗數據和模型數據之間具有顯著的相關性[3]。

SHRP計劃中提出的車轍因子指標和疲勞因子指標在評價瀝青性能方面有一定的局限性，與瀝青在實際路面服役環境的情況不一致[4]。為全面評價瀝青在個別溫度頻率下力學指標的變化趨勢，董雨明研究硬質瀝青混合料的特性時采用了CAM模型進行瀝青動態剪切模量主曲線的繪制，得到瀝青在更寬溫度頻率下的力學指標，更加全面地分析了瀝青性能[5]。郭詠梅對不同種類的改性瀝青和混合料進行主曲線擬合時，發現瀝青的動態力學響應能夠反映其混合料的性質[6]。張肖寧等研究了基于CAM模型繪制瀝青混合料主曲線的粘彈性能曲線，將對瀝青的研究延伸到瀝青混合料[7]。但是瀝青在使用過程中一般會與礦粉和改性劑等外摻劑結合，所以通過對摻有外摻劑的瀝青進行不同溫度頻率的試驗并采用CAM模型繪制動態剪切模型流變主曲線，在此基礎上驗證CAM模型是否能較好地模擬各種類型的瀝青流變主曲線，進而預測瀝青動態剪切模量的變化趨勢是十分重要且必須的。

因此，本文對基質瀝青、SBS改性瀝青、橡膠粉改性瀝青和Sasobit溫拌改性瀝青進行不同頻率下的動態剪切流變試驗，分析其動態剪切模量隨溫度頻率的變化趨勢。采用CAM模型建立瀝青流變主曲線方程，研究CAM模型對各種瀝青的適用程度，并基于擬合結果分析各種瀝青的流變特性。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

瀝青選用SK90基質瀝青，其常規技術指標如表1所示。采用基質瀝青添加改性劑的方式制備改性瀝青，本研究采用SBS 改性劑、橡膠粉改性劑和Sasobit 溫拌劑。其中SBS摻量為瀝青質量的4%，橡膠粉摻量為15%，粒度大小為40目，Sasobit溫拌劑摻量為3%。

表1 基質瀝青性能指標

1.2 改性瀝青的制備

由于不同外摻劑與瀝青融合的溫度不同，必須采用不同的加熱溫度和剪切速率制備不同種類的改性瀝青。分別將SK90瀝青加熱到135℃和170℃，然后使用高速剪切機在2500r/min的轉速下轉動5min，保證瀝青能自由流動。隨后向135℃的熱瀝青中緩慢加入Sasobit改性劑，分別向170℃的熱瀝青中緩慢加入SBS改性劑和橡膠粉改性劑，剪切45min，以保證瀝青與改性劑充分混合反應，進而制得不同種類的改性瀝青。

1.3 試驗方案

分別在40℃、50℃、60℃和70℃下測量改性瀝青從0.1~100rad/s的線性粘彈性范圍內的頻率掃描，從而評價瀝青粘結劑的剪切變形性能和溫度敏感性。

流變主曲線是獲取瀝青粘合劑在較寬溫度范圍內流變特性的一個有用工具[8-10]。在不同溫度下收集的測試數據可以相對于加載時間或頻率“移位”，使得各種曲線對齊以形成單個主曲線[11-13]。通過CAM模型進一步構建主曲線方程，見式（1），形狀參數k和me與流變參數E具有密切關系，E值可反應材料的松弛譜寬度，E值越大說明材料從彈性行為向粘性行為過渡越平緩，其頻率敏感性和溫度敏感性也就越小[14-17]，E值的計算公式見式（2），該模型示意圖見圖1所示。

圖1 I型CAM模型

式中：

2 試驗結果分析與討論

采用CAM方程對各類瀝青復數模量主曲線進行擬合，擬合結果見圖2，擬合參數見表2。

表2 I型CAM復數模量主曲線擬合參數

圖2 I型CAM復數模量流變主曲線擬合結果

從圖2可以看出，各瀝青流變主曲線隨角頻率的增加而增大，在各種改性劑中，SBS改性瀝青的抗車轍性能最好，其次是橡膠粉改性瀝青和Sasobit溫拌瀝青，抗車轍性能最差的為基質瀝青。不同種類的瀝青采用CAM進行復數模量主曲線擬合均可以達到較高的相關性，這一點從表2的相關系數R2也可得到證實，基質瀝青和Sasobit溫拌改性瀝青的相關系數達到0.999以上。由表2可以看出不同瀝青的k和me值變化比較穩定，因此認為E值主要是由瀝青流變主曲線線形決定且具有良好的穩定性和代表性。

從表2可以看出，不同種類的瀝青E值存在如下關系：橡膠改性瀝青>Sasobit溫拌瀝青>SBS改性瀝青>基質瀝青，因此可以得出，橡膠改性瀝青的頻率敏感性和溫度敏感性最小，其次為Sasobit溫拌瀝青，而基質瀝青具有最差的感溫性能。

3 結束語

通過研究主要得出以下結論：

（1）基于不同瀝青的復數模量流變主曲線，可以得出SBS改性瀝青的抗車轍性能最好，其次是橡膠粉改性瀝青和Sasobit溫拌瀝青，基質瀝青抗車轍性能最差。橡膠改性瀝青的頻率敏感性和溫度敏感性最小，基質瀝青的感溫性能較差。

（2）CAM模型對基質瀝青和改性瀝青均具有良好的適用性，其中基質瀝青和Sasobit溫拌改性瀝青的適用性最好。