沥青材料在DSR测试中的温度梯度及温度斜坡试验对比研究

税 欢, 陶家清, 张新玉

(1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司, 四川成都 610081;2.西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031)

0 引言

流变学在道路工程领域的应用已有较长的历史[1],早在1960年代时Jongepier和Monismith等[2-3]学者就将流变学应用在了道路沥青的分析研究之中。经过多年的理论研究和实践探索,衍生出了一种基于流变学基本原理的测试设备——动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer,简称DSR)。早在美国SHRP标准化之前,动态剪切流变仪就已经被用来测试各类聚合物的流变特性[4]。随着美国的SHRP计划工作规划在1993年向全世界发布后,DSR便成为了用于测量沥青结合料性能的重要试验设备[5, 6]。

沥青是一种黏弹性材料且具有非常明显的温度敏感性,温度变化会极大影响沥青的性能。Garcta[8]的研究成果表明,沥青的黏弹性行为主要取决于沥青所处的温度和加载的时间,因此完全可以通过 DSR 的温度或频率扫描测试来判断沥青流动性能的变化。此后,研究人员针对沥青在不同温度下的流变性能进行了大量的研究,其中相当一部分研究是基于DSR展开的。通过记录沥青材料在试验过程中复数模量G*、相位角δ、储存模量G＇和损失模量G″等参数的变化,可以分析出各种沥青材料在温度、应变或频率变化下的黏弹特性。詹小丽[9]采用DSR对基质沥青、SBS改性沥青和沥青胶浆进行了黏弹特性研究。谭华等[10]通过DSR温度扫描试验对基质沥青和各种改性橡胶沥青进行研究,给出了各沥青的抗疲劳性能、抗车辙性能的评价。谭忆秋等学者[11]利用DSR进行了应变扫描、温度扫描试验,准确评价了SBS、SBR和橡胶粉等常用改性剂对沥青黏弹特性的影响。唐培培等[12]采用DSR对不同种类和不同掺量的温拌剂改性沥青进行流变特性测试,通过温度扫描试验测试模量和相位角数据,分析了Leadcap、Sasobit和WFP等不同温拌沥青的温度敏感性及频率敏感性。

变温测试是DSR试验中一种较为常见的测试模式,得到了非常广泛的应用。SHRP计划中的PG试验也是一种变温测试。目前聚合物材料领域常见的变温方法有温度梯度试验(Temperature Sweep)和温度斜坡试验(Temperature Ramp)。在沥青材料试验中,两者的区别还有待探究。温度斜坡试验中的最优参数设置(变温速率、测试频率等)也尚不明确。本文拟对温度梯度和温度斜坡2种变温试验方法进行对比研究,探讨频率对变温测试的影响规律,确定适宜的变温速率,同时以调整后的最优方法评价几种常见改性沥青的温度敏感性,为相关研究提供参考。

1 试验原材料、试验仪器及其试验原理

1.1 沥青种类

本文采用埃索ES 70号基质沥青及数种常用的改性沥青进行试验,包括线型SBS改性沥青、岩沥青、EVA改性沥青、橡胶沥青和脱硫橡胶沥青。改性沥青均在实验室自行制备,所使用原材料的基本信息如表1所示。

表1 使用原材料基本信息

SBS改性沥青的制备工艺:首先使用高速剪切机在185 ℃的温度下对SBS改性剂与基质沥青的混合物进行剪切,然后将剪切好的沥青在160 ℃下溶胀1 h,接着持续低速搅拌发育4 h,排除气泡,获得改性沥青。本文设置了4.5%和7.5%两种SBS掺量,分别对应工业上的普通改性沥青的高黏沥青。橡胶沥青和脱硫橡胶沥青采用先低速搅拌(800～1000 r/min),后高速剪切(3 000 r/min)的方式制备。脱硫橡胶沥青采用半脱硫橡胶颗粒,2种橡胶改性沥青胶粉掺量均为内掺15%。EVA和岩沥青的掺量分别为5%和10%,首先将基质沥青加热至165 ℃,随后加入对应的改性剂,先低速搅拌,再在180 ℃,3 000 r/min的条件下高速剪切40 min,直至改性剂充分溶胀。

1.2 试验仪器及试验原理

动态剪切流变仪是研究黏弹性材料的基本仪器[13]。自美国战略公路研究计划(SHRP)在沥青结合料路用性能规范中首次采用DSR评价沥青结合料的各方面性能之后,这一仪器及其关联的研究方法在沥青材料领域研究中得到广泛应用[14]。本文采用TA公司生产的动态剪切流变仪DHR-3进行试验。

动态剪切流变仪(DSR)中主要的沥青材料测试方式有3种,分别为流动 (Flow)、振荡 (Oscillation)和阶跃(Step),复数模量测试是通过振荡模式完成的。振荡试验过程中,仪器对样品施加正弦应变波的刺激γ=γ0sin(ωt),并采集样品反馈的正弦应力波和相对于应变波存在相位差,计算得到复数模量和相位角等线性黏弹性参数[15]。DHR-3测试常用夹具有平行板(PP)、锥板(CP)和同心筒(CC)。本次试验所用的平行板夹具(PP)工作原理示意如图 1所示。

图1 平行板夹具(PP)工作原理示意

1.3 变温测试方法

在DSR的测试过程中,采用独立的控温单元可以实现试验温度的规律性变化,从而评价材料在不同环境温度下的试验表现。常用的变温方法主要有两种,分别是温度梯度模式(Temperature Sweep,以下简称Sweep模式)和温度斜坡模式(Temperature Ramp,以下简称Ramp模式)。应变控制的DSR振荡试验中,Sweep和Ramp 2种变温模式的示意如图 2所示。

图2 DSR振动测试中的变温方法示意图

Sweep模式是目前沥青测试中较为常见的模式。SHRP规范中的PG测试方法就是采用的Sweep模式。试验原理是在每一个的温度阶梯中给予样品足够的保温时间,当样品达到设定温度之后再进行振荡试验,Sweep模式的优点是可以尽量减少试验过程中的温度变异性。

Ramp模式是聚合物检测领域常用的变温方法。与Sweep不同,Ramp中不设置固定的保温时间,而是持续加热/降温,温度是随时间线性变化的。这与材料在自然环境中所面临的温度变化情况更接近,同时能够帮助研究者进行材料的热动力学分析(thermal kinetic analysis)。考虑到不同材料的导热性相差较大,因此Ramp中的变温速率不宜过高,但对于沥青材料而言,适宜的变温速率尚不明确。本文将讨论不同变温速率对沥青材料Temperature Ramp试验结果的影响。

2 结果与分析

2.1 不同变温速率对Ramp试验结果的影响分析

为了探究不同的变温速率对Ramp测试结果的影响。本文设置了1 ℃/min、2 ℃/min、3 ℃/min、5 ℃/min、10 ℃/min和15 ℃/min共6组不同的变温速率进行Ramp试验。测试样品为7.5%SBS改性沥青,试验温度设置为40～140 ℃,应变为1%。各关键温度时检测到的复数模量数据如表2所示,同时统计了不同变温速率下测得模量的变异系数。

表2 各变温速率下测得的复数模量与变异系数

从表 2中数据可以看出,在常见的路面服役温度范围内(80 ℃以下),各个变温速率下的测试结果非常接近,变异系数在5%以内。这说明沥青材料的导热性较好,在较短的保温时间(较快的变温速率)下也能得到稳定的测试结果。但随着测试温度逐渐升高(80 ℃以上),变异系数逐渐增大,且变温速率越快,测试的温度范围越窄。具体地,在1～3 ℃/min范围内,仪器能覆盖40～140 ℃的温度测试区,当变温速率达到或超过5 ℃/min后,试验将无法达到预设的最高测试温度(140 ℃)。5 ℃/min下的实际最高实测温度是133 ℃,而10 ℃/min和15 ℃/min条件下的实际最高实测温度仅有103 ℃和88 ℃。

以上现象是DSR仪器的极限升温速率低于预设升温速率导致的。人工设定好变温速率后,仪器将自动预估完成时间。变温速率越快,预估时间越短。当预设速率超过仪器的极限速率时,仪器将不能在预估时间内完成升温,从而造成了温度区间测试不完整的现象。DHR-3型DSR是目前TA系列中配置较高的机型。基于本文的试验,对于常见的TA系列DSR,建议变温速率设置在1～5 ℃/min之间。本文后续Ramp变温速率确定为2 ℃/min。

2.2 Ramp和Sweep模式对比分析

确定了适宜的Ramp变温速率,本文继续对比Ramp和Sweep两种变温模式的异同点。分别使用Ramp和Sweep模式对7.5%SBS改性沥青试样进行加载。试验温度区间设置为40～140 ℃,试验应变取1%。Ramp的变温速率控制为2 ℃/min,Sweep的温度间隔设置为10 ℃。复数模量的测试结果如图 3所示。

通过图 3可以看出,Ramp模式的数据采集密度更高,因此结果呈现出连续的变化趋势,而Sweep记录的数据则更加离散。2种试验方法获得的数据基本呈包含关系,Sweep获得的数据是Ramp获得数据的子集。基于这种背景,采用Sweep模式来评价沥青性能容易带来数据丢失和误判的可能性。以图3的试验结果为例,在130 ℃左右的高温区内,由于沥青样品模量过低,Ramp模式的数据出现了变异性较大的震荡的现象。Sweep模式检测的数据数量明显少于Ramp模式,起到了平滑的效果,因此没有震荡现象。从这个角度来讲,采用Ramp模式能够更好地发现测试过程中的反常和变异。

图4 Ramp测试结果与Sweep测试结果对比(相位角)

相位角的检测结果如图 4所示,其规律与复数模量的检测结果类似(图3),即Ramp和Sweep表现出良好的相关性,但通过Ramp的数据曲线能更好地识别出数据中的变异点。

对Sweep的测试数据和Ramp的测试数据进行相关性分析,分析结果见图5,可以看出两者的相关性很高,特别是复数模量的相关性R2达到0.999 5。这说明在常见的温度区间内,两者的结果是可以相互替换的。特别地,Ramp模式在采用不同的变温速率时,可以对沥青材料的相态转变过程进行热动力学分析,因此是功能更为多样化的变温测试方法[16]。

图6 不同频率下的沥青模量随温度的变化曲线

2.3 不同频率对Ramp试验结果的影响分析

在线性黏弹性范围内,温度和频率是影响测试结果的最重要变量。不同的测试频率可以模拟不同车速的交通荷载,对于分析材料在路面中的实际受力情况具有重要参考意义。本节对变温测试过程中测试频率影响进行研究。根据前文结果,Ramp和Sweep结果基本等价,因此本节仅对Ramp试验进行研究。由于沥青在120 ℃以上的温度范围内模量过低,容易受到仪器惯性影响(Inertia effects)出现数据波动,因此本节测试温度范围为40～120 ℃,应变为1%。设置0.1 Hz,1.59 Hz(对应10 rad/s)和10 Hz 3种常见的测试频率[17],所采用的沥青为基质沥青和7.5%SBS改性沥青。

测试频率对模量检测结果的影响如图 6所示。很明显,测试频率越低,复数模量的绝对值越小。这可以通过时温等效原理来解释:对于沥青等黏弹性材料而言,较低的加载频率等同于较高的测试温度,自然的,高温(低频)下沥青的复数模量也较低。改性沥青的温度敏感性低于基质沥青,因此不同频率下复数模量的差距相对较小。

另外可以看出,不同频率下,基质沥青的复数模量绝对值虽然存在差异,但曲线形状基本相同,3条曲线基本平行;另一方面,不同频率下改性沥青的复数模量曲线走势则存在较大差异。随着检测频率降低,改性沥青的曲线在90 ℃左右出现了较为明显的驼峰。这种驼峰实际上是弹性聚合物带来的橡胶态平台区。这一现象说明温度扫描中较低的测试频率能够更好地凸显改性沥青的效果[18],同时也暗示聚合物改性在慢速重载交通中起着重要的作用。

不同频率下沥青的相位角随温度变化曲线如图7所示。基质沥青相位角受频率影响较为简单:随着频率降低,基质沥青的相位角逐渐升高。改性沥青体系中存在沥青和聚合物两种材料,因此其流变行为是2种材料的综合行为,变化规律较为复杂。在80 ℃以下,频率越低,改性沥青相位角越低;80 ℃以上,随着SBS改性剂解聚,这种规律逐渐消失。同时可以看出,频率越低,整个测试过程中沥青的相位角最小值越小。这可能是因为较长的时间(较低的频率)能够帮助聚合物改性剂更好地展示其延迟弹性。总体来说,较模量而言,相位角更能凸显改性剂的影响,在不同频率下的差异也更为明显[5,19]。在表征改性沥青的黏弹特性时,可以尝试采用相位角以及较低的测试频率来凸显改性剂的贡献。

图7 不同频率下沥青的相位角随温度变化曲线

2.4 不同改性沥青样品的Ramp结果检测结果

对常见的几种改性沥青进行Ramp试验,控制应变水平为1%,加载频率为10 rad /s,评价其在不同温度下的黏弹特性,检测结果如图8所示。

图8 各类沥青的复合模量和相位角随温度的变化曲线

由图 8可知,在测定温度范围内,各种沥青的模量均呈现出随温度迅速下降的趋势,这说明各种沥青都有随着温度升高形变增大,抵抗外界变形能力减弱的规律。而相位角则呈现出不同的规律。由于相位角是描述沥青黏弹比例的指标,这说明在测试过程中,沥青的黏弹比例在不断发生变化。

在40～90 ℃的中高温区,SBS改性沥青的相位角呈现减小的趋势,即在此温度区段内沥青体系的弹性成分逐渐大于黏性成分。这是因为这个区间内,随着温度升高,基质沥青黏度降低,聚合物网络弹性显现,所以材料表现出更多弹性;而在90～120 ℃的高温区,相位角随着温度升高而增大,这是因为随着SBS在高温下解聚,使得沥青弹性性能减弱,流动性增强,增强施工和易性。

15%脱硫橡胶沥青和15%橡胶沥青的模量均大于基质沥青,见图8(f)。高温下脱硫橡胶沥青和基质沥青都表现出黏性液体的性质,橡胶沥青的表现却与之不同。在100～120 ℃高温下15%橡胶沥青出现明显的橡胶态平台区,这是由于掺入的橡胶颗粒是一种化学交联高分子,其特性是模量随温度升高会保持恒定。而对于脱硫橡胶,由于其中的脱硫橡胶分子交联度明显低于普通橡胶,因此其弹性和高温性能低于橡胶沥青,特征接近基质沥青。在高温下,普通橡胶沥青的相位角显著低于其他沥青,表现出明显的弹性。

岩沥青和EVA改性剂能够有效提升基质沥青的模量,但对相位角的影响不大。这两种改性沥青在整个温度区间内相位角都较高,表现出较为明显的黏性。总体来看,掺入的各类改性剂对沥青的模量提升均有显著的效果。尤其是SBS改性沥青和橡胶沥青的弹性提升效果最明显。

3 结论

DSR作为研究黏弹性材料的基本仪器,通过施加动态荷载,测试材料在不同状态下的的动态形变响应。本文对DSR中常见的温度斜坡试验(Temperature Ramp)和温度梯度试验(Temperature Sweep)试验进行了比较分析,并研究了几种常见改性沥青的温度敏感性,获得结论:

(1)在常见的温度区间范围内(40～100 ℃),Ramp和Sweep的测试结果基本相同。由于Ramp是连续测试,因此可以用于热动力学分析,功能更加多样化。

(2)沥青材料的导热性良好,不同的变温速率对于Ramp试验结果影响较小。但预设的变温速率不应超过DSR仪器的极限速率,本文推荐的变温速率为1～5 ℃/min。

(3)不同的测试频率显著影响变温测试结果。在表征改性沥青的黏弹特性时,推荐采用较低的测试频率来凸显改性剂的贡献。

(4)SBS改性沥青和橡胶沥青的力学性能优异,对于沥青的模量和弹性提升效果明显。岩沥青和EVA等非弹性体改性剂也能提升沥青模量,但主要是从增黏的角度进行提升。