改性沥青流变性能的研究

改性沥青流变性能的研究
摘要
本论文根据广坛高速公路养护项目对沥青和沥青混合料流变性进行研究。

目前，该课题刚开始进行试验，实验数据不全，所以本论文首先给出本课题的研究方案，对试验中将要涉及到的数据首先进行设想性研究，为将来进行试验和实验数据的分析提供理论依据。

沥青是一种粘弹性物质，具有一定的流变性质，尤其是在高温季节，在行车荷载的作用下，沥青的流变性对沥青路面的性能具有重大影响。

抗流变性能差的沥青路面将很容易形成车辙、推移等病害，严重缩短高速公路的使用寿命。

用沥青为结合材料修筑的沥青路面常出现两种主要病害:高温车辙与低温开裂,其产生的主要原因是沥青及沥青混合料的高、低温稳定性不足，研究其流变性质将会有重要的意义。

1沥青路面的发展
自沈大高速公路及沪嘉高速公路建成通车以来，高等级公路以前所未有的速度发展，我国高速公路进入了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的时代。

根据交通部公布的《国家高速公路网规划》，从2005年起到2030年，国家将斥资两万亿元，新建5.1万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8.5万公里。

目前，我国高速公路的使用有如下特点：①行车渠道化，大量的车死轧一条车道，使道路过度疲劳，尤其在高温季节，对公路的破坏力很大，特别是对四车道的高速公路危害更大。

②交通量提高过快且货车占的比重较大，占总车数的60%－70%。

③超重车过多，占大型车辆的60%-70%，车辆载重远远大于设计指标。

再加上高温天气等环境条件，致使公路沥青路面沥青混合料的高温抗剪切能力不足，发生车辙损坏。

如今，沥青路面车辙损坏问题日益突出，已成为我国的主要公路病害。

路沥青作为沥青路面最主要的建筑材料，沥青及沥青混合料的质量好坏直接决定沥青路面的使用性能及使用寿命。

众所周知，我国的道路沥青主要采用石蜡基原油炼制，沥青的温度敏感性较大。

因此，在一些气候条件恶劣和交通负荷特
别大的或一些政治经济特别重要的路段，当使用重交通道路沥青仍不能满足要求时，为使沥青混凝土达到更高的使用性能，可以考虑使用改性沥青。

在发达国家，高速公路网建成较早，已经进入维修养护的阶段，改性沥青主要用于：做排水或吸音磨耗层及其下面层的防水层；在老路面上做应力吸附膜中间层，以减少反射裂缝；在重载交通道路的老路面上加铺薄和超薄沥青面层，以提高耐久性；在老路面上或新建一般公路上做表面处治，以恢复路面使用性能或减少养护工作量等。

在我国，现在正处于高速公路的大规模建设阶段，当使用改性沥青时，应当特别注意路基、路面的施工质量，以避免产生路基沉降和其他早期破坏。

否则，使用改性沥青就会达不到应有的效果。

2 实验主要仪器和试剂
本论文的试验仪器有：SYD 2806E型全自动沥青软化点试验器（上海昌吉地质仪器有限公司），SYD-2801E 针入度试验器（上海昌吉地质仪器有限公司），上海昌吉 SYD-4508F 沥青延伸度试验器（上海昌吉地质仪器有限公司）等，采用的改性剂有SBS和SBR。

试验方案的确定是确定几组改性剂的不同用量，分别做针入度、软化点、低温延度、粘度等试验，然后进行对比，进而分析试验结果。

3沥青及改性沥青的流变性
3.1沥青流变性
沥青具有强烈依赖温度的流变性能，其流变性受沥青各个组分（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）之间物理—化学相互作用的制约。

饱和分主要由正构烷烃、异构烷烃和环烷烃组成，其平均相对分子质量在500～800之间，芳香分主要是一些带环烷和长链烷基的芳香烃，平均相对分子质量在800～1000之间，胶质也称极性芳烃，平均相对分子质量在1300～1800之间，沥青质是沥青胶体体系的核心，平均相对分子质量在数千到一万之间，是高度缩合的芳香烃。

沥青中高分子量的成分比重越大，则流变性越差。

沥青是一种粘弹性物质，具有一定的流变性质，尤其是在高温季节，加之行车荷载的作用，沥青的流变性对沥青路面的性能具有重大影响。

抗流变性能差的沥青路面将很容易形成车辙、推移等病害，严重缩短高速公路的使用寿命。

表达沥青流变性质的指标有针入度，粘度，软化点，收缩，延度，蠕变模量，蠕变柔量，应力松弛模量和应力松弛柔量。

3.2 SBS改性沥青流变性
SBS改性沥青是目前国内外应用最广泛的聚合物改性沥青，由于能同时改善沥青的高低温性能且价格便宜，因此在道路改性沥青中占有很大的份额。

但SBS 改性沥青在流变性质方面存在非常复杂的变化，其粘度和软化点的变化幅度较大，这种现象在其它改性沥青(如PE、EVA、SBR改性沥青)中很少见。

改性沥青的流变性具有两个显著特点，一是变化复杂，二是影响因素众多。

(1)SBS改性沥青流变性质的复杂变化
SBS改性沥青的流变性质易受到各种因素的影响，如基质沥青、改性剂种类、改性剂掺量(为改性剂质量与沥青质量之比)、SBS的性质、改性沥青制作的混合时间、温度及存贮过程等，并且这些因素对改性沥青的软化点会产生20～30℃的影响，而这些因素对其它聚合物改性沥青软化点的影响则要小得多，基本在5℃以下，一般不超过10℃。

通过试验发现，SBS改性沥青的软化点的复杂变化主要有以下现象：
①SBS改性沥青的软化点提高程度随SBS掺量增加呈现加速上升的趋势，
如图1所示。

从图中可以看出，掺量从3%增加到5%时，软化点的上升
比较平稳，基本呈线性关系；掺量从5%增加到7%时，软化点迅速上升，5%可看作软化点转变的拐点。

②不同种类的SBS对沥青的流变性质的改变相差很大。

将线型SBS与星型SBS在完全相同的条件下制成改性沥青(掺量为5%)，线型SBS改性沥青的软化点为59℃，而星型SBS改性沥青的软化点则高达95℃。

③同一种改性沥青在不同时间显现出完全不同的流变性质，这包括：经过不同的混合时间后其流变性质变化相差很大，如将5%的SBS掺入沥青中后，混合时间ｔ对软化点的影响如图2所示。

从图中可以看出，改性沥青随着混合时间的增加，虽然软化点开始会从48℃升到最高95℃，但随着混合时间的继续增加时，软化点又会降低到66℃，并无明显规律。

3.3流变性质的主要影响因素
SBS改性沥青的流变性质受多种因素影响，变化幅度较大。

除了基质沥青和改性剂原材料本身的性质之外，根据其本质是结构决定物质的力学性能，因此聚合物相在改性沥青中的形态与结构将对改性沥青的流变性质起决定作用，主要影响因素有三[1]。

①聚合物相在改性沥青中所占的面积百分率。

聚合物所占的面积百分率大，则相应的改性沥青软化点高，反之亦然。

②聚合物相在改性沥青中的粒径大小。

粒径大的软化点高，粒径小的软化点低。

③聚合物相在改性沥青中的形状。

相关显微研究表明，经过高温剪切后，星型SBS在沥青中的分布基本为条形结构，而线型SBS在沥青中的分布基本为球形结构，由此造成星型SBS普遍比线型SBS改性沥青的软化点高很多。

此外，沥青作为典型的粘弹性体，温度对其流变性影响巨大，随着温度的升高，沥青由弹性体向牛顿流体转变，粘度急剧下降，经试验证明，粘度与温度呈双曲线关系，粘度的双对数与温度对数呈负线性关系，SBS改性沥青的粘温关系据如图3所示。

图3
4 沥青混合料的流变性
4.1 沥青混合料的基本特性
沥青混合料是沥青和石料的混合材料，沥青是一种均质的粘弹性材料，而沥青混合料是一种颗粒性的粘弹性材料。

二者的力学特性既存在一些相似性，又有许多差异性。

（1）均质性和颗粒性
一般说来，所有的颗粒性材料在宏观上都具有这样三个特征[2]：①材料由许多颗粒组成；②颗粒的自身强度远大于其联结强度；③在外力作用下，颗粒间发生相互错位移动，并存在内部摩擦。

例如，土壤颗粒、就属于颗粒性材料。

而在沥青混合料中，由沥青薄膜包裹着的粒料构成混合料的主骨架。

因此，沥青混合料的物理结构从总体上看是松散的，可以认为它是一种典型的颗粒性材料。

相反，在纯沥青材料中不存在宏观意义上的颗粒和内摩擦，只有当沥青分子（或原子）克服了内部引力时，才会发生剪切变形。

因此从宏观上来说，沥青材料属于非颗粒性材料，而从它的结构组成来说，它是一种均质性材料。

事实上，根据材料的结构组成和宏观孔隙率，公路建设的所有土工材料可分为三类：①均质性材料（如钢铁、沥青）；②水硬性材料（如水泥混凝土）；③颗粒性材料（如土、沥青混合料）。

由此可见，沥青和沥青混合料分属于两种不同的类别，依次分别代表了土工材料的均质性和颗粒性。

（2）粘弹性特征
沥青混合料被认为是一种典型的颗粒性材料，它的颗粒骨架空隙被具有粘弹性的沥青浆体不完全填充。

在通常的工作条件下，这种混合料的流变特性也表现为粘弹性，并具有这样两个根本特征：①它的力学特性与激励时间（如应变速率ε，频率f）和实验温度密切相关；②具有十分明显的蠕变和松弛现象。

也就是说，如果材料符合上述两个特征，就可以认为这种材料具有粘弹性。

沥青和沥青混合料是典型的粘弹塑性材料，具有明显的时温等效效应，其弹性模量、抗压强度随着应变速率的增大而增大，随着实验温度的降低而增大。

另一方面，蠕变和松弛实验现象也是粘弹性材料非常重要的流变特征。

大量的实验研究已经证实，沥青和沥青混合料表现出完全相同的蠕变和松弛现象。

⑶流变模型研究
研究认识沥青和沥青混合料粘弹性的另一种方法就是建立流变模型。

对于沥青材料，传统上均采用伯格斯模型（Burgers' model）来分析其流变特性，模型构成如图4所示。

对于沥青混合料，扈惠敏等[3-4]利用伯格斯模型和Hook- Jeeves的模式搜索法进行了大量的数值模拟，效果良好。

模拟结果与加卸载循环时的实验数据非常接近，这说明伯格斯模型也能有效地反映沥青混合料的粘弹性。

同时也表明，沥青和沥青混合料不仅具有相同的粘弹实验特性，而且具有相同的流变分析模型。

通过对沥青和沥青混合料的材料特性和流变特性进行比较研究，首先可以发现它们二者之间存在许多相似性，如相同的粘弹性实验特性和相同的流变分析模型。

其次，它们之间唯一的差异性在于材料的结构组成不同，沥青属于均质性材料，沥青混合料属于颗粒性材料。

4.2 沥青混合料的高温变形特性
分析高温压缩蠕变实验所得沥青混合料的蠕变曲线可知，沥青混合料受力后的变形由瞬时弹性变形，瞬时塑性变形(为材料后续压实，可不考虑在变形之内)，随时间而变化的粘弹性及粘塑性变形组成，亦即由可以恢复的弹性、粘弹性和不能恢复的粘塑性变形组成。

沥青混合料在承受压力后由于矿料及沥青的压缩而产生瞬时弹性变形，随着外力作用时间的长短，沥青混合料内部的沥青及矿料因受力而发生重新排列，由此导致了粘滞流动，即产生粘弹性及粘塑性变形，这两种变形的增加速度随外力作用时间的延长而减小，表明沥青混合料内部产生的变形阻力越来越大，因而进一步的变形更加困难，亦即产生“固结效应”。

外力卸去后，瞬时弹性变形立即恢复，粘弹性变形逐渐恢复，而粘塑性变形因不能恢复而成为永久变形。

同时，由该图可以发现，实验温度愈高，变形愈大，但变形与温度为非线性关系。

路面中沥青混合料竖向永久变形的累积，便形成了沥青路面的车辙。

4.3沥青混合料低温拉伸变形特性
在低温受拉时，沥青混合料的抗拉强度主要取决于沥青的粘结力，因而沥青的性能与用量影响着沥青混合料的低温性能。

由低温拉伸I雷变曲线可见，在受拉时，其变形特性与在受压时具有相似性，只是各种变形所占的比例稍有变化，即瞬时弹性变形的比例减小，粘弹性及粘塑性变形的比例增加，但在受拉及受压过程中的变形特性没有本质的区别，只是在受拉时表现出程度较小的“固结效应”，这可由受拉时外力主要由沥青承受得到解释。

4 结论
通过对沥青及沥青混合料流变性质的比较研究，得出主要结论如下：
⑴沥青的流变性质主要受其构成组分的影响，改性沥青的流变性质则与原材料属性、改性剂掺量、聚合物相粒径和形状、与沥青的混合时间、温度及存贮过程等因素相关。

(2)SBS改性沥青的软化点提高程度随SBS掺量增加呈现加速上升的趋势.
（3）沥青由弹性体向牛顿流体转变，粘度急剧下降，粘度与温度呈双曲线关系，粘度的双对数与温度对数呈负线性关系。

（4）路面中沥青混合料竖向永久变形的累积，便形成了沥青路面的车辙。

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