EVA改性瀝青溫度敏感性及高溫穩(wěn)定性研究

摘 要：【目的】針對瀝青路面在夏季容易出現(xiàn)車轍等病害問題，選取乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）對瀝青進(jìn)行改性，以減少路面病害的發(fā)生?！痉椒ā坷脛討B(tài)剪切流變儀對不同摻量的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA的含量分別為0%、3%、6%和9%）改性瀝青進(jìn)行動態(tài)溫度掃描試驗(yàn)，對表征瀝青溫度敏感性評價指標(biāo)黏溫指數(shù)進(jìn)行研究分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：基于動態(tài)剪切流變試驗(yàn)的黏溫指數(shù)可以作為瀝青材料的溫度敏感性評價指標(biāo)，VTS絕對值越大，表示瀝青材料的溫度敏感性越高。【結(jié)論】EVA作為瀝青改性劑能夠有效降低瀝青的溫度敏感性，并且隨著改性劑含量的增加，溫度敏感性逐漸下降。

關(guān)鍵詞：乙烯-乙酸乙烯酯（EVA）；動態(tài)剪切流變試驗(yàn)；溫度敏感性；高溫穩(wěn)定性

中圖分類號：U414" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " " " " " " " " "文章編號：1003-5168（2023）12-0089-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.017

Study on the Compatibility of Ethylene-Vinyl Acetate Modified Asphalt

LI Zili1 LI Peng1 GUO Wanru1 LI Ruiduo2

（1. Henan Zhongzhou Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Zhoukou 466000，China;

2.School of Civil and Transportation Engineering， Henan University of Urban Construction， Pingdingshan 467036，China）

Abstract： [Purposes] The asphalt pavement is prone to rutting and other diseases in summer. The copolymer of ethylene - vinyl acetate （EVA） was used to modify asphalt to reduce the occurrence of pavement diseases. [Methods] The modified asphalt using of different dosage （0%， 3%， 6% and 9%， respectively） of ethylene-vinyl acetate copolymer （EVA） after high speed shearing emulsification preparation of was carried out and the dynamic shear rheological experiments were completed based on the thermodynamic theory. [Findings] The experimental results were analyzed using the Han function of different dosage of EVA modified asphalt under different temperature conditions based on thermodynamic theory. [Conclusions] The results show that in the logarithmic coordinate system， the slopes of the Han curve of the storage modulus of EVA modified asphalt are positively correlated with temperature， and there is no temperature dependence. The slopes of the Han curve decreased with the increase of EVA content at each test temperature （30 ℃， 40 ℃， 50 ℃ and 60 ℃， respectively）， indicating that the compatibility between EVA modifier and matrix asphalt gradually deteriorated with the increase of EVA content.

Keywords：ethylene-vinyl acetate （EVA）; dynamic shear rheological test; storage modulus; high temperature stability

0 引言

瀝青溫度敏感性是指高聚物改性瀝青在不同溫度下的性能變化情況，而瀝青高溫穩(wěn)定性則是指改性瀝青在高溫環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。溫度敏感性是用于評價瀝青對于溫度變化的敏感程度的重要性能指標(biāo)，因此，深入研究這些性能參數(shù)對于確保高聚物改性瀝青在不同條件下的使用效果至關(guān)重要。相關(guān)研究需要結(jié)合試驗(yàn)和理論分析，并從多個角度進(jìn)行探究，例如材料成分、溫度變化、應(yīng)力和應(yīng)變等方面。對高聚物改性瀝青的溫度敏感性和高溫穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，有助于降低瀝青路面相關(guān)病害的發(fā)生率，提高道路使用的安全性和可靠性。在評價瀝青溫度敏感性的性能指標(biāo)方面，國內(nèi)外道路工作者都做了大量的工作，并得出很多關(guān)于瀝青溫度敏感性的評價方法及相應(yīng)的評價指標(biāo)，相關(guān)指標(biāo)主要有三種：針入度指數(shù)、針入度黏度指數(shù)和黏溫指數(shù)［1-4］。

針入度指數(shù)PI是基于經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)針入度計(jì)算得到的參數(shù)，其精密度受到針入度試驗(yàn)方法的影響，受人為因素影響較大，準(zhǔn)確性難以保證。黏溫指數(shù)要想擴(kuò)大溫度表征范圍，則需要測試低溫條件下的黏度，采用傳統(tǒng)的測試方法得到低溫黏度的影響因素較多，準(zhǔn)確性不高。而采用動態(tài)剪切流變儀測試黏度能夠使評價指標(biāo)更合理、更準(zhǔn)確［5-9］。

1 等效黏度

有研究表明［10］，對瀝青的感溫性進(jìn)行評價，可以通過動力黏度值對瀝青材料的黏溫指數(shù)VTS進(jìn)行計(jì)算，動力黏度值又可以通過瀝青材料的復(fù)數(shù)黏度和復(fù)數(shù)模量進(jìn)行計(jì)算。黏溫指數(shù)VTS與動力黏度之間的關(guān)系如式（1）。

式中：T1、T2為不同溫度；ηT1、ηT2是與T1、T2分別對應(yīng)的動力黏度。

復(fù)數(shù)模量G*與復(fù)數(shù)黏度之間存在關(guān)系G*=ωη*?，F(xiàn)代黏彈性理論認(rèn)為黏彈性材料的復(fù)數(shù)黏度η*包括動態(tài)剪切黏度η'和損失黏度η''兩個分量。道路瀝青材料自身的黏性造成的能量損失為動態(tài)剪切黏度η'，由于自身彈性因素造成的能量損失即為損失黏度η''。η'、η''的計(jì)算公式分別為式（2）、式（3）。

式中：η'為等效黏度，僅在瀝青處于牛頓流體狀態(tài)時才能使用。瀝青在溫度較低的條件下并非處于牛頓流體狀態(tài)，還需要對該公式的系數(shù)進(jìn)行修正。

Cox-Merz對等效黏度的公式進(jìn)行了修正并提出了動靜態(tài)黏度的換算方法［11］，如式（4）。

式中：G*為復(fù)數(shù)模量；δ為相位角； ω為角頻率。

陳華鑫等［10］通過相關(guān)試驗(yàn)對不同溫度標(biāo)準(zhǔn)下的黏溫曲線的雙對數(shù)模型進(jìn)行分析驗(yàn)證，并指出了蘭金溫度標(biāo)準(zhǔn)下的黏溫曲線模型可以用以區(qū)別瀝青之間的差異。

本研究將蘭金溫度標(biāo)準(zhǔn)作為計(jì)算溫度標(biāo)準(zhǔn)對動態(tài)剪切流變的溫度掃描結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到了基質(zhì)瀝青和EVA改性瀝青在多種溫度條件下的等效黏度。以基質(zhì)瀝青為例對多種溫度條件下的黏溫指數(shù)VTS進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)參數(shù)見表1?？梢钥闯觯?dāng)溫度升高時，基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量減小而相位角變大，瀝青變形的黏性因素增加，彈性因素減少。

2 黏溫指數(shù)

試驗(yàn)溫度內(nèi)的黏溫曲線的斜率m可以通過線性擬合的方式求得。該斜率m的絕對值就是黏溫指數(shù)VTS=m（mlt;0），該黏溫指數(shù)值VTS越大，瀝青材料的感溫程度越高。

目前常用的黏溫關(guān)系見式（5）。

以70?；|(zhì)瀝青為例，對基質(zhì)瀝青的溫度掃描結(jié)果進(jìn)行線性擬合處理得到黏溫指數(shù)VTS，對表1基質(zhì)瀝青的黏溫參數(shù)中的參數(shù)進(jìn)行線性擬合得到的結(jié)果如圖1所示。由擬合結(jié)果可知，基質(zhì)瀝青的黏溫指數(shù)VTS值為-7.496 66。

通過同樣的方法對EVA改性瀝青進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到兩種改性瀝青在不同摻量下的黏溫關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，基質(zhì)瀝青及EVA改性瀝青的黏溫指數(shù)VTS結(jié)果見表2。

黏溫指數(shù)VTS絕對值越大，表示瀝青材料的溫度敏感性越高。從表2中可以看出，黏溫指數(shù)的絕對值最大的瀝青試樣為70＃基質(zhì)瀝青，說明相比于EVA改性瀝青，基質(zhì)瀝青對溫度的變化最為敏感。而EVA改性瀝青能不同程度地改善瀝青的溫度敏感性。

相比于基質(zhì)瀝青，3%摻量EVA改性瀝青的溫度敏感性提高了17.09%，6%摻量EVA改性瀝青的溫度敏感性提高了34.62%，9%摻量EVA改性瀝青的溫度敏感性提高了50.14%。

3 基于臨界溫度THS的瀝青高溫性能分析

美國在SHRP計(jì)劃中提出了使用車轍因子作為反映道路瀝青材料高溫性能的重要指標(biāo)，其主要表征瀝青及改性瀝青抵抗永久變形的能力。

通過動態(tài)剪切流變試驗(yàn)進(jìn)行試樣的溫度掃描，可以得到瀝青在46～84 ℃范圍（溫度步長為6 ℃）內(nèi)抗車轍因子隨著溫度的變化規(guī)律。并通過非線性擬合的方式確定車轍因子處于臨界值時的臨界溫度THS，即G*/sinδ=1 kPa時原樣瀝青的溫度，用臨界溫度THS評價其高溫性能。道路瀝青材料的臨界溫度THS數(shù)值大小表征了該種材料的高溫穩(wěn)定性能。

現(xiàn)對基質(zhì)瀝青、EVA改性瀝青進(jìn)行動態(tài)剪切流變溫度掃描，通過Origin軟件的非線性擬合工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖3所示的瀝青在變化溫度下的車轍因子曲線。通過非線性擬合的方式，得到每條曲線的變化規(guī)律，可以計(jì)算得出車轍因子的臨界溫度THS，結(jié)果見表3。

從圖3、圖4中可以看出，車轍因子在同一溫度下隨著EVA改性劑摻入量的增加而變大；隨著EVA含量的增加，EVA改性瀝青的臨界溫度比基質(zhì)瀝青分別提高了16.31%、41.41%、59.46%。說明EVA能夠有效提高基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性能。

4 結(jié)語

通過換算的等效黏度求得黏溫指數(shù)VTS，借助黏溫指數(shù)VTS來判別不同改性劑和摻量對瀝青溫度敏感性的影響。使用Origin工具對車轍因子進(jìn)行非線性擬合，以車轍因子G*/sinδ=1 kPa時的溫度作為臨界溫度THS，通過臨界溫度THS來判別基質(zhì)瀝青和改性瀝青的高溫穩(wěn)定性?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論。

①基于動態(tài)剪切流變試驗(yàn)的黏溫指數(shù)可作為瀝青材料的溫度敏感性評價指標(biāo)，VTS絕對值越大，表示瀝青材料的溫度敏感性越高。與EVA改性瀝青相比，基質(zhì)瀝青的溫度變化最為敏感。而EVA改性瀝青能不同程度地改善瀝青的溫度敏感性。

②EVA作為瀝青改性劑，能夠有效降低瀝青的溫度敏感性，并且隨著改性劑含量的增加，溫度敏感性逐漸下降。

③通過基質(zhì)瀝青和EVA改性瀝青的臨界溫度THS分析得知，EVA作為改性劑能夠明顯提高瀝青的高溫穩(wěn)定性能，并且EVA改性瀝青的高溫穩(wěn)定性隨著EVA含量的增加而提高。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 李福譜，沈金安.決定瀝青混合料針入度粘度指數(shù)PVN及瀝青混合料勁度模量的方法［J］.北京公路，1994（2）：31-34.

［2］ 陳華鑫，李寧利，張爭奇.瀝青材料的感溫性分析［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，26（1）：8-11.

［3］ 王立志，魏建明，張玉貞.道路瀝青溫度敏感性研究進(jìn)展［J］.石油瀝青，2008，22（4）：1-5.

［4］ 《瀝青生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)手冊》編委會.瀝青指標(biāo)及其對混合料性能的影響［M］.北京：中國石化出版社，2010.

［5］曾凡奇.瀝青感溫性指標(biāo)分析［J］.中外公路，2007（6）：156-159.

［6］王立志.道路瀝青溫度敏感性評價方法的研究［D］.青島：中國石油大學(xué)，2009.

［7］徐曉娟.瀝青膠結(jié)料溫度敏感性評價指標(biāo)適用性研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2009（6）：7-10.

［8］季節(jié)，武昊，索智，等.THFS對瀝青感溫性能的影響分析［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（3）：475-482.

［9］黨燕妮.基于流變的生物炭改性瀝青性能研究［D］.西安：長安大學(xué)，2017.

［10］陳華鑫.SBS改性瀝青路用性能與機(jī)理研究［D］.西安：長安大學(xué)，2006.

［11］陳華鑫，陳拴發(fā)，王秉綱.SBS改性瀝青低溫粘度的動態(tài)剪切流變測試方法［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（4）：505-509.