复合高粘改性沥青流变行为研究进展

复合高粘改性沥青流变行为研究进展

向娇

.重庆交通大学 材料科学与工程学院 重庆 400074

摘要：本文针对复合高粘度改性沥青的流变性能研究进展进行阐述，综述了高温性能等级、低温蠕变行为、温度敏感性、抗变形能力和疲劳性能的相关试验，并对复合高粘改性沥青流变行为的研究现状进行了展望。

关键词：高粘改性沥青；流变行为；性能

1前言

随着公路技术等级和路面等级不断提高，高速发展的同时，受重大荷载和恶劣环境影响的沥青路面经常会出现沥青老化、集料剥落松散等病害，导致沥青路面性能不足、安全性变低。因此能够满足现代交通荷载并抵御天气影响的复合高粘度改性沥青，成为公路预防性养护中不可或缺的核心材料，其市场需求巨大，应用前景广阔。复合高粘度改性沥青具有较高的粘度、韧性和软化点等优点，在集料之间可以形成较强的粘结。复合高粘改性沥青较好的流变性质能有效防止高温下的沥青熔体流动堵塞路面空隙，影响路面的使用。

高聚物在粘流态发生的形变行为称为流变行为，其研究包括沥青粘弹性指标的测定和计算，在不同温度下对沥青施加不同荷载时会显现不同的粘弹性能。沥青路面的车辙、疲劳、开裂等破坏问题都与沥青及沥青混合料的流变性、粘弹特性相关，因此探究复合高粘改性沥青的流变行为对解决路面病害及提高沥青材料性能具有重要意义。

本文对复合高粘度改性沥青的流变行为研究进展进行了综述，包括高温性能等级、低温蠕变行为、温度敏感性、抗变形能力和疲劳性能等，并分析总结了各自存在的问题及发展趋势。

2高温性能等级

通过动态剪切流变仪(DSR)测得的复剪切模量|G*|和相位角δ来计算得到高温性能等级(PG)。在战略公路研究计划(SHRP)的研究计划中，车辙阻力的特征是车辙因子|G*|/sinδ。

发现橡胶复合改性沥青普遍具有优异的高温抗车辙性能和抗疲劳开裂性能。通过试验发现掺入高弹剂SR-1后，混合料的抗车辙性能有一定的提升，混合料的高温稳定性也得到提高。通过试验发现，改性沥青种类和针入度等级对沥青混合料高温稳定性有显著影响，对于同种改性沥青，降低沥青标号有利于提高混合料的高温稳定性。对岩沥青及其复合改性沥青进行全面的流变性能研究，研究表明，岩沥青的加入能够提高沥青的高温性能和旋转黏度。

DSR试验能很好的评价复合高粘改性沥青的高温性能，但温度对复合高粘改性沥青的性能影响较大，在试验过程中要关注仪器、环境等外部因素的温度对试验过程的影响。

3低温蠕变行为

当环境温度、路面温度下降时，沥青混合料会产生收缩变形，沥青路面就会出现低温开裂。因此沥青需要具备较快的蠕变速率，来松弛低温下或降温过程中产生的应力，从而阻止低温裂缝的出现。

弯曲梁流变仪(BBR)是用来测量沥青在低温下的蠕变性质。测试所得的蠕变劲度S(t)和劲度随时间的变化率m值分别用来表征低温下抵抗荷载的能力和松弛应力的能力。在同一条件下低温弯曲蠕变速率越大，其变形能力越强，抗低温开裂能力越好。

根据蠕变应变随外加应力水平的变化，确定了临界应力水平与相应的蠕变温度之间的关系。通过BBR试验分析了4种沥青60s时的蠕变劲度模量S和蠕变速率m随温度的变化规律，结果表明，由于沥青会发生玻璃化转变，在温度低于-18℃时，4种沥青的蠕变劲度模量S和蠕变速率m往往会发生突变，不会呈现显著的线性变化。使用弯曲梁流变仪(BBR)测量纯试样和改性试样作为本构粘弹性函数的蠕变顺应性。研究表明，实现蠕变顺性推导可以反映低温下废纳米粉改性对沥青粘结剂微观结构的影响。采用BBR测试在五种温度下对不同程度的改性剂影响。

4多重应力蠕变恢复试验

多重蠕变应力恢复试验（MSCR）用于测量沥青抵抗永久变形的能力，模拟路面实际的加载、卸载情况，通过动态剪切流变仪 (DSR) 测量沥青在反复加载下的应变响应。试验过程加载1s卸载9s，先加载0.1kPa应力，后加载3.2kPa应力。

MSCR试验的主要分析参数为平均恢复率R0.1和R3.2，平均不可恢复蠕变柔量Jnr0.1和Jnr3.2。R表现在受力卸载以后，能够恢复的变形比例，沥青在受力以后，恢复的比例增加，则沥青抗车辙性能好。以Jnr3.2为参考数值，将沥青划分为满足不同交通量的性能等级：极重交通等级，Jnr3.2<0.5kPa-1；超重交通等级，Jnr3.2<1.0kPa-1；重交通等级(H)，Jnr3.2<2.0kPa-1；标准交通等级，Jnr3.2<4.5kPa-1。

平均恢复率R和不可恢复蠕变柔量Jnr有很好的关联性，可以很好的描述复合高粘改性沥青的高温抗车辙性能，但是试验易受温度影响，导致结果精度降低，需要尽量排除外部环境对试验的影响。

6结论

综述了复合高粘改性沥青流变性能的测试方法，不同的性能所对应的测试指标及其指标对性能的影响大小。目前测试流变性能的试验较多，但是仪器和手段比较单一，试验时间长，结果精度不佳，需要重复试验次数较多，成本较高。作者认为对于流变行为的探索在未来的重点包括：扩大试验仪器的多样化，提高试验的精度，尽量减少试验时间的耗费，节约成本。

参考文献

 [1]刘贞鹏. SBS/橡胶复合改性沥青混合料高温性能研究[D]. 重庆交通大学, 2014.

[2]Xu B, Li M, Liu S, et al. Performance analysis of different type preventive maintenance materials for porous asphalt based on high viscosity modified asphalt[J]. Construction and Building Materials, 2018,191.

[3]Rossi C O, Spadafora A, Teltayev B, et al. Polymer modified bitumen: Rheological properties and structural characterization[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2015,480.

[4]Kuna K, Airey G, Thom N. Mix design considerations of foamed bitumen mixtures with reclaimed asphalt pavement material[J]. International Journal of Pavement Engineering, 2016,18(10).

[5]林伟杰. 基于流变特性的橡胶复合改性沥青性能研究[D]. 华南理工大学, 2020.

[6]王新科, 蒋建辉, 周启伟, 等. 一种高粘弹改性沥青及其混合料性能与工程应用[J]. 公路交通技术, 2022,38(02):51-57.