基于黏弹性力学指标的APAO改性沥青高温性能评价

杨胜丰， 黄东青， 张 攀， 李 曙， 颜可珍

(1.广州市中心区交通项目管理中心， 广东 广州 510030； 2.广东省建筑设计研究院， 广东 广州 510010；3. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

车辙是沥青路面最常见的一种破坏形式，特别是在南方高温湿热的气候条件下车辙损害尤为常见[1]。车辙一般定义为荷载作用条件下沥青路面材料变形的积累[2]。引起沥青路面车辙的原因主要有材料质量的缺陷，设计和施工方法的不足，沥青胶结料的选择不恰当[2， 3]。

为了提高沥青路面的抗车辙能力，通常采用改性沥青铺筑路面。常用的改性剂有聚合物改性剂(SBS、APAO、WTR、LDPE等)和天然沥青(湖沥青、岩沥青等)[1， 3]两大类，这些改性剂能够降低沥青的感温性能，提高其抗车辙能力、抗疲劳性能等[4]。研究发现APAO改性沥青具有较好的存储稳定性，且软化点试验和PG分级试验结果表明APAO改性剂能够提高沥青的高温性能[5]。然而，以上研究一方面未考虑荷载的变化及重载车辆对聚合物改性沥青的影响；另一方面，仅采用SHRP计划所提出的车辙因子、疲劳因子等指标评价沥青的性能，未从黏弹力学方面系统地分析APAO改性沥青的黏弹力学性质。Morea等[2]发现，零剪切黏度(ZSV)能够较好地描述沥青高温性能随加载频率变化的规律；Singh等[6]提出了线性/非线性黏弹性区间内应变幅度与复数模量关系的数学模型，这些方法可为APAO改性沥青的黏弹力学性能评价提供参考。

本文利用流变学试验方法，采用PG分级试验、应变扫描试验及频率扫描试验，分析温度、应变及荷载变化对沥青的性能影响，并结合Cross模型、Singh模型分析APAO改性沥青黏弹参数(复数黏度、复数模量)的变化规律，以评价其高温性能。

1 材料与方法

1.1 材料制备

本研究采用JL70和SK90两种基质沥青，选择APAO(2385型)作为改性剂，制备APAO改性沥青。参考文献[5]，以基质沥青质量的4%为掺量，将APAO改性剂加热掺入到165℃的沥青中，用高速剪切仪以4000rad/s的速率搅拌30min，然后用搅拌机搅拌5min去除气泡，最后制得APAO改性沥青。

1.2 试验方法

本研究采用动态剪切流变仪(DSR)分别对APAO改性沥青及其原样沥青进行PG分级试验、应变扫描试验和频率扫描试验，试验所采用的转子为25mm平行板，试验时板间间距为1mm，试验条件如表1所示。

表1 沥青试验条件试验方法加载应变/%加载频率(rad·s-1)试验温度/℃PG分级试验121052,58,64,70应变扫描试验0.01～1001010,60频率扫描试验5,100.1～10060

1.3 评价模型

Singh等基于应变扫描试验结果，通过三阶段优化得到了复数模量与应变的经验关系式(1)。

|G*|=G0×

(1)

式中：|G*|为复数模量，Pa；G0为线性黏弹性区间模量，为温度和频率的函数，Pa；γ为应变的幅值， %。

根据文献[7]，复数黏度|η*|与复数模量|G*|之间的关系如式(2)所示。

(2)

式中：ω为剪切速率,1/s。

目前，零剪切黏度(Zero Shear Viscosity，ZSV)计算模型主要为Cross模型[2， 7]，该模型描述了伪塑性非牛顿流体的应力-应变关系,如式(3)所示。

(3)

式中：η为黏度，Pa·s；k和m是材料的特征常数；η0是第一牛顿区黏度，即ZSV，Pa·s；η∞是第二牛顿区黏度，Pa·s。

2 模型曲线构造

本研究分别采用复数模量和黏度构造Singh模型、Cross模型的目标函数，其形式参见文献[8]，通过最优化目标函数得到两个模型的黏弹参数曲线，并利用拟合优度评价模型的拟合效果。

(4)

(5)

3 试验结果与模型分析

3.1 PG分级试验

通过PG分级试验后，2种原样沥青及其APAO改性沥青的黏弹参数随着温度变化的规律如图1所示。

从图1可知，所有沥青的相位角随着温度的增加逐渐增大，说明温度增加黏性随之增大；复数剪切模量和车辙因子随着温度增加逐渐减小，且随着温度的升高，各沥青之间的差异逐渐缩小。APAO添加剂加入基质沥青后，复数剪切模量和车辙因子均较原样沥青大，说明高温条件下APAO改性沥青具有更好的抗变形能力。掺入APAO改性剂后，相位角较原样沥青减小，说明APAO能够提高沥青的弹性比例，从而提高沥青的高温性能。相比原样沥青，APAO改性沥青的抗车辙因子更高，这说明APAO添加剂提高了沥青的高温性能。从上述复数剪切模量、相位角及车辙因子分析可知，APAO改性剂能够提高沥青高温性质。对比JL70和SK90沥青可知，JL70沥青的高温性能更好；同样，对比

(a) G*随温度变化曲线

(b) δ随温度变化曲线

(c) 车辙因子随温度变化曲线

SK90+APAO和JL70+APAO改性沥青，后者具有更高的复数剪切模量和车辙因子、较低的相位角，这说明APAO改性后沥青的高温性能取决于其原样沥青。

3.2 应变扫描试验结果及模型分析

基于10℃和60℃的试验结果，采用式(1)计算不同应变水平下的复数模量，通过式(4)得到模型的曲线，如图2所示。

(a) T = 10 ℃

(b) T = 60 ℃

从图2中可知，当温度为10℃时，在一定区间范围内，复数模量随着应变的增加而增大；当超过一定范围后，随着应变的增大，复数模量急剧减小，该范围为非线性黏弹性范围。当温度为60 ℃时，沥青的复数模量不随测试应变的增加而增大，说明此时无论基质沥青还是改性沥青，均处于线性黏弹范围。对比两个温度下的线性黏弹性区间，温度越高线性黏弹性区间范围越大。

从图2可知，当测试温度为10℃时，随着加载应变的增加,复数模量呈现减小的趋势，而相位角呈现增加的趋势，说明此时沥青的抗变形能力减小，黏性部分增加。对于JL70沥青，APAO改性剂掺入后，复数模量增大，而相位角减小；对于SK90沥青，APAO改性剂降低了沥青的复数模量，减小了相位角，说明此时APAO改性剂提高了SK90沥青的疲劳性能。从Singh模型拟合结果来看，该模型既能较好地描述该温度下线性区间内复数模量随应变幅度的变化趋势，又能描述复数模量在非线性区间的下降趋势，且线性和非线性区间拟合优度达到0.9以上，说明该模型可以用于预测APAO改性沥青的线性和非线性区间。

表2 Singh模型拟合参数(G0)与测试均值(Ga)沥青测试温度/℃G0/PaGa/Pa(G0+Ga)/2f1minJL70101.41×1071.33×1071.37×1070.77602.13×1032.12×1032.12×1030.42JL70+APAO101.68×1071.60×1071.64×1070.48604.18×1034.16×1034.17×1030.33SK90101.09×1071.04×1071.07×1070.18601.43×1031.42×1031.42×1030.46SK90+APAO103.91×1063.75×1063.83×1060.81603.34×1033.32×1033.33×1030.35

3.3 60 ℃零剪切黏度

图3为APAO改性沥青60 ℃下零剪切黏度(ZSV)的拟合曲线，从图3可知，所有沥青黏度随着测试频率的增大而减小，加入APAO改性剂后沥青黏度在测试频域内斜率增大，说明APAO改性剂的加入使得沥青抗变形能力增强。从两种基质沥青的ZSV拟合曲线可知，基质沥青的黏度变化较小，几乎为水平直线，说明此时沥青表现出液体特征；两种APAO改性沥青高、低频测试域内出现了黏度的平台特征，这说明APAO沥青表现出黏弹性固体特征。

( a ) SK90

( b ) JL70

Cross拟合参数见表3，从表3可知，R2均大于0.99，说明Cross模型能够较好地表征沥青的黏弹特征，APAO改性沥青的ZSV值均大于其原样沥青，说明APAO改性剂提高了原样沥青的高温性能。其中，ZSV(A)小于ZSV(B)，且ZSV(MA)小于ZSV(MB)，说明APAO改性沥青高温性能取决于其原样沥青。不同沥青之间的模型参数k相同，JL70改性前后沥青m值相同，SK90沥青改性前后m值存在一定的差异，所有沥青共同点在于m值均小于1。

表3 Cross模型拟合参数沥青种类编号η0η∞kmf2minR2SK90A1461110.010.725.94×10-20.995SK90+APAOMA4161020.010.361.64×10-11.000JL70B2221380.010.594.05×10-21.000JL70+APAOMB4451410.010.594.41×10-21.000

4 结论

本文将APAO改性剂分别掺入JL70和SK90沥青中，制备了两种APAO改性沥青，采用PG分级试验、应变扫描试验及60 ℃频率扫描试验对APAO改性沥青进行高温流变学试验，并基于试验结果进行了模型分析，得到了如下主要结论：

1) 从高温流变学试验结果可知，APAO改性剂提高了沥青的复数模量、车辙因子、零剪切黏度，降低了相位角，从而提升了沥青的高温性能。

2) 当测试温度为10 ℃时，Singh模型能够较好地描述APAO改性沥青及其原样沥青线性和非线性区间内模量的变化规律；高温条件下，Singh模型仍然与测试值吻合较好，能够用于沥青性能的表征，综合试验测试结果和Singh模型拟合结果，所提出的评价指标(G0+Ga)/2能够较好地反映改性沥青的高温性能。

3) Cross模型能够较好地描述APAO改性沥青及其原样沥青的高温性能，对比原样沥青，APAO改性沥青Cross曲线高低频均出现了较为明显的平台，能够更为精确地描述沥青的高温性能。

4) 本文仅研究了APAO改性剂对两种沥青高温性能的影响，APAO改性剂对更多基质沥青高低温流变力学的影响有待进一步深入探讨。