基于动态剪切流变仪试验的温拌沥青老化性能研究

黄美燕

摘要：为了研究温拌沥青短期老化和长期老化后性能变化。该文选用Sasobit和3G两种温拌沥青，加入到70#基质沥青和SBS改性沥青，制备相应的温拌沥青，采用动态剪切流变仪DSR，测试不同温拌剂种类及不同掺量的温拌沥青，测试其复数剪切模量G*和相位角δ 。结果表明：Sasobit和3G温拌剂的加入都使沥青短期老化程度降低，Sasobit温拌剂的幅度比3G温拌剂大，且降低幅度随着温度的增大而增大，而3G温拌剂在不同温度下其降低幅度相差无几;长期老化后，Sasobit温拌剂能够使沥青的G*/sinδ值变大，提高沥青的高温性能，3G温拌沥青的高温性能基本不变。

关键词：Sasobit温拌沥青复数剪切模量老化性能

中图分类号：U414文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）01（a）-0000-00

Rheological Properties of Aging Performance of Warm Mix Asphalt Based on

Dynamic Shear Rheometer Test

HUANG  Meiyan

（Hunan Urban Construction College，Xiangtan，Hunan Province，411101 China）

Abstract： In order to study the short-term aging and long-term aging of warm mix asphalt performance changes. In this paper， Sasobit and 3Gwarm mix asphalt were used to prepare warm mix asphalt by adding 70# base asphalt and SBS modified asphalt， and DSR dynamic shear rheometer was used to test different kinds of warm mix asphalt and different content of warm mix asphalt， the Complex Shear Modulus G* and Phase Angle δ were measured. The results show that the short-term aging degree of asphalt decreases with the addition of Sasobit and 3G， and the range of Sasobit is larger than that of 3G， after long-term aging， Sasobit can increase the G*/Sin δ value of asphalt and improve the high-temperature performance of asphalt， and the high-temperature performance of 3G warm-mix asphalt is basically unchanged.

KeyWords： Sasobit; Warm mix asphalt; Complex shear modulus; Aging performance

截至2020年，我國高速公路里程达16.10万km，其中近90%的路面采用铺筑[1]。大部分沥青路面选用热拌沥青混合料（HMA），这种混合料在施工过程中，释放有毒废气、施工温度高，能源消耗且加速老化[2]。针对此，温拌沥青混合料技术应运而生，就是通过一定的技术或掺加添加剂，降低沥青在拌和、摊铺温度的粘度，使得沥青能在较低的温度下进行施工，同时保持其不低于HMA的使用性能的沥青混合料技术[3]。

通过知网文献研究，目前大多数学者主要关注温拌沥青混合料的能源消耗方面及施工温度降低方面的问题[4-5]，对于其老化前后的性能关注较少。该文通过动态剪切流变仪（DSR）研究温拌沥青的短期老化和长期老化性能，测试温拌沥青的复数剪切模量G*和相位角δ 来评价其流变性能，并提出老化率Ar来表征老化程度，为温拌沥青混合料在路面服役过程提供指导。

1老化试验方法介绍

美国公路研究计划SHRP采用全新的方法对沥青老化进行评价，主要是模拟实践条件的老化状态，构建模拟生产过程中的短期老化和路面服役过程中的长期老化。SHRP规范的思想是采用原样和短期老化后的复数剪切模量G*和相位角δ 表征产生在沥青路面修筑初期的车辙等永久变形;沥青路面的疲劳开裂主要发生在经过短期老化又经过长期老化的沥青路面，通过动态剪切试验的G*sinδ来评价。该文用动态流变性能评价老化沥青，采用旋转薄膜烘箱（RTFOT）来模拟短期老化和压力老化容器（PAV）来模拟长期老化。

1.1 旋转薄膜烘箱（RTFOT）试验

旋转薄膜烘箱（RTFOT）试验模拟施工期的老化，主要进行胶结料的老化，用Superpave胶结料试验方法对胶结料作进一步的试验和评价。该方法是将（35±0.5）g沥青试样倒入RTFOT试样瓶中，装8个瓶，但有2个瓶必须用于确定质量变化。如果测定质量变化，含有试样的2个瓶应被冷却并称量精确到0.001g。另外，RTFOT的残留物应从裹覆的瓶中倒出，实际应用时可用刮器尽可能多的刮出。这种材料可被用来做DSR试验或转移到压力老化容器盘中进行进一步老化，或者装进同样大小的容器中，贮存起来以备将来使用。

1.2 压力老化仪（PAV）

压力老化容器（PAV）试验模拟路面使用期的老化。PAV法是模拟沥青在路面长期服役过程中发生的氧化老化，利用高温和压缩的空气进行加速老化（氧化）试验。

试验方法大致是先预热压力容器，达到试验温度后，把浇灌50g热沥青压力老化容器放在试样加上，再把架子上的试样放进热容器中，固定好盖子，并固定好安全装置。仪器重新加热，直至到试验温度的2℃以内，仪器开始加压，试验开始计时。加压20h后，通过排气阀缓慢排气。将试验盘先从试验架上挪开，再放入163℃的烘箱中，时长为15min，最后放入真空除气箱，将试件中封闭的空气消除，然后放入储存材料的容器，为下一步试验做准备。

该实验沥青采用青岛安邦路法有限公司提供的70#沥青和SBS改性沥青，温拌剂选用Sasobit和3G。采用美国TA公司生产的AR-1500e型动态剪切流变仪进行老化沥青动态剪切流变试验，温度范围为29 ℃～85℃，角速度ω为10rad/s，进行温度扫描[6]。

2 温拌剂对沥青短期老化的影响分析

2.1 温拌剂对短期老化G*和δ的影响

复数剪切模量表征其抵抗剪切变形的能力，原样和短期老化沥青的复数剪切模量都随着温度的升高而减小，相位角随着温度升高而升高，试验数据具体见表1。

通过对表1数据分析可以得到以下方面的影响。

2.1.1老化前后，沥青的流变性能趋势不变

当在相同温度时，不论老化前后，添加温拌剂的沥青的复数剪切模量较之未加前的数值大，表明温拌剂在沥青老化阶段也能提高其抗变形能力。在温度低于71℃，G*值每隔12℃，其增大幅度有一个数量级，当温度高于71℃时，G*的变化很小;在试验温度下，相位角δ的值都是增大的，在71℃左右时，曲线出现小幅度震荡，老化前与老化后沥青的相位角差值变小，特别是A-S-4的相位角基本相等，总而言之，掺加温拌剂的沥青老化后的相位角比原样的大。

2.1.2温拌剂种类对老化的影响

温拌剂种类会影响沥青的老化性能，这是因为不同的温拌剂会有不同的温拌机理。为了定量表征沥青老化性能，定义老化前后指标的差值与老化前的比值作为老化率Ar，其值与老化程度呈现正相关关系。以G*为标准的老化率来分析，基质温拌沥青的老化程度与温度呈现负相关的关系，即随着温度的增加老化程度降低，这可能是因为当温度超过一定值时，相位角δ的值几近达到90℃，即将散失弹性变形特性。当沥青是粘性状态，两种温拌剂的加入均让沥青老化程度降低，相较之于3G温拌剂，Sasobit温拌剂使沥青老化性能降低幅度要大，且该幅度随着温度的增大而增大，但3G温拌剂使沥青老化性能降低幅度与温度变化关系不大。

2.2 老化对温拌沥青G*/sinδ的影响

G*/sinδ是表征沥青高温性能的重要指标。Superpave规范要求沥青经过短期老化后的G*/sinδ值不小于2.2MPa。该试验中，短期老化后沥青的G*/sinδ值都会较原样的大，温拌沥青短期老化后又会呈现什么规律？该文详细分析了短期老化数据，具体见表2。

通过对表2数据分析可以得到以下关系。

（1）温拌沥青的G*/sinδ值与温度的关系呈负相关，温度越高，G*/sinδ值迅速降低，抗车辙能力降低。

（2）比较各原样沥青的G*/sinδ值，发现Sasobit温拌剂对基质沥青的高温性能效果最好，3G温拌剂加入基质沥青或改性沥青中，其G*/sinδ值都有所减小。

（3）同一温度下，温拌剂加入到基质沥青中，不管老化前后，Sasobit高温性能的效果比3G好，且都是老化后沥青的G*/sinδ值比原样的大，高温性能变好。3G温拌沥青不管加到基质沥青还是改性沥青中，其老化前沥青的G*/sinδ值基本没变，表明其对沥青的高温性能没有很大的影响，如在35℃时，Sasobit加入到基质沥青中，其G*/sinδ值都比基质沥青的大，高温性能变好，当Sasobit加入到改性沥青中，G*/sinδ值增幅很小，对高温性能的影响不是很大，说明Sasobit温拌剂的加入更有利于70#沥青的高温性能。A-G-0.6的G*/sinδ值比A的小5.8kPa，B-G-0.6的G*/sinδ值比B的小0.7kPa，表面在中温下，3G温拌沥青的G*/sinδ值略有降低，高温性能变弱。经过短期老化后，3G温拌沥青的G*/sinδ值比原样小，抗车辙能力降低。总而言之，Sasobit温拌剂不管老化前后的G*/sinδ值均增大，且对基质沥青效果更好，而3G温拌剂沥青的高温性能没有大的变化，有时G*/sinδ值还比原样小。

3 温拌剂对长期老化的影响

长期老化一般发生在路面使用阶段，在短期老化之后[7]。可通过研究长期老化温拌沥青，预测路面使用寿命。沥青的抗车辙能力一般是路面使用一段时间之后（长期老化）最强，然后是路面铺筑初期（短期老化），最后是原样沥青。由上节对温拌沥青短期老化的数据可以看出，老化会影响温拌沥青的性能，且对不同温拌剂的影响效果不同。从老化特性来看，短期老化只是沥青在拌和和铺筑过程中的老化，而路面服役过程是一个连续而又漫长的过程，有必要模拟沥青长期老化性能。

3.1 温拌剂种类对长期老化的影响

温拌剂加入到沥青中，降低拌和和摊铺的温度，使得沥青的老化程度减轻，长期老化的程度也會减低，但是不同温拌剂对沥青长期老化的影响存在差异，现经过试验研究Sasobit和3G温拌沥青长期老化性能的影响，具体数据见图1。

从图1数据获知，长期老化后沥青的G*值都是随温度的升高而减小，δ值都是呈现增大的趋势。不同温拌剂对沥青G*值的影响也不同，P-A-S-4的G*值比P-A大，且随着温度的增大差值愈小，由29℃的2.29×106减小为85℃的1.31×103，相差3个数量级，P-A-G-0.6的G*值比P-A的小，29℃时差值为2.91×105，85℃时的差值为2.18×102。Sasobit、3G温拌沥青加入改性沥青中，G*值也呈现同样的规律。Sasobit温拌沥青的δ值比原样沥青的小，且不管原样沥青是基质沥青还是改性沥青，其差值差不多，最大值为7℃和8℃，3G温拌沥青的δ值比原样也只是大一点，没有很大的影响。表明长期老化对沥青粘弹比例影响不大。

3.2 长期老化对温拌沥青G*sinδ值的影响

SHRP研究者采用DSR测定沥青的粘弹性，用RTFOT和PAV中老化后沥青的G*sinδ值来表示沥青路面的疲劳开裂。温拌沥青由于其在施工过程中的老化程度比较小，相应的长期老化性能也较原样沥青好，如图2所示。比较Sasobit和3G温拌沥青长期老化后G*sinδ值，研究温拌沥青的疲劳性能及不同温拌剂在疲劳性能方面的差异。

分析图2可知，温拌沥青疲劳因子随着温度的升高迅速降低，不同温拌剂对沥青G*sinδ值的影响不同，Sasobit温拌剂在试验温度范围内能增加沥青的G*sinδ值，使其抗疲劳性能增强，在29～41℃时，P-A-S-4与P-A的G*sinδ差值分别为1751kPa、852.2kPa、349.8kPa，P-B-S-4与P-B的G*sinδ差值分别为880kPa、501kPa、284.5kPa，即Sasobit加入基质沥青的G*sinδ值比Sasobit加入改性沥青的提高地大，表明改性沥青中加入Sasobit温拌剂后，其路面疲劳性能的增加幅度比基质沥青小。而3G加入到沥青中的G*sinδ值比原样沥青的小，表明3G温拌剂降低了沥青的疲劳性能。

4 结语

通过上述的试验结果分析，发现温拌剂加入沥青后，其长期老化和短期老化性能都有所变化。老化不会改变温拌沥青的粘弹性质，只是改变其变化幅度，Sasobit和3G温拌剂的加入都使沥青短期老化程度降低，Sasobit温拌剂的幅度比3G温拌剂大，且降低幅度随着温度的增大而增大，而3G温拌剂在不同温度下其降低幅度相差无几;长期老化后，Sasobit温拌剂能够使沥青的G*/sinδ值变大，提高沥青的高温性能，3G温拌沥青的高温性能基本不变。

参考文献

[1] 王海成，金娇，刘帅，等.环境友好型绿色道路研究进展与展望[J].中南大学学报：自然科学版，2021，52（7）：2137-2169.

[2] 马峰，袁康博，傅珍，等.不同温拌剂对沥青混合料路用性能的影响[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2021，44（11）：1500-1505.

[3] 张荫成，马耀宗，李怀玉，等.温拌沥青短期老化性能研究[J].西部交通科技，2018（8）：44-47.

[4] 吴坤.温拌沥青短期老化温度与老化性能研究[J].上海公路，2021（1）：97-99，122.

[5] 雷俊安，郑南翔，许新权，等.基于多应力蠕变恢复试验的温拌沥青高温性能[J].江苏大学学报：自然科学版，2020，41（4）：459-465.

[6] 蒋宇.温拌相变沥青混凝土路用性能研究[D].呼和浩特：內蒙古工业大学，2021.

[7] YU T，HUI L，HENGJI Z，etal. Comparative Investigation on Three Laboratory Testing Methods for Short-Term Aging of Asphalt Binder[J]. Construction and Building Materials，2021，266：121204.