沥青及沥青混合料的流变性能

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摘要：分析沥青及沥青混合料高温和低温条件下的流变性能及其反映参数。高温条件下，通过试验测试沥青胶结料的粘度、车辙因子，蠕变模型参数，与60℃车辙试验动稳定度做对比。低温条件下，用0℃表观粘度和由各温度下沥青实测粘度计算的粘温指数评价沥青低温条件下的感温性。

关键词：流变性；车辙；蠕变；裂缝

1 引言

沥青是典型的粘弹性材料,沥青的使用性能与其流变特性有着直接的关系。随着我我国高等级路面的不断修筑，沥青与沥青混合料作为一种非常重要的土工材料被广泛应用于道路路面,有关其流变性能的研究也在世界各地展开。研究表明,沥青和沥青混合料具有相同的粘弹性性质，正确认识沥青和沥青混合料流变特性,有助于解决一些路面材料的力学问题、提供一套更好的路面设计理论,从而设计出更为实用的路面结构。

沥青在高温情况下的流变性能

为提高沥青路面的高温抗变形能力，各种聚合物改性沥青在高等级公路上已被广泛采用。本文采用Brookfield粘度计和动态剪切流变仪(DSR)对不同类型的沥青胶结料，通过旋转粘度试验、动态剪切流变试验与蠕变试验等三种流变测试方法，测试了粘度、车辙因子与蠕变模型参数等反映沥青流变性能的参数，并结合混合料高温车辙试验结果，分析几种高温流变参数的适用性。

2．1 粘度试验

Brookfield粘度计用于测量沥青的高温粘度。对照混合料的高温车辙试验结果，发现沥青粘度值较为准确地反映了混合料的高温性能，粘度值大小排序情况和车辙试验动稳定度的结果较为一致。但是由于粘度试验测试方法与沥青使用过程中的受力状况不同，无法通过粘度试验描述沥青的流变行为特征。另外，由于旋转粘度仪测试设备的限制，有相当部分的改性沥青粘度值超过仪器的量程范围，从而无法得到准确的粘度测试结果。我国规范中评价沥青混合料高温性能的指标为车辙试验的动稳定度。本文采用60℃车辙试验作为室内评价沥青混合料高温性能的依据。

2．2 动态剪切流变试验

美国 SHRP计划在沥青混合料路用性能规范中提出采用动态剪切流变仪(DSR)，以车辙因子作为评价指标，反映沥青的永久变形性能。

2. 3 高温蠕变和松弛试验

在流变学模型理论中，描述沥青材料的蠕变特性一般是通过对弹性元件(弹簧)、粘性元件(粘壶)和塑性元件(滑块)的并串联组合来实现的。利用伯格斯模型对高温蠕变试验数据进行拟合，结合沥青混合料高温车辙试验结果，分析了其与沥青混合料高温性能的相关性。

伯格斯模型是目前使用最为广泛的粘弹力学模型，其本构方程为：式中:ε(t)为沥青样品的累积应变;σ为沥青所受的应力;Go, η1分别为Maxwell模型的弹簧常数和阻尼系数;G,η1分别为Kelvin模型的弹簧常数和阻尼系数;t为时间。

沥青混合料的蠕变过程可分为两类,一类是在应力比较大的荷载作用下的蠕变,可分为迁移期、稳定期和破坏期三个阶段. (如图1所示).另一类是在应力比较小的荷载作用下的蠕变,有可能只有迁移期和稳定期两个阶段,表现出一种“固结效应”(如图2所示).

图一

图二

伯格斯模型能够比较完全地描述沥青材料的蠕变及蠕变恢复行为。大量实验研究证明采用单轴压缩静载试验是研究沥青混合料的高温力学性能的主要手段之一.

3 沥青在低温情况下的流变性能

沥青路面在使用期内产生的低温裂缝是目前各国普遍存在的问题,尤其是寒冷地区更为突出。由于裂缝的存在,使路面的使用性能降低,大大地缩短了路面的使用寿命,具有极大的危害性。从沥青路面低温开裂的机理来看,沥青低温流变性是影响沥青路面低温开裂的最主要因素。为此,评价沥青低温性能能真实地反映沥青低温的变形能力及流动能力。

3．1沥青低温评价指标

基于沥青流动本构关系提出了采用0℃表观粘度和由各温度下沥青实测粘度计算的粘温指数评价沥青低温条件下的感温性。

3.1.1沥青低温粘度

沥青的低温粘度表征了沥青在低温条件下的流动能力。低温粘度则反映了沥青的低温使用性能,低温粘度越小,说明该种沥青在低温下容易流动,低温变形能力强,抗开裂性能强.

3.1.2粘温关系

沥青粘度随温度变化直接反映了沥青的路用性能。表征这种随温度而发生性质变化的指标就是感温性,现在普遍采用的是针入度指数PI、针入度粘度数PVN及粘温指数VTS等。

3.2沥青混合料低温抗裂性能评价指标及评价方法

对于蠕变速率指标,如果按常应力水平加荷,势必会造成一些级配或沥青品种不适用。而压缩试验临界应变能密度法是较为理想的一种方法,该法操作简单,试件尺寸小且制作简单,力学概念也较明确。

4． 结论

（1）由于粘度试验测试方法与沥青使用过程中的受力状况不同，旋转粘度仪测试设备的限制，粘度无法准确的表征沥青及沥青混合料在高温下的流变性能。

（2）动态剪切试验结果显示，车辙因子只能反映沥青流变行为中的弹性和粘性部分，忽略了可恢复变形的部分，因此，其无法准确反映改性沥青的高温流变性能。

（3）采用Burgers模型可以较好地模拟蠕变试验的蠕变柔量曲线，其参数与实际近似吻合，是反映沥青高温流变性能的重要参数之一。

（4）低温粘度则反映了沥青的低温使用性能,低温粘度越小,说明该种沥青在低温下容易流动,低温变形能力强,抗开裂性能强;反之,沥青低温粘度越大,则说明其低温变形能力差,较易开裂。

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