岩沥青改性沥青的流变特性试验研究

,

(1.衡阳公路桥梁建设有限公司，湖南 衡阳 421000；2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015)

岩沥青改性沥青的流变特性试验研究

雷勇1,梅朝阳2

(1.衡阳公路桥梁建设有限公司，湖南 衡阳 421000；2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015)

为了研究岩沥青在不同掺量情况下对沥青流变特性的影响，通过对岩沥青掺量为9%、12%、15%和18%的改性沥青及基质沥青进行动态剪切流变试验和弯曲梁流变实验，对比分析了不同掺量岩沥青对基质沥青的高温及低温性能的影响。研究表明： 掺入岩沥青后，随扫描温度的升高，同一温度下改性沥青的复数模量、车辙因子减小，相位角及损失正切增大，动粘度减小，但以上参数均高于基质沥青，能有效改善沥青的高温稳定性。蠕变劲度增大，蠕变速率减小，改性沥青的脆性增大，低温性能有所降低。将岩沥青掺量控制在一定范围，不会对其低温性能产生大的影响。建议岩沥青的最佳掺量为12%～15%。

道路工程； 岩沥青； 掺量； 改性沥青； 流变特性

0 引言

近年来，交通量的不断增长和交通荷载的变化，以及广泛采用的基质沥青本身特性的局限，车辙依然是沥青路面出现破坏的形式，特别是对于高温重载地区。天然岩沥青作为一种改性剂，由于其与沥青相溶性较好，耐久性和稳定性高[1-3]，能够改善沥青的高温和低温性能[4-6]，故越来越被广泛应用。由于不同产地的岩沥青的组分和结构不同，所以对沥青的改善效果也各有差异。因此，需要对不同地区的岩沥青的改性性能做完整测试才能加以推广。

本文通过对不同掺量岩沥青的改性沥青开展室内试验，研究岩沥青掺量对改性沥青高温和低温工况下流变性能的影响，对比不同掺量岩沥青改性沥青与基质沥青实验前后试验指标的变化，研究岩沥青对基质沥青的改性行为，以为岩沥青的生产和推广应用作指导。

1 试验材料和试验方法

试验所用基质沥青为AH — 70号基质沥青，岩沥青为产自四川广安的天然岩沥青块，粉碎后得到岩沥青。在基质沥青中分别掺入9%、12%、15%和18%的岩沥青，对比分析不同掺量岩沥青改性沥青与基质沥青流变特性的变化。基质沥青及岩沥青的技术指标见表1～表3。

本文采用动态剪切流变仪(DSR)对各类型沥青进行动态流变特性试验，试验条件见表4。对RTFOT和RAP老化后的基质沥青和不同掺量岩沥青改性沥青进行弯曲梁蠕变试验。

表3 不同掺量岩沥青改性沥青技术指标岩沥青掺量/%针入度/(0．1mm)30℃25℃15℃针入度指数PI相关系数软化点/℃当量软化点T800当量脆点T1．215℃延度135℃运动粘度/(Pa·s)残留针入度比/%0112．567．621-1．3030．99948．247．3-10．3>1000．40869．4956．635．611．2-1．1230．997355．854-5．39．50．93468．61245．329．89．1-1．110．993761．555．9-3．67．31．43567．91540．927．98．5-0．990．990464．757．3-3．35．11．61567．21828．818．96．6-0．5350．997371．563．1-1．94．42．53066．7

表4 动态流变试验条件试样直径/mm试验温度/℃间距/mm试验频率/(rad·s-1)控制应变/%2534～801105

2 动态剪切试验结果分析

2.1 岩沥青对沥青车辙因子的影响

由图1可知: 基质沥青及掺加岩沥青改性沥青的复数模量均随着温度的升高而减小，不同掺量岩沥青的复数模量随着岩沥青掺量的增大而增大，并且没有掺加岩沥青基质沥青的复数模量值最小。沥青的复数模量值越使得沥青混合料内的胶结料越硬，沥青混合料的抗车辙性能随之提高。另外改性沥青在岩沥青掺量增加的过程中，其复数模量的增大幅度有所放缓。由此说明，岩沥青的掺加使得沥青的热稳定性提高，且随着掺量的增大而增大。

图1 不同掺量岩沥青对复数模量G*的影响

车辙因子G*/sinδ表征沥青混合料中胶结成分的劲度的高温黏性，循环荷载下每次周期荷载所消耗的功由式(1)所示：

(1)

式中：Wc为每个荷载周期消耗的功；σ0为周期荷载中的应力；G*为复数模量；sinδ为相位角。

由式(1)可以看出，Wc随着G*/sinδ的增大而减小。Wc越小表征沥青在高温状态下其流动变形越小，其抗车辙能力就越强[7]。不同温度下掺量不同的岩沥青的车辙因子G*/sinδ的变化如图2所示。

图2 不同掺量岩沥青对车辙因子G*/sinδ的影响

由图可知: 温度的不断升高，基质沥青及掺加岩沥青的改性沥青的的车辙因子均在不断降低，说明高温使得沥青的抗车辙能力下降。掺加了岩沥青的改性沥青的车辙因子均比基质沥青的车辙因子要高，且掺量越高其车辙因子的值就越大。掺加18%岩沥青的改性沥青的车辙因子是基质沥青的4倍之多，可见岩沥青能够使沥青的车辙因子得到显著提高，耗散能减小，其抗车辙性能也越高。随着岩沥青掺量的不断增大，改性沥青的车辙因子的值的增大幅度在减小，岩沥青掺量从0提高到12%时车辙因子的增大幅度要高于从15%到18%的区间，所以根据实验结果，岩沥青掺量的建议值为12%～15%。

2.2 岩沥青对损失正切的影响

不同掺量岩沥青对相位角随温度的变化如图3所示。

图3 不同掺量岩沥青对相位角的影响

由图可知: 各类型沥青的相位角均随着温度的升高而增大。在相同温度下，掺加岩沥青的改性沥青的相位角均小于基质沥青，说明岩沥青能有效提高沥青的弹性部分，且随着掺量的不断增大，沥青的弹性增强越明显。当岩沥青掺量为15%及18%时，改性沥青的相位角在减小，即沥青的弹性在降低。δ值减小，沥青胶浆的弹性能增强，即在荷载作用次数相同情况下其发生变形的恢复量增多，有效增强其抗车辙性能。

沥青具有粘弹性，循环加载下，由于应变的峰值要比应力的峰值滞后，所以形成了相位角，且随着温度的升高，滞后性就越明显。不同掺量岩沥青对损失正切随温度的变化如图4所示。

图4 不同掺量岩沥青对损失正切的影响

由图可知: 温度升高各类型沥青的损失正切值tanδ均在增大，但基质沥青的损失正切值增加的速率更快，岩沥青改性沥青损失正切增福较缓。相同温度下，掺加岩沥青的改性沥青的相位角均比基质沥青的相位角要小，说明岩沥青能够降低沥青胶浆的粘性，高温流动性变弱，弹性性能增大，从而增大其抗变形能力。岩沥青掺量从9%到12%，相位角在减小，但掺量增加到15%至18%后，相位角的值有所增大，即沥青胶浆的弹性性能反而减弱，由此说明岩沥青掺量为12%时较为经济。

2.3 岩沥青对沥青动粘度的影响

不同温度下不同掺量岩沥青对动粘度的影响变化如图5所示。

图5 不同掺量岩沥青对动粘度的影响

由图可知: 随着温度的升高，基质沥青和岩沥青改性沥青的动粘度η′均在降低，各类型沥青对温度都较为敏感。相同温度下，岩沥青改性沥青的动粘度值均比基质沥青的动粘度要高，说明岩沥青能够使基质沥青的高温抗变形能力得到有效改善。岩沥青掺量越大，动粘度越大，掺量从9%到12%动粘度的增长幅度比掺量从12%到15%动粘度的增长幅度要大，且掺量12%和掺量15%时的动粘度变化曲线十分接近，由此可以确定12%～15%为岩沥青的合适掺量。

2.4 岩沥青对沥青PG分级的影响

不同掺量岩沥青的PG分级的影响如图6所示。

图6 不同掺量岩沥青改性沥青老化前后PG分级温度

由图可知: 掺加岩沥青后的改性沥青的PG高温等级均在提高。岩沥青掺量为9%时的高温等级(PG70)要比基质沥青的高温等级(PG58)高出2个高温等级。岩沥青掺量为18%时高温等级升高至PG82。按3%逐级添加岩沥青其改性沥青的高温等级均要提高1个等级，SHRP对于高温分级由于分级区间较大，故岩沥青掺量为12%时和掺量为15%时高温分级数同一等级，由此岩沥青掺量为12%～15%时较为合适。

3 弯曲梁蠕变试验结果分析

SHRP规范推荐的BBR试验规定，60 s时蠕变劲度S≤300 MPa，蠕变速率不小于0.3时的试验温度为合格温度。本试验采用RTFOT和PAV老化后的产物进行试验。见图7～图9。

图7 -12 ℃时蠕变劲度随掺量的变化

图8 -12 ℃时蠕变速率随掺量的变化

图9 PG分级随掺量的变化

由图7和图8可以看出: 随着岩沥青掺量的增大，蠕变劲度S的值不断增大，而蠕变速率m值在不断减小，说明岩沥青的掺入使得改性沥青硬度有所增大，降低了其松弛能力，低温性能有所降低。

由图9可以看出: 岩沥青改性沥青随着掺量的增大PG低温等级温度反而减小，但变化范围不大。掺加了岩沥青的改性沥青的低温等级温度相比基质沥青来说降低了一个低温等级，因此只要将岩沥青的掺量适当控制，对沥青的低温性能影响不会太大。

4 结论

通过对不同掺量岩沥青改性沥青进行动态剪切流变试验和弯曲梁蠕变试验，主要得到以下结论：

1) 扫描温度越高，基质沥青及岩沥青改性沥青的复数模量G*均在减小，岩沥青改性沥青的复数模量随掺量的增加而增大，且均高于基质沥青的复数模量；各类型沥青的车辙因子G*/sinδ随温度的升高的变化规律与复数模量规律类似G*，说明岩沥青能够使沥青的热稳定性得到有效提高，抗车辙能力得到有效改善。

2) 随着温度的升高，基质沥青及岩沥青改性沥青的相位角δ及损失正切tanδ均在增大，相同温度下，不同掺量岩沥青改性沥青的相位角δ及损失正切tanδ均高于基质沥青，说明岩沥青能够提升沥青胶浆的弹性性能，提高其抗变形能力。岩沥青掺量从15%增大到18%时相位角及损失正切的增幅要小于从0%到12%。

3) 温度升高，基质沥青及岩沥青改性沥青的动粘度η′均在减小，同一温度下岩沥青改性沥青的动粘度均要高于基质沥青，说明岩沥青能够提高沥青的高温抗变形能力。

4) 掺加岩沥青的改性沥青的蠕变劲度S增大，蠕变速率m减小，沥青的低温性能降低；将岩沥青的掺量控制在合适范围对沥青的低温性能不会产生较大影响。

5) 综合以上试验结果，岩沥青的最佳掺量为12%～15%。

[1] 樊亮，申全军，张燕燕.天然岩沥青改性对沥青路面性能的影响[J].建筑材料学报，2007，10(6)：740-744.

[2] 马琳.北美天然岩沥青改性的研究与应用[J].中国公路，2003(16)：56-57.

[3] 谢美东，李向琼.天然岩沥青改性沥青性能及改性机理试验研究[J].湖南交通科技，2007，33(3)：1-4.

[4] 王鹏举. 基于微观和流变分析的岩沥青改性沥青性能评价[J].东南大学学报(自然科学版)，2010，40(2)：367-372.

[5] 钟科，曹东伟，刘清泉.岩沥青改性沥青胶结料流变特性研究[J].公路交通科技，2007(7)：15-19.

[6] 樊亮，张燕燕，申全军.天然岩沥青对沥青流变性能的影响[J].中外公路，2007，27(2)：160-163.

[7] 张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用[M]. 北京：人民交通出版社，2006.

1008-844X(2017)03-0054-04

U 414

A

2017-04-21

雷 勇(1979-)，男，工程师，主要从事路桥方面的工作。