高模量改性沥青的高低温性能研究.pdf

第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?作者简介：陶泽（），男，工程师，研究方向：道路工程。文章编号：?（）?高模量改性沥青的高低温性能研究陶泽（中国港湾工程有限责任公司，北京 ）摘要：为研究高模量改性沥青的高温抗车辙、弹性恢复与低温抗裂性能，以硬质沥青为原材料制备了不同 胶粉掺量的高模量改性沥青，进行了温度扫描、多重应力蠕变恢复和弯曲梁流变试验，结合 模型的黏弹性参数评价了高模量沥青的低温性能。结果表明：随着 掺量增大，高模量沥青的车辙因子逐渐增大，其弹性成分增加，黏性成分减少，高温抗车辙性能逐渐增强。低温劲度模量随 掺量增加而逐渐减小，但整体变化幅度不大。当 掺量为 时，高模量沥青的高温性能与低温抗裂性能均达到最佳。耗散能比值与蠕变速率的变化规律表现出一致性，松弛时间、延滞时间与蠕变速率表现出非一致性。因此，建议结合 黏弹性参数，开展高模量沥青低温性能的多指标综合评价。关键词：道路工程；高模量沥青；胶粉；高温性能；低温性能；黏弹性参数中图分类号：文献标志码：引言针对沥青路面车辙和耐久性不足的问题，高模量沥青混合料以其较好的高温稳定性、中温抗疲劳特性，逐渐备受关注，并广泛用于重载交通路段 。高模量沥青是高模量沥青混合料强度形成的重要部分，与传统的高标号沥青相比，高模量沥青硬度大、黏度强、模量高，是解决高温重载条件下路面永久变形问题的高效胶结材料。当前，制备高模量沥青胶结料主要有 种途径：硬质沥青改性、岩沥青改性、添加高模量改性剂 。对标号较低的硬质沥青进行改性，往往存在高低温综合性能差、延度不良等问题，其质量控制与应用推广仍尚待研究 。肖庆一等 采用 高模量剂对 基质沥青进行改性以制备高模量沥青，发现硬质沥青的温度敏感性低于 高模量改性沥青。王瑞林等 通过调整不同种类基质沥青和改性剂的掺配方案，发现低标号的 基质沥青和 改性剂能制备性能较好的高模量沥青，其具有较高的复数模量、储能模量、损耗模量。辛雪等 发现胶粉掺量越高，高模量沥青的复数模量越大，其高温等级显著提高。上述研究表明，高模量沥青在中等温度下表现出良好的抗疲劳性能，在高温下普遍表现出优异的抗车辙性能 ，但其低温抗裂性可能因改性剂不同、评价指标的局限性具有较大差异，且我国规范并未对高模量沥青低温性能做出明确要求。吴朝阳等 采用橡胶粉与高模量剂复配的方案改善高模量沥青的路用性能，当橡胶粉掺量为 时，低温分级由 改善至 ，低温抗裂性大幅增强。耿韩等 认为不同种类高模量沥青的断裂韧度具有较大差异性，单一采用蠕变劲度指标无法准确地表征其低温抗裂性能。黄琪等 比较了不同低温性能评价指标的有效性，发现 模型参数、综合柔量参数更适合评价高模量沥青的低温性能。综上所述，可以发现国内高模量改性剂种类繁多、成分复杂、效果差异性较大、作用机理不明确，大多仅从高温、耐久性角度考虑，未兼顾评价其低温性能。为此，本研究采用应用较为广泛的 胶粉和硬质沥青制备高性能的高模量沥青，开展不同 掺量的高模量沥青温度扫描试验、多重应力蠕变恢复试验和弯曲梁流变试验，分析其高温抗车辙性能、弹性恢复性能与低温抗裂性能。期陶泽：高模量改性沥青的高低温性能研究 试验材料与方案 原材料选用国产低标号 硬质沥青作为原材料，其主要技术标准如表 所示。采用 胶粉改性剂对硬质沥青进行改性，制备高模量沥青，胶粉为黑色固体粉末，其基本物理指标见表 。表 硬质沥青技术指标针入度（）软化点 动力黏度（）延度 表 胶粉基本物理指标灰分粒径 橡胶烃含量 金属含量 纤维含量 含水率 高模量改性沥青的制备为制备均匀、稳定、性能优越的高模量改性沥青，首先将 硬质沥青加热至（），至自由流动状态，然后按 、（改性剂占原样沥青的质量分数）的掺量分别称量相应质量的 胶粉，加入 原样硬质沥青中，用玻璃棒搅拌，使胶粉均匀分布在沥青中。采用高速剪切机以 的速度对试样低速剪切 ，然后以 的速率高速剪切 ，剪切过程温度控制在（）范围内，最后以 的速率低速搅拌发育 ，制备得到高模量改性沥青（见图 ）。图 高模量改性沥青的制备 温度扫描试验采用动态剪切流变仪 进行高模量沥青的温度扫描试验，试验采用 转子，平板间隙为 ，如图 所示。控制加载应变为 ，试验温度为 ，温度增量为，扫描频率为 。试验采集各温度下的复数模量、相位角 、车辙因子 表征高模量沥青的高温性能。图 温度扫描试验 多重应力蠕变恢复试验对高模量改性沥青进行旋转薄膜烘箱试验（）模拟改性沥青的短期老化行为，然后在 条件下对短期老化后的沥青样品进行多重应力蠕变恢复（）试验。试验时，先在 下进行 个周期的加载 卸载循环，然后在 条件下进行 个周期的加载 卸载循环。单个加载周期由历时 的加载与 的蠕变恢复过程组成，按式（）、式（）计算每个周期内的弹性恢复率 和不可恢复蠕变柔量 。（）（）式中：为每个循环的峰值应变；为每个循环结束时的卸载应变；为每个循环的初始应变；为施加的应力。弯曲梁流变试验对经历过旋转薄膜烘箱老化后的高模量沥青进行弯曲梁流变试验（），将沥青浇筑为长 、宽 、高 的小梁试件，在目标试验温度下恒温（如图 所示），然后在 内持续施加（）的跨中竖向荷载，试验温度分别为 、。通过 试验，最终得到 时刻的蠕变劲度 和蠕变速率 值，从而表征高模量沥青的低温抗裂性能，其计算公式见式（）、式（）：（）（）（）湖南交通科技 卷图 试样恒温与加载箱 （）（）（）式中：为蠕变荷载，；、分别为小梁的长、宽、高，；为加载时间；（）为 时刻的小梁跨中挠度。为准确表征高模量沥青的蠕变恢复和应力松弛等流变特性，采用 模型求解高模量沥青材料的黏弹性参数。模型由 模型与 模型串联而成，其蠕变方程为 ：（）()（）式中：（）为 时刻的应变；为施加的应力；为黏性流动参数，表明材料的变形能力；为瞬时弹性模量，表征材料的瞬时弹性恢复能力；为延滞黏性参数；为延迟弹性模量。同时采用松弛时间 、延迟时间 和耗散能比值 来表征高模量沥青受外力作用时的应力消散能力 ，其表达式如式（）（）所示。沥青的松弛时间越短、耗散能比值越高，其应力松弛速率越快，越有助于内部应力的快速消散，材料的低温抗裂性能越好。（）（）（）式中：。结合原样硬质沥青和 种 掺量高模量沥青的 试验结果，对 下的高模量沥青蠕变 时间曲线进行 参数拟合，进一步计算松弛时间 、延迟时间 和耗散能比值 ，分析高模量改性沥青的低温抗裂性能。试验结果分析 高温抗车辙性能分析图 为不同掺量 高模量改性沥青的复数模量 与温度的变化关系图。复数模量越大意味着抗永久变形能力越强。随着温度升高，高模量沥青的复数模量逐渐减小，且其衰减程度也逐渐减小。这归因于高模量沥青在温度逐渐升高过程中由高弹态向黏流态转化，其抗永久变形能力减弱。不同掺量的 对高模量沥青的复数模量具有显著影响。对于相同温度，随着 胶粉掺量增大，复数模量逐渐增大，这与刘沅等 研究结果一致。当 掺 量 为 时，复 数 模 量 达 到 最 大，为 。而原样硬质沥青的复数模量仅为 。可见 对沥青模量的提升高达 倍以上。图 高模量沥青的复数模量随温度的变化情况图 为不同掺量 高模量改性沥青的相位角 与温度变化关系图。随温度升高，高模量沥青的相位角均增大，表明高模量沥青的弹性成分逐渐减少，黏性成分增多。与原样硬质沥青相比，随着 掺量增加，沥青的相位角显著减小，沥青的弹性成分逐渐增多。尤其是掺量为 时，高模量沥青的 相位角为 ，相位角为 ，与原样沥青相比显著减小，高模量沥青向弹性体转化的趋势更加明显。图 为 高模量改性沥青的车辙因子随温度变化图。高模量沥青的车辙因子随温度增加而减小，在 温度区间内，车辙因子的减小速率较大；以上的温度区间，车辙因子变化幅度较小。在相同温度下，车辙因子随 掺量增加而逐渐增大，高模量沥青有着更好的高温抗车辙性能。期陶泽：高模量改性沥青的高低温性能研究图 高模量沥青的相位角随温度的变化情况图 高模量沥青的车辙因子随温度的变化情况 弹性恢复性能分析图 、图 分别为不同掺量高模量沥青的平均恢复率 和不可恢复蠕变柔量 。平均恢复率 大，表明沥青材料具有较高的弹性成分，变形后弹性恢复能力较强。不可恢复蠕变柔量 大，表明沥青材料的黏性比例较高。在 、的分别作用下，高模量沥青的弹性恢复率随 掺量增加普遍逐渐增大，即 能显著提高沥青的弹性恢复性能，这与温度扫描试验中相位角的变化规律一致。当 掺量较小时（），、的变化幅度较小；当 掺量等于 时，的变化幅度较大；当 掺量为 时，下的弹性恢复率达到 ，下的弹性恢复率达到 ，与原样硬质沥青相比提升幅度超过 倍。加入 后，改性沥青的不可恢复蠕变柔量 显著降低，且 随 掺量增加呈逐渐减小趋势。当 掺量为 时，减小至最低，与原样沥 青 相 比，减 小 了 ，减 小 了 。当掺量为 时，高模量沥青的抗车辙能力显著提升。图 高模量沥青的平均恢复率 图 高模量沥青的不可恢复蠕变柔量 低温抗裂性能分析 蠕变参数分析通过弯曲梁流变试验得到的 劲度模量 和蠕变速率 如图 、图 所示。随着温度降低，高模量沥青的劲度模量逐渐增大，蠕变速率逐渐减小。在不同温度（、）条件下，劲度模量均随 掺量增加而逐渐减小，因此 能改善沥青的低温抗裂性能。另一方面，劲度模量受 掺量影响发生变化的幅度较小，但 能在一定程度上增强高模量沥青的低温松弛能力。当 掺量为 时，高模量沥青的劲度模量图 高模量沥青的劲度模量试验结果湖南交通科技 卷图 高模量沥青的蠕变速率试验结果降至最低，蠕变速率增至最大，沥青材料的低温抗裂性和松弛性能最佳。随 掺量增加，蠕变速率 无明显变化规律。除掺有 的高模量沥青外，其他掺量高模量沥青的蠕变速率 均大于原样硬质沥青，即 有效地提高了沥青的蠕动变形能力，其低温松弛性能得到改善。基于 模型的低温性能指标分析从蠕变劲度和蠕变速率分析可知，在同一温度下，不同 掺量对二者指标的影响幅度不大，为进一步精确评价不同 掺量的高模量沥青低温抗裂性，现采用 模型的黏弹性参数评价高模量沥青的低温抗裂特性。表 为 种掺量的 高模量沥青与原样硬质沥青的 模型黏弹性参数。由表 可知，利用 模型对蠕变曲线进行拟合，均接近 ，拟合效果好。表 模型黏弹性参数 掺量 （）（）图 为不同 掺量高模量沥青松弛时间与延滞时间的变化情况。由图 可知，在 掺量范围内，掺量引起高模量沥青松弛时间的变化幅度较大，极差值为 ；而延滞时间的变化幅度较小，仅为 。松弛时间随 掺量增加呈现先增大后减小的变化趋势，而延滞时间无明显变化规律，呈起伏波动变化。相较于 条件下蠕变劲度和蠕变速率的变化规律，可以发现松弛时间、延滞时间和耗散能比值的变化规图 高模量沥青的松弛时间、延滞时间试验结果律与之并不相同，因此建议在评价低温性能时，开展低温性能的多指标综合评价。从改善效果来看，较大的 掺量（）使得松弛时间和延滞时间有较大幅度减少。与原样硬质沥青相比，高模量沥青的松弛时间为 ，延 滞 时 间 为 ，分 别 减 少 了 、。由此可见，掺入 的 使得沥青材料的低温应力消散能力增强，其低温抗裂性得到有效改善。图 为不同高模量沥青的耗散能比值随 掺量变化趋势图。耗散能比值由沥青材料的存储能和耗散能决定，耗散能越高、存储能越低，耗散能比值越大，材料在低温受荷载作用下能量释放能力越强，越不易发生开裂，其低温抗裂性越好。从图 可以看出，随 掺量增加，高模量沥青的耗散能比值呈先减小后增大的变化趋势，这与蠕变速率 的变化规律较为一致，其与蠕变劲度的变化规律不同。高模量沥青蠕变速率越快，材料内部储能快速消散释放，耗散能比值越大，二者有着直接的关系。期陶泽：高模量改性沥青的高低温性能研究图 耗散能比值随 掺量的变化情况 结论）随着 掺量增大，高模量沥青的复数模量逐渐增大，相位角逐渐减小，车辙因子逐渐增大，其高温抗车辙性能逐渐增强。掺量为 时，高温性能最佳。）与原样硬质沥青相比，高模量沥青的弹性恢复性能显著提升，随着 掺量增加，高模量沥青的弹性成分增加，黏性成分减少，其抗永久变形能力增强。）能在一定程度上增强高模量沥青的低温松弛能力，但高模量沥青的劲度模量和蠕变速率受 掺量的影响幅度不大。当 掺量为 时，高模量沥青的劲度模量降至最小，蠕变速率增至最大，沥青材料的低温抗裂性和松弛性能最佳。）与劲度模量和蠕变速率随 掺量的变化规律相比，高模量沥青的松弛时间、蠕变时间的变化规律表现出不一致性，耗散能比值与蠕变速率的变化相一致。高模量沥青的耗散能越高、存储能越低，耗散能比值越大，其低温抗裂性越好。参考文献：李梦月，赵磊，刘从峰，等 高模量改性沥青制备及性能研究 石油沥青，（）：，：夏全平，高江平，罗浩原，等 用于高模量沥青砼的复合改性硬质沥青低温性能 吉林大学学报（工学版），（）：肖庆一，任希鹏，李明扬，等 高模量沥青结合料流变特性 公路，（）：王瑞林，袁光权 高模量沥青的研发及其性能提升 材料科学与工程学报，（）：，辛雪，苏林萍，梁明，等 废胶粉改性制备高模量沥青及其动态力学性能 材料导报，（）：孙波 掺外加剂的高模量沥青混合料力学性能研究 湖南交通科技，（）：吴朝阳，任仲山 橡胶粉掺量对高模量沥青及其混合料性能的影响 武汉大学学报（工学版），（）：耿韩，李立寒，张磊，等 高模量沥青低温抗裂性能的评价指标 建筑材料学报，（）：黄琪，刘安，严二虎 高模量改性沥青低温性能多指标评价研究 公路，（）：肖凤，邓星鹤 不同相容剂掺量下改性沥青的高温性能评价 湖南交通科技，（）：，李波，张喜军，李剑新，等 基于 模型的硬质沥青低温性能评价 建筑材料学报，（）：董文龙，关维阳，黄卫东 不同老化状态下 改性沥青的低温性能分析 建筑材料学报，（）：刘沅，秦仁杰，黄晓炎 胶粉改性沥青高低温流变特性研究 湖南交通科技，（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页），：，（），（）：，（，），（）：李端乐，王栋民，袁宁循环流化床粉煤灰对矸石胶结充填材料性能的影响 硅酸盐通报，（）：，徐冬杰，单俊鸿，周明凯，等 循环流化床飞灰注浆充填材料的性能研究 新型建筑材料，（）：夏静萍 灰渣注浆充填材料的设计与关键性能研究 公路，（）：李喜林，王来贵，赵娜，等铁路下伏采空区注浆材料配比试验研究 硅酸盐通报，（）：