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1、基于沥青混合料流变性质的研究摘要：在高速公路建设如火如荼的今天，沥青路面里程与日俱增，沥青在高速公路的路面使用性能、服务寿命中起着举足轻重的作用。沥青是一种粘弹性物质，具有一定的流变性质，尤其是在高温季节，加之行车荷载的作用，沥青的流变性对沥青路面的性能具有重大影响。抗流变性能差的沥青路面将很容易形成车辙、推移等病害，严重缩短高速公路的使用寿命。用沥青为结合材料修筑的沥青路面常出现两种主要病害:高温车辙与低温开裂,其产生的主要原因是沥青及沥青混合料的高、低温稳定性不足，研究其流变性质将会有重要的意义。关键词：沥青；沥青混合料；流变性质1沥青路面在公路中的应用自1988年沈大高速公路及沪嘉高速公
2、路建成通车以来，高等级公路以前所未有的速度发展，我国高速公路进入了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的时代。高速公路从无到有，公路通达深度和覆盖面有了很大提高。到如今，我国高速公路的总里程已经跃居世界第三位。由于公路建设的发展，带动了交通运输事业的发展，在各种交通运输方式的总运量中，公路运输完成的客货运量和客货周转量所占比重从1978年的58.7%、34.1%和29.9%、2.8%，分别上升为91.3%、78.3%和54.8%、14.2%，成绩非常显著。沥青路面是高等级公路的重要组成部分，公路路面相对于路基而言虽然只是薄薄的一层，但其工程造价却占到了公路总造价的15%25%，在山区道路中
3、更多。路面作为道路直接与行车发生关系的“界面”，其工程质量具有特殊重要的意义。目前，全国已建成的高级、次高级路面公路里程约占总里程的40%，其中高级路面突破了10万公里。由于沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能，建设速度快，维修方便，为此，约75%的高速公路采用了沥青混凝土路面。结合国内外高等级公路的建设实践可知，沥青路面普遍的技术和质量问题主要的两个方面，即公路工程的耐久性（使用寿命）和路面的早期破坏。一方面，现有的道路使用寿命（812年）普遍短于设计使用寿命（1520年）；另一方面，随着交通量的迅速增长，车辆大型化和严重超载超限，使路面质量面临着新的严峻考验。在我国新路开放交通一二
4、年就出现了坑槽、开裂、车辙、抗滑性能不足等早期破坏的情况，个别路段早期损坏现象严重，不得不进行修复，带来直接和间接的经济损失。目前，我国高速公路的使用有如下特点：行车渠道化，大量的车死轧一条车道，使道路过度疲劳，尤其在高温季节，对公路的破坏力很大，特别是对四车道的高速公路危害更大。交通量提高过快且货车占的比重较大，占总车数的60%70%。超重车过多，占大型车辆的60%-70%，车辆载重远远大于设计指标。再加上高温天气等环境条件，致使公路沥青路面沥青混合料的高温抗剪切能力不足，发生车辙损坏。如今，沥青路面车辙损坏问题日益突出，已成为我国的主要公路病害。而这种趋势还在继续发展，已经引起了业界人士的
5、高度重视，采用各种手段解决该问题，国家也加大了投资力度。我们知道，道路沥青作为沥青路面最主要的建筑材料，沥青及沥青混合料的质量好坏直接决定沥青路面的使用性能及使用寿命。众所周知，我国的道路沥青主要采用石蜡基原油炼制，沥青的温度敏感性较大。因此，在一些气候条件恶劣和交通负荷特别大的或一些政治经济特别重要的路段，当使用重交通道路沥青仍不能满足要求时，为使沥青混凝土达到更高的使用性能，可以考虑使用改性沥青。在发达国家，高速公路网建成较早，已经进入维修养护的阶段，改性沥青主要用于：做排水或吸音磨耗层及其下面层的防水层；在老路面上做应力吸附膜中间层，以减少反射裂缝；在重载交通道路的老路面上加铺薄和超薄沥
6、青面层，以提高耐久性；在老路面上或新建一般公路上做表面处治，以恢复路面使用性能或减少养护工作量等。在我国，现在正处于高速公路的大规模建设阶段，当使用改性沥青时，应当特别注意路基、路面的施工质量，以避免产生路基沉降和其他早期破坏。否则，使用改性沥青就会达不到应有的效果。2材料流变性质的概念 2.1 材料的流变性质 真实的材料应该是具有流变性质的,如果对速度敏感就偏向于流体,如果对变形敏感,就偏向于固体。 在夏季高温季节，在沥青路面中，沥青遇热膨胀，成为自由沥青，它将向空隙移动并可能形成泛油，造成道路的破坏，然而我们掌握了评价沥青及沥青混合料流变性质的指标，对其进行分析，将其应用于实际工程中，能够
7、让沥青路面更少的损坏。流变性质是指物质在外力作用下的变形与流动的性质叫流变性质，其中包括弹性、粘性和塑形。任何物体都具有弹性、粘性、塑性，最典型的要数沥青、塑料等类的材料。流变性质包括蠕变和应力松弛。蠕变是指恒定温度下，固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象；应力松弛是指在恒定的应变条件下，应力随时间延长而变小。蠕变主要有三个影响因素温度、外力作用和受力时间。粘弹性材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的粘性应变(或粘塑性应变)分量随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致变形恢复力随时间逐渐降低的现象。测定应力松弛曲线是测定松弛模量的实验基础。研究物质流变性质
8、的科学称为流变学。流变学是力学的一个新分支，它主要研究材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。2.2沥青流变性沥青具有强烈依赖温度的流变性能，其流变性受沥青各个组分（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）之间物理化学相互作用的制约。饱和分主要由正构烷烃、异构烷烃和环烷烃组成，其平均相对分子质量在500800之间，芳香分主要是一些带环烷和长链烷基的芳香烃，平均相对分子质量在8001000之间，胶质也称极性芳烃，平均相对分子质量在13001800之间，沥青质是沥青胶体体系的核心，平均相对分子质量在数千到一万之间，是高度缩合的芳香烃。沥青中高分子量的成分比重越大，则流变性越
9、差。2.3 改性沥青流变性SBS改性沥青是目前国内外应用最广泛的聚合物改性沥青，由于能同时改善沥青的高低温性能且价格便宜，因此在道路改性沥青中占有很大的份额。但SBS改性沥青在流变性质方面存在非常复杂的变化，其粘度和软化点的变化幅度较大，这种现象在其它改性沥青(如PE、EVA、SBR改性沥青)中很少见。对其中一些现象国外已有所报道，但并未作深入研究，由此导致了许多不同的观点，阻碍了对SBS改性沥青的深入研究和正确评价。改性沥青的流变性具有两个显著特点，一是变化复杂，二是影响因素众多。(1)SBS改性沥青流变性质的复杂变化SBS改性沥青的流变性质易受到各种因素的影响，如基质沥青、改性剂种类、改性
10、剂掺量(为改性剂质量与沥青质量之比)、SBS的性质、改性沥青制作的混合时间、温度及存贮过程等，并且这些因素对改性沥青的软化点会产生2030的影响，而这些因素对其它聚合物改性沥青软化点的影响则要小得多，基本在5以下，一般不超过10。通过试验发现，SBS改性沥青的软化点的复杂变化主要有以下现象：改性沥青的软化点提高程度随SBS掺量增加呈现加速上升的趋势，如图1所示。从图中可以看出，掺量从3%增加到5%时，软化点的上升比较平稳，基本呈线性关系；掺量从5%增加到7%时，软化点迅速上升，5%可看作软化点转变的拐点。不同种类的SBS对沥青的流变性质的改变相差很大。将线型SBS与星型SBS在完全相同的条件下
11、制成改性沥青(掺量为5%)，线型SBS改性沥青的软化点为59，而星型SBS改性沥青的软化点则高达95。同一种改性沥青在不同时间显现出完全不同的流变性质，这包括：经过不同的混合时间后其流变性质变化相差很大，如将5%的SBS掺入沥青中后，混合时间对软化点的影响如图2所示。从图中可以看出，改性沥青随着混合时间的增加，虽然软化点开始会从48升到最高95，但随着混合时间的继续增加时，软化点又会降低到66，并无明显规律。（2）SBS改性沥青流变性质的主要影响因素SBS改性沥青的流变性质受多种因素影响，变化幅度较大。除了基质沥青和改性剂原材料本身的性质之外，根据其本质是结构决定物质的力学性能，因此聚合物相在
12、改性沥青中的形态与结构将对改性沥青的流变性质起决定作用，主要影响因素有三1。聚合物相在改性沥青中所占的面积百分率。聚合物所占的面积百分率大，则相应的改性沥青软化点高，反之亦然。聚合物相在改性沥青中的粒径大小。粒径大的软化点高，粒径小的软化点低。 聚合物相在改性沥青中的形状。相关显微研究表明，经过高温剪切后，星型SBS在沥青中的分布基本为条形结构，而线型SBS在沥青中的分布基本为球形结构，由此造成星型SBS普遍比线型SBS改性沥青的软化点高很多。此外，沥青作为典型的粘弹性体，温度对其流变性影响巨大，随着温度的升高，沥青由弹性体向牛顿流体转变，粘度急剧下降，经试验证明，粘度与温度呈双曲线关系，粘度
13、的双对数与温度对数呈负线性关系，3沥青的流变性质及评价指标在高速公路建设发展的今天，沥青路面里程与日俱增，沥青在高速公路的路面使用性能、服务寿命中起着举足轻重的作用。 沥青是一种粘弹性物质，具有一定的流变性质，尤其是在高温季节，加之行车荷载的作用，沥青的流变性对沥青路面的性能具有重大影响。抗流变性能差的沥青路面将很容易形成车辙、推移等病害，严重缩短高速公路的使用寿命。 表达沥青流变性质的指标有针入度，粘度，软化点，收缩，延度，蠕变模量，蠕变柔量，应力松弛模量和应力松弛柔量。3.1 沥青针入度实验测定沥青的针入度，以评价道路粘稠石油沥青的粘滞性，并确定沥青标号。还可以进一步计算沥青的针人度指数，
14、用以描述沥青的温度敏感性；计算当量软化点800（相当于沥青针人度为800时的温度），用以评价沥青的高温稳定性；计算当量脆点1.2（相当于沥青针人度为1.2时的温度），用以评价沥青的低温抗裂性能。主要实验仪器有：1）针入度仪针和针连杆组合件总质量为50g0.05g，另附砝码一只50g0.05g，试验时总质量为100g0.05g。仪器设有放置平底玻璃保温皿的平台，并有调解水平的装置，针连杆应与平台相垂直。2）标准针：由硬化回火的不锈钢制成，针及针杆总质量2.5g0.05g。针应设有固定用装置盒，以免碰撞针尖。3）盛样皿金属制，圆柱形平底。小盛样皿的内径55mm，深35mm（适用于针入度小于200）
15、；大盛样皿内径70mm，深45mm（适用于针入度200350）。对于针入度大于350的试样需使用特殊盛样皿，其深度不小于60mm，试样体积不小于125mL。4）恒温水浴：容量不小于10L，控温准确度为0.1。水槽中应设有一带孔的搁架，位于水面下不小于100mm，距水槽底不得少于50mm处。5）平底玻璃皿：容量不小于1L，深度不小于80mm。内设有一不锈钢三脚支架，能使盛样皿稳定。6）温度计：050，分度为0.1。7）秒表：分度为0.1s。8）盛样皿盖：平板玻璃，直径不小于盛样皿开口尺寸。9）溶剂：三氯乙烯。10）其他：电炉或砂浴、石棉网、金属锅或瓷把坩埚等。实验过程：1）沥青试样准备方法；2）
16、制备试样方法；3）调整针入度仪使之水平；4）取出达到恒温的盛样皿，并移入水温控制在试验温度0.1（可用恒温水槽中的水）的平底玻璃皿中的三脚架上，试样表面以上的水层深度不少于10mm。5）将盛有试样的平底玻璃皿置于针入度仪的平台上。慢慢放下针连杆，用适当位置的反光镜或灯光反射观察，使针尖恰好与试样表面接触。拉下刻度盘的拉杆，使与针连杆顶端轻轻接触，调节刻度盘或深度指示器的指针指示为零。6）开动秒表，在指针正指的瞬时，用手紧压按钮，使标准针自动下落贯入试样，经规定时间，停压按钮使针停止移动。7）拉下刻度盘拉杆与针连杆顶端接触，读取刻度盘指针或位移指示器的读数，准确至0.5（0.1mm）。实验结果：1）同一试样平行试验至少三次，各测试点之间及与盛样皿边缘的距离不应少于10mm。每次试验后应将盛
