瀝青材料在DSR測試中的溫度梯度及溫度斜坡試驗(yàn)對比研究

稅 歡, 陶家清, 張新玉

(1.中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 四川成都 610081;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)

0 引言

流變學(xué)在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用已有較長的歷史[1],早在1960年代時(shí)Jongepier和Monismith等[2-3]學(xué)者就將流變學(xué)應(yīng)用在了道路瀝青的分析研究之中。經(jīng)過多年的理論研究和實(shí)踐探索,衍生出了一種基于流變學(xué)基本原理的測試設(shè)備——?jiǎng)討B(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer,簡稱DSR)。早在美國SHRP標(biāo)準(zhǔn)化之前,動(dòng)態(tài)剪切流變儀就已經(jīng)被用來測試各類聚合物的流變特性[4]。隨著美國的SHRP計(jì)劃工作規(guī)劃在1993年向全世界發(fā)布后,DSR便成為了用于測量瀝青結(jié)合料性能的重要試驗(yàn)設(shè)備[5, 6]。

瀝青是一種黏彈性材料且具有非常明顯的溫度敏感性,溫度變化會(huì)極大影響瀝青的性能。Garcta[8]的研究成果表明,瀝青的黏彈性行為主要取決于瀝青所處的溫度和加載的時(shí)間,因此完全可以通過 DSR 的溫度或頻率掃描測試來判斷瀝青流動(dòng)性能的變化。此后,研究人員針對瀝青在不同溫度下的流變性能進(jìn)行了大量的研究,其中相當(dāng)一部分研究是基于DSR展開的。通過記錄瀝青材料在試驗(yàn)過程中復(fù)數(shù)模量G*、相位角δ、儲存模量G＇和損失模量G″等參數(shù)的變化,可以分析出各種瀝青材料在溫度、應(yīng)變或頻率變化下的黏彈特性。詹小麗[9]采用DSR對基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和瀝青膠漿進(jìn)行了黏彈特性研究。譚華等[10]通過DSR溫度掃描試驗(yàn)對基質(zhì)瀝青和各種改性橡膠瀝青進(jìn)行研究,給出了各瀝青的抗疲勞性能、抗車轍性能的評價(jià)。譚憶秋等學(xué)者[11]利用DSR進(jìn)行了應(yīng)變掃描、溫度掃描試驗(yàn),準(zhǔn)確評價(jià)了SBS、SBR和橡膠粉等常用改性劑對瀝青黏彈特性的影響。唐培培等[12]采用DSR對不同種類和不同摻量的溫拌劑改性瀝青進(jìn)行流變特性測試,通過溫度掃描試驗(yàn)測試模量和相位角數(shù)據(jù),分析了Leadcap、Sasobit和WFP等不同溫拌瀝青的溫度敏感性及頻率敏感性。

變溫測試是DSR試驗(yàn)中一種較為常見的測試模式,得到了非常廣泛的應(yīng)用。SHRP計(jì)劃中的PG試驗(yàn)也是一種變溫測試。目前聚合物材料領(lǐng)域常見的變溫方法有溫度梯度試驗(yàn)(Temperature Sweep)和溫度斜坡試驗(yàn)(Temperature Ramp)。在瀝青材料試驗(yàn)中,兩者的區(qū)別還有待探究。溫度斜坡試驗(yàn)中的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置(變溫速率、測試頻率等)也尚不明確。本文擬對溫度梯度和溫度斜坡2種變溫試驗(yàn)方法進(jìn)行對比研究,探討頻率對變溫測試的影響規(guī)律,確定適宜的變溫速率,同時(shí)以調(diào)整后的最優(yōu)方法評價(jià)幾種常見改性瀝青的溫度敏感性,為相關(guān)研究提供參考。

1 試驗(yàn)原材料、試驗(yàn)儀器及其試驗(yàn)原理

1.1 瀝青種類

本文采用埃索ES 70號基質(zhì)瀝青及數(shù)種常用的改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn),包括線型SBS改性瀝青、巖瀝青、EVA改性瀝青、橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青。改性瀝青均在實(shí)驗(yàn)室自行制備,所使用原材料的基本信息如表1所示。

表1 使用原材料基本信息

SBS改性瀝青的制備工藝:首先使用高速剪切機(jī)在185 ℃的溫度下對SBS改性劑與基質(zhì)瀝青的混合物進(jìn)行剪切,然后將剪切好的瀝青在160 ℃下溶脹1 h,接著持續(xù)低速攪拌發(fā)育4 h,排除氣泡,獲得改性瀝青。本文設(shè)置了4.5%和7.5%兩種SBS摻量,分別對應(yīng)工業(yè)上的普通改性瀝青的高黏瀝青。橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青采用先低速攪拌(800～1000 r/min),后高速剪切(3 000 r/min)的方式制備。脫硫橡膠瀝青采用半脫硫橡膠顆粒,2種橡膠改性瀝青膠粉摻量均為內(nèi)摻15%。EVA和巖瀝青的摻量分別為5%和10%,首先將基質(zhì)瀝青加熱至165 ℃,隨后加入對應(yīng)的改性劑,先低速攪拌,再在180 ℃,3 000 r/min的條件下高速剪切40 min,直至改性劑充分溶脹。

1.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)原理

動(dòng)態(tài)剪切流變儀是研究黏彈性材料的基本儀器[13]。自美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)在瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范中首次采用DSR評價(jià)瀝青結(jié)合料的各方面性能之后,這一儀器及其關(guān)聯(lián)的研究方法在瀝青材料領(lǐng)域研究中得到廣泛應(yīng)用[14]。本文采用TA公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀DHR-3進(jìn)行試驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)中主要的瀝青材料測試方式有3種,分別為流動(dòng) (Flow)、振蕩 (Oscillation)和階躍(Step),復(fù)數(shù)模量測試是通過振蕩模式完成的。振蕩試驗(yàn)過程中,儀器對樣品施加正弦應(yīng)變波的刺激γ=γ0sin(ωt),并采集樣品反饋的正弦應(yīng)力波和相對于應(yīng)變波存在相位差,計(jì)算得到復(fù)數(shù)模量和相位角等線性黏彈性參數(shù)[15]。DHR-3測試常用夾具有平行板(PP)、錐板(CP)和同心筒(CC)。本次試驗(yàn)所用的平行板夾具(PP)工作原理示意如圖 1所示。

圖1 平行板夾具(PP)工作原理示意

1.3 變溫測試方法

在DSR的測試過程中,采用獨(dú)立的控溫單元可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)溫度的規(guī)律性變化,從而評價(jià)材料在不同環(huán)境溫度下的試驗(yàn)表現(xiàn)。常用的變溫方法主要有兩種,分別是溫度梯度模式(Temperature Sweep,以下簡稱Sweep模式)和溫度斜坡模式(Temperature Ramp,以下簡稱Ramp模式)。應(yīng)變控制的DSR振蕩試驗(yàn)中,Sweep和Ramp 2種變溫模式的示意如圖 2所示。

圖2 DSR振動(dòng)測試中的變溫方法示意圖

Sweep模式是目前瀝青測試中較為常見的模式。SHRP規(guī)范中的PG測試方法就是采用的Sweep模式。試驗(yàn)原理是在每一個(gè)的溫度階梯中給予樣品足夠的保溫時(shí)間,當(dāng)樣品達(dá)到設(shè)定溫度之后再進(jìn)行振蕩試驗(yàn),Sweep模式的優(yōu)點(diǎn)是可以盡量減少試驗(yàn)過程中的溫度變異性。

Ramp模式是聚合物檢測領(lǐng)域常用的變溫方法。與Sweep不同,Ramp中不設(shè)置固定的保溫時(shí)間,而是持續(xù)加熱/降溫,溫度是隨時(shí)間線性變化的。這與材料在自然環(huán)境中所面臨的溫度變化情況更接近,同時(shí)能夠幫助研究者進(jìn)行材料的熱動(dòng)力學(xué)分析(thermal kinetic analysis)。考慮到不同材料的導(dǎo)熱性相差較大,因此Ramp中的變溫速率不宜過高,但對于瀝青材料而言,適宜的變溫速率尚不明確。本文將討論不同變溫速率對瀝青材料Temperature Ramp試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同變溫速率對Ramp試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

為了探究不同的變溫速率對Ramp測試結(jié)果的影響。本文設(shè)置了1 ℃/min、2 ℃/min、3 ℃/min、5 ℃/min、10 ℃/min和15 ℃/min共6組不同的變溫速率進(jìn)行Ramp試驗(yàn)。測試樣品為7.5%SBS改性瀝青,試驗(yàn)溫度設(shè)置為40～140 ℃,應(yīng)變?yōu)?%。各關(guān)鍵溫度時(shí)檢測到的復(fù)數(shù)模量數(shù)據(jù)如表2所示,同時(shí)統(tǒng)計(jì)了不同變溫速率下測得模量的變異系數(shù)。

表2 各變溫速率下測得的復(fù)數(shù)模量與變異系數(shù)

從表 2中數(shù)據(jù)可以看出,在常見的路面服役溫度范圍內(nèi)(80 ℃以下),各個(gè)變溫速率下的測試結(jié)果非常接近,變異系數(shù)在5%以內(nèi)。這說明瀝青材料的導(dǎo)熱性較好,在較短的保溫時(shí)間(較快的變溫速率)下也能得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。但隨著測試溫度逐漸升高(80 ℃以上),變異系數(shù)逐漸增大,且變溫速率越快,測試的溫度范圍越窄。具體地,在1～3 ℃/min范圍內(nèi),儀器能覆蓋40～140 ℃的溫度測試區(qū),當(dāng)變溫速率達(dá)到或超過5 ℃/min后,試驗(yàn)將無法達(dá)到預(yù)設(shè)的最高測試溫度(140 ℃)。5 ℃/min下的實(shí)際最高實(shí)測溫度是133 ℃,而10 ℃/min和15 ℃/min條件下的實(shí)際最高實(shí)測溫度僅有103 ℃和88 ℃。

以上現(xiàn)象是DSR儀器的極限升溫速率低于預(yù)設(shè)升溫速率導(dǎo)致的。人工設(shè)定好變溫速率后,儀器將自動(dòng)預(yù)估完成時(shí)間。變溫速率越快,預(yù)估時(shí)間越短。當(dāng)預(yù)設(shè)速率超過儀器的極限速率時(shí),儀器將不能在預(yù)估時(shí)間內(nèi)完成升溫,從而造成了溫度區(qū)間測試不完整的現(xiàn)象。DHR-3型DSR是目前TA系列中配置較高的機(jī)型。基于本文的試驗(yàn),對于常見的TA系列DSR,建議變溫速率設(shè)置在1～5 ℃/min之間。本文后續(xù)Ramp變溫速率確定為2 ℃/min。

2.2 Ramp和Sweep模式對比分析

確定了適宜的Ramp變溫速率,本文繼續(xù)對比Ramp和Sweep兩種變溫模式的異同點(diǎn)。分別使用Ramp和Sweep模式對7.5%SBS改性瀝青試樣進(jìn)行加載。試驗(yàn)溫度區(qū)間設(shè)置為40～140 ℃,試驗(yàn)應(yīng)變?nèi)?%。Ramp的變溫速率控制為2 ℃/min,Sweep的溫度間隔設(shè)置為10 ℃。復(fù)數(shù)模量的測試結(jié)果如圖 3所示。

通過圖 3可以看出,Ramp模式的數(shù)據(jù)采集密度更高,因此結(jié)果呈現(xiàn)出連續(xù)的變化趨勢,而Sweep記錄的數(shù)據(jù)則更加離散。2種試驗(yàn)方法獲得的數(shù)據(jù)基本呈包含關(guān)系,Sweep獲得的數(shù)據(jù)是Ramp獲得數(shù)據(jù)的子集。基于這種背景,采用Sweep模式來評價(jià)瀝青性能容易帶來數(shù)據(jù)丟失和誤判的可能性。以圖3的試驗(yàn)結(jié)果為例,在130 ℃左右的高溫區(qū)內(nèi),由于瀝青樣品模量過低,Ramp模式的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了變異性較大的震蕩的現(xiàn)象。Sweep模式檢測的數(shù)據(jù)數(shù)量明顯少于Ramp模式,起到了平滑的效果,因此沒有震蕩現(xiàn)象。從這個(gè)角度來講,采用Ramp模式能夠更好地發(fā)現(xiàn)測試過程中的反常和變異。

圖4 Ramp測試結(jié)果與Sweep測試結(jié)果對比(相位角)

相位角的檢測結(jié)果如圖 4所示,其規(guī)律與復(fù)數(shù)模量的檢測結(jié)果類似(圖3),即Ramp和Sweep表現(xiàn)出良好的相關(guān)性,但通過Ramp的數(shù)據(jù)曲線能更好地識別出數(shù)據(jù)中的變異點(diǎn)。

對Sweep的測試數(shù)據(jù)和Ramp的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,分析結(jié)果見圖5,可以看出兩者的相關(guān)性很高,特別是復(fù)數(shù)模量的相關(guān)性R2達(dá)到0.999 5。這說明在常見的溫度區(qū)間內(nèi),兩者的結(jié)果是可以相互替換的。特別地,Ramp模式在采用不同的變溫速率時(shí),可以對瀝青材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行熱動(dòng)力學(xué)分析,因此是功能更為多樣化的變溫測試方法[16]。

圖6 不同頻率下的瀝青模量隨溫度的變化曲線

2.3 不同頻率對Ramp試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

在線性黏彈性范圍內(nèi),溫度和頻率是影響測試結(jié)果的最重要變量。不同的測試頻率可以模擬不同車速的交通荷載,對于分析材料在路面中的實(shí)際受力情況具有重要參考意義。本節(jié)對變溫測試過程中測試頻率影響進(jìn)行研究。根據(jù)前文結(jié)果,Ramp和Sweep結(jié)果基本等價(jià),因此本節(jié)僅對Ramp試驗(yàn)進(jìn)行研究。由于瀝青在120 ℃以上的溫度范圍內(nèi)模量過低,容易受到儀器慣性影響(Inertia effects)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng),因此本節(jié)測試溫度范圍為40～120 ℃,應(yīng)變?yōu)?%。設(shè)置0.1 Hz,1.59 Hz(對應(yīng)10 rad/s)和10 Hz 3種常見的測試頻率[17],所采用的瀝青為基質(zhì)瀝青和7.5%SBS改性瀝青。

測試頻率對模量檢測結(jié)果的影響如圖 6所示。很明顯,測試頻率越低,復(fù)數(shù)模量的絕對值越小。這可以通過時(shí)溫等效原理來解釋:對于瀝青等黏彈性材料而言,較低的加載頻率等同于較高的測試溫度,自然的,高溫(低頻)下瀝青的復(fù)數(shù)模量也較低。改性瀝青的溫度敏感性低于基質(zhì)瀝青,因此不同頻率下復(fù)數(shù)模量的差距相對較小。

另外可以看出,不同頻率下,基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量絕對值雖然存在差異,但曲線形狀基本相同,3條曲線基本平行;另一方面,不同頻率下改性瀝青的復(fù)數(shù)模量曲線走勢則存在較大差異。隨著檢測頻率降低,改性瀝青的曲線在90 ℃左右出現(xiàn)了較為明顯的駝峰。這種駝峰實(shí)際上是彈性聚合物帶來的橡膠態(tài)平臺區(qū)。這一現(xiàn)象說明溫度掃描中較低的測試頻率能夠更好地凸顯改性瀝青的效果[18],同時(shí)也暗示聚合物改性在慢速重載交通中起著重要的作用。

不同頻率下瀝青的相位角隨溫度變化曲線如圖7所示。基質(zhì)瀝青相位角受頻率影響較為簡單:隨著頻率降低,基質(zhì)瀝青的相位角逐漸升高。改性瀝青體系中存在瀝青和聚合物兩種材料,因此其流變行為是2種材料的綜合行為,變化規(guī)律較為復(fù)雜。在80 ℃以下,頻率越低,改性瀝青相位角越低;80 ℃以上,隨著SBS改性劑解聚,這種規(guī)律逐漸消失。同時(shí)可以看出,頻率越低,整個(gè)測試過程中瀝青的相位角最小值越小。這可能是因?yàn)檩^長的時(shí)間(較低的頻率)能夠幫助聚合物改性劑更好地展示其延遲彈性。總體來說,較模量而言,相位角更能凸顯改性劑的影響,在不同頻率下的差異也更為明顯[5,19]。在表征改性瀝青的黏彈特性時(shí),可以嘗試采用相位角以及較低的測試頻率來凸顯改性劑的貢獻(xiàn)。

圖7 不同頻率下瀝青的相位角隨溫度變化曲線

2.4 不同改性瀝青樣品的Ramp結(jié)果檢測結(jié)果

對常見的幾種改性瀝青進(jìn)行Ramp試驗(yàn),控制應(yīng)變水平為1%,加載頻率為10 rad /s,評價(jià)其在不同溫度下的黏彈特性,檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 各類瀝青的復(fù)合模量和相位角隨溫度的變化曲線

由圖 8可知,在測定溫度范圍內(nèi),各種瀝青的模量均呈現(xiàn)出隨溫度迅速下降的趨勢,這說明各種瀝青都有隨著溫度升高形變增大,抵抗外界變形能力減弱的規(guī)律。而相位角則呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。由于相位角是描述瀝青黏彈比例的指標(biāo),這說明在測試過程中,瀝青的黏彈比例在不斷發(fā)生變化。

在40～90 ℃的中高溫區(qū),SBS改性瀝青的相位角呈現(xiàn)減小的趨勢,即在此溫度區(qū)段內(nèi)瀝青體系的彈性成分逐漸大于黏性成分。這是因?yàn)檫@個(gè)區(qū)間內(nèi),隨著溫度升高,基質(zhì)瀝青黏度降低,聚合物網(wǎng)絡(luò)彈性顯現(xiàn),所以材料表現(xiàn)出更多彈性;而在90～120 ℃的高溫區(qū),相位角隨著溫度升高而增大,這是因?yàn)殡S著SBS在高溫下解聚,使得瀝青彈性性能減弱,流動(dòng)性增強(qiáng),增強(qiáng)施工和易性。

15%脫硫橡膠瀝青和15%橡膠瀝青的模量均大于基質(zhì)瀝青,見圖8(f)。高溫下脫硫橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青都表現(xiàn)出黏性液體的性質(zhì),橡膠瀝青的表現(xiàn)卻與之不同。在100～120 ℃高溫下15%橡膠瀝青出現(xiàn)明顯的橡膠態(tài)平臺區(qū),這是由于摻入的橡膠顆粒是一種化學(xué)交聯(lián)高分子,其特性是模量隨溫度升高會(huì)保持恒定。而對于脫硫橡膠,由于其中的脫硫橡膠分子交聯(lián)度明顯低于普通橡膠,因此其彈性和高溫性能低于橡膠瀝青,特征接近基質(zhì)瀝青。在高溫下,普通橡膠瀝青的相位角顯著低于其他瀝青,表現(xiàn)出明顯的彈性。

巖瀝青和EVA改性劑能夠有效提升基質(zhì)瀝青的模量,但對相位角的影響不大。這兩種改性瀝青在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)相位角都較高,表現(xiàn)出較為明顯的黏性。總體來看,摻入的各類改性劑對瀝青的模量提升均有顯著的效果。尤其是SBS改性瀝青和橡膠瀝青的彈性提升效果最明顯。

3 結(jié)論

DSR作為研究黏彈性材料的基本儀器,通過施加動(dòng)態(tài)荷載,測試材料在不同狀態(tài)下的的動(dòng)態(tài)形變響應(yīng)。本文對DSR中常見的溫度斜坡試驗(yàn)(Temperature Ramp)和溫度梯度試驗(yàn)(Temperature Sweep)試驗(yàn)進(jìn)行了比較分析,并研究了幾種常見改性瀝青的溫度敏感性,獲得結(jié)論:

(1)在常見的溫度區(qū)間范圍內(nèi)(40～100 ℃),Ramp和Sweep的測試結(jié)果基本相同。由于Ramp是連續(xù)測試,因此可以用于熱動(dòng)力學(xué)分析,功能更加多樣化。

(2)瀝青材料的導(dǎo)熱性良好,不同的變溫速率對于Ramp試驗(yàn)結(jié)果影響較小。但預(yù)設(shè)的變溫速率不應(yīng)超過DSR儀器的極限速率,本文推薦的變溫速率為1～5 ℃/min。

(3)不同的測試頻率顯著影響變溫測試結(jié)果。在表征改性瀝青的黏彈特性時(shí),推薦采用較低的測試頻率來凸顯改性劑的貢獻(xiàn)。

(4)SBS改性瀝青和橡膠瀝青的力學(xué)性能優(yōu)異,對于瀝青的模量和彈性提升效果明顯。巖瀝青和EVA等非彈性體改性劑也能提升瀝青模量,但主要是從增黏的角度進(jìn)行提升。