瀝青材料在DSR測試中的溫度梯度及溫度斜坡試驗對比研究

稅 歡, 陶家清, 張新玉

(1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司, 四川成都 610081;2.西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031)

0 引言

流變學在道路工程領域的應用已有較長的歷史[1],早在1960年代時Jongepier和Monismith等[2-3]學者就將流變學應用在了道路瀝青的分析研究之中。經過多年的理論研究和實踐探索,衍生出了一種基于流變學基本原理的測試設備——動態剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer,簡稱DSR)。早在美國SHRP標準化之前,動態剪切流變儀就已經被用來測試各類聚合物的流變特性[4]。隨著美國的SHRP計劃工作規劃在1993年向全世界發布后,DSR便成為了用于測量瀝青結合料性能的重要試驗設備[5, 6]。

瀝青是一種黏彈性材料且具有非常明顯的溫度敏感性,溫度變化會極大影響瀝青的性能。Garcta[8]的研究成果表明,瀝青的黏彈性行為主要取決于瀝青所處的溫度和加載的時間,因此完全可以通過 DSR 的溫度或頻率掃描測試來判斷瀝青流動性能的變化。此后,研究人員針對瀝青在不同溫度下的流變性能進行了大量的研究,其中相當一部分研究是基于DSR展開的。通過記錄瀝青材料在試驗過程中復數模量G*、相位角δ、儲存模量G＇和損失模量G″等參數的變化,可以分析出各種瀝青材料在溫度、應變或頻率變化下的黏彈特性。詹小麗[9]采用DSR對基質瀝青、SBS改性瀝青和瀝青膠漿進行了黏彈特性研究。譚華等[10]通過DSR溫度掃描試驗對基質瀝青和各種改性橡膠瀝青進行研究,給出了各瀝青的抗疲勞性能、抗車轍性能的評價。譚憶秋等學者[11]利用DSR進行了應變掃描、溫度掃描試驗,準確評價了SBS、SBR和橡膠粉等常用改性劑對瀝青黏彈特性的影響。唐培培等[12]采用DSR對不同種類和不同摻量的溫拌劑改性瀝青進行流變特性測試,通過溫度掃描試驗測試模量和相位角數據,分析了Leadcap、Sasobit和WFP等不同溫拌瀝青的溫度敏感性及頻率敏感性。

變溫測試是DSR試驗中一種較為常見的測試模式,得到了非常廣泛的應用。SHRP計劃中的PG試驗也是一種變溫測試。目前聚合物材料領域常見的變溫方法有溫度梯度試驗(Temperature Sweep)和溫度斜坡試驗(Temperature Ramp)。在瀝青材料試驗中,兩者的區別還有待探究。溫度斜坡試驗中的最優參數設置(變溫速率、測試頻率等)也尚不明確。本文擬對溫度梯度和溫度斜坡2種變溫試驗方法進行對比研究,探討頻率對變溫測試的影響規律,確定適宜的變溫速率,同時以調整后的最優方法評價幾種常見改性瀝青的溫度敏感性,為相關研究提供參考。

1 試驗原材料、試驗儀器及其試驗原理

1.1 瀝青種類

本文采用埃索ES 70號基質瀝青及數種常用的改性瀝青進行試驗,包括線型SBS改性瀝青、巖瀝青、EVA改性瀝青、橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青。改性瀝青均在實驗室自行制備,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改性瀝青的制備工藝:首先使用高速剪切機在185 ℃的溫度下對SBS改性劑與基質瀝青的混合物進行剪切,然后將剪切好的瀝青在160 ℃下溶脹1 h,接著持續低速攪拌發育4 h,排除氣泡,獲得改性瀝青。本文設置了4.5%和7.5%兩種SBS摻量,分別對應工業上的普通改性瀝青的高黏瀝青。橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青采用先低速攪拌(800～1000 r/min),后高速剪切(3 000 r/min)的方式制備。脫硫橡膠瀝青采用半脫硫橡膠顆粒,2種橡膠改性瀝青膠粉摻量均為內摻15%。EVA和巖瀝青的摻量分別為5%和10%,首先將基質瀝青加熱至165 ℃,隨后加入對應的改性劑,先低速攪拌,再在180 ℃,3 000 r/min的條件下高速剪切40 min,直至改性劑充分溶脹。

1.2 試驗儀器及試驗原理

動態剪切流變儀是研究黏彈性材料的基本儀器[13]。自美國戰略公路研究計劃(SHRP)在瀝青結合料路用性能規范中首次采用DSR評價瀝青結合料的各方面性能之后,這一儀器及其關聯的研究方法在瀝青材料領域研究中得到廣泛應用[14]。本文采用TA公司生產的動態剪切流變儀DHR-3進行試驗。

動態剪切流變儀(DSR)中主要的瀝青材料測試方式有3種,分別為流動 (Flow)、振蕩 (Oscillation)和階躍(Step),復數模量測試是通過振蕩模式完成的。振蕩試驗過程中,儀器對樣品施加正弦應變波的刺激γ=γ0sin(ωt),并采集樣品反饋的正弦應力波和相對于應變波存在相位差,計算得到復數模量和相位角等線性黏彈性參數[15]。DHR-3測試常用夾具有平行板(PP)、錐板(CP)和同心筒(CC)。本次試驗所用的平行板夾具(PP)工作原理示意如圖 1所示。

圖1 平行板夾具(PP)工作原理示意

1.3 變溫測試方法

在DSR的測試過程中,采用獨立的控溫單元可以實現試驗溫度的規律性變化,從而評價材料在不同環境溫度下的試驗表現。常用的變溫方法主要有兩種,分別是溫度梯度模式(Temperature Sweep,以下簡稱Sweep模式)和溫度斜坡模式(Temperature Ramp,以下簡稱Ramp模式)。應變控制的DSR振蕩試驗中,Sweep和Ramp 2種變溫模式的示意如圖 2所示。

圖2 DSR振動測試中的變溫方法示意圖

Sweep模式是目前瀝青測試中較為常見的模式。SHRP規范中的PG測試方法就是采用的Sweep模式。試驗原理是在每一個的溫度階梯中給予樣品足夠的保溫時間,當樣品達到設定溫度之后再進行振蕩試驗,Sweep模式的優點是可以盡量減少試驗過程中的溫度變異性。

Ramp模式是聚合物檢測領域常用的變溫方法。與Sweep不同,Ramp中不設置固定的保溫時間,而是持續加熱/降溫,溫度是隨時間線性變化的。這與材料在自然環境中所面臨的溫度變化情況更接近,同時能夠幫助研究者進行材料的熱動力學分析(thermal kinetic analysis)?？紤]到不同材料的導熱性相差較大,因此Ramp中的變溫速率不宜過高,但對于瀝青材料而言,適宜的變溫速率尚不明確。本文將討論不同變溫速率對瀝青材料Temperature Ramp試驗結果的影響。

2 結果與分析

2.1 不同變溫速率對Ramp試驗結果的影響分析

為了探究不同的變溫速率對Ramp測試結果的影響。本文設置了1 ℃/min、2 ℃/min、3 ℃/min、5 ℃/min、10 ℃/min和15 ℃/min共6組不同的變溫速率進行Ramp試驗。測試樣品為7.5%SBS改性瀝青,試驗溫度設置為40～140 ℃,應變為1%。各關鍵溫度時檢測到的復數模量數據如表2所示,同時統計了不同變溫速率下測得模量的變異系數。

表2 各變溫速率下測得的復數模量與變異系數

從表 2中數據可以看出,在常見的路面服役溫度范圍內(80 ℃以下),各個變溫速率下的測試結果非常接近,變異系數在5%以內。這說明瀝青材料的導熱性較好,在較短的保溫時間(較快的變溫速率)下也能得到穩定的測試結果。但隨著測試溫度逐漸升高(80 ℃以上),變異系數逐漸增大,且變溫速率越快,測試的溫度范圍越窄。具體地,在1～3 ℃/min范圍內,儀器能覆蓋40～140 ℃的溫度測試區,當變溫速率達到或超過5 ℃/min后,試驗將無法達到預設的最高測試溫度(140 ℃)。5 ℃/min下的實際最高實測溫度是133 ℃,而10 ℃/min和15 ℃/min條件下的實際最高實測溫度僅有103 ℃和88 ℃。

以上現象是DSR儀器的極限升溫速率低于預設升溫速率導致的。人工設定好變溫速率后,儀器將自動預估完成時間。變溫速率越快,預估時間越短。當預設速率超過儀器的極限速率時,儀器將不能在預估時間內完成升溫,從而造成了溫度區間測試不完整的現象。DHR-3型DSR是目前TA系列中配置較高的機型?；诒疚牡脑囼?對于常見的TA系列DSR,建議變溫速率設置在1～5 ℃/min之間。本文后續Ramp變溫速率確定為2 ℃/min。

2.2 Ramp和Sweep模式對比分析

確定了適宜的Ramp變溫速率,本文繼續對比Ramp和Sweep兩種變溫模式的異同點。分別使用Ramp和Sweep模式對7.5%SBS改性瀝青試樣進行加載。試驗溫度區間設置為40～140 ℃,試驗應變取1%。Ramp的變溫速率控制為2 ℃/min,Sweep的溫度間隔設置為10 ℃。復數模量的測試結果如圖 3所示。

通過圖 3可以看出,Ramp模式的數據采集密度更高,因此結果呈現出連續的變化趨勢,而Sweep記錄的數據則更加離散。2種試驗方法獲得的數據基本呈包含關系,Sweep獲得的數據是Ramp獲得數據的子集?；谶@種背景,采用Sweep模式來評價瀝青性能容易帶來數據丟失和誤判的可能性。以圖3的試驗結果為例,在130 ℃左右的高溫區內,由于瀝青樣品模量過低,Ramp模式的數據出現了變異性較大的震蕩的現象。Sweep模式檢測的數據數量明顯少于Ramp模式,起到了平滑的效果,因此沒有震蕩現象。從這個角度來講,采用Ramp模式能夠更好地發現測試過程中的反常和變異。

圖4 Ramp測試結果與Sweep測試結果對比(相位角)

相位角的檢測結果如圖 4所示,其規律與復數模量的檢測結果類似(圖3),即Ramp和Sweep表現出良好的相關性,但通過Ramp的數據曲線能更好地識別出數據中的變異點。

對Sweep的測試數據和Ramp的測試數據進行相關性分析,分析結果見圖5,可以看出兩者的相關性很高,特別是復數模量的相關性R2達到0.999 5。這說明在常見的溫度區間內,兩者的結果是可以相互替換的。特別地,Ramp模式在采用不同的變溫速率時,可以對瀝青材料的相態轉變過程進行熱動力學分析,因此是功能更為多樣化的變溫測試方法[16]。

圖6 不同頻率下的瀝青模量隨溫度的變化曲線

2.3 不同頻率對Ramp試驗結果的影響分析

在線性黏彈性范圍內,溫度和頻率是影響測試結果的最重要變量。不同的測試頻率可以模擬不同車速的交通荷載,對于分析材料在路面中的實際受力情況具有重要參考意義。本節對變溫測試過程中測試頻率影響進行研究。根據前文結果,Ramp和Sweep結果基本等價,因此本節僅對Ramp試驗進行研究。由于瀝青在120 ℃以上的溫度范圍內模量過低,容易受到儀器慣性影響(Inertia effects)出現數據波動,因此本節測試溫度范圍為40～120 ℃,應變為1%。設置0.1 Hz,1.59 Hz(對應10 rad/s)和10 Hz 3種常見的測試頻率[17],所采用的瀝青為基質瀝青和7.5%SBS改性瀝青。

測試頻率對模量檢測結果的影響如圖 6所示。很明顯,測試頻率越低,復數模量的絕對值越小。這可以通過時溫等效原理來解釋:對于瀝青等黏彈性材料而言,較低的加載頻率等同于較高的測試溫度,自然的,高溫(低頻)下瀝青的復數模量也較低。改性瀝青的溫度敏感性低于基質瀝青,因此不同頻率下復數模量的差距相對較小。

另外可以看出,不同頻率下,基質瀝青的復數模量絕對值雖然存在差異,但曲線形狀基本相同,3條曲線基本平行;另一方面,不同頻率下改性瀝青的復數模量曲線走勢則存在較大差異。隨著檢測頻率降低,改性瀝青的曲線在90 ℃左右出現了較為明顯的駝峰。這種駝峰實際上是彈性聚合物帶來的橡膠態平臺區。這一現象說明溫度掃描中較低的測試頻率能夠更好地凸顯改性瀝青的效果[18],同時也暗示聚合物改性在慢速重載交通中起著重要的作用。

不同頻率下瀝青的相位角隨溫度變化曲線如圖7所示?；|瀝青相位角受頻率影響較為簡單:隨著頻率降低,基質瀝青的相位角逐漸升高。改性瀝青體系中存在瀝青和聚合物兩種材料,因此其流變行為是2種材料的綜合行為,變化規律較為復雜。在80 ℃以下,頻率越低,改性瀝青相位角越低;80 ℃以上,隨著SBS改性劑解聚,這種規律逐漸消失。同時可以看出,頻率越低,整個測試過程中瀝青的相位角最小值越小。這可能是因為較長的時間(較低的頻率)能夠幫助聚合物改性劑更好地展示其延遲彈性?？傮w來說,較模量而言,相位角更能凸顯改性劑的影響,在不同頻率下的差異也更為明顯[5,19]。在表征改性瀝青的黏彈特性時,可以嘗試采用相位角以及較低的測試頻率來凸顯改性劑的貢獻。

圖7 不同頻率下瀝青的相位角隨溫度變化曲線

2.4 不同改性瀝青樣品的Ramp結果檢測結果

對常見的幾種改性瀝青進行Ramp試驗,控制應變水平為1%,加載頻率為10 rad /s,評價其在不同溫度下的黏彈特性,檢測結果如圖8所示。

圖8 各類瀝青的復合模量和相位角隨溫度的變化曲線

由圖 8可知,在測定溫度范圍內,各種瀝青的模量均呈現出隨溫度迅速下降的趨勢,這說明各種瀝青都有隨著溫度升高形變增大,抵抗外界變形能力減弱的規律。而相位角則呈現出不同的規律。由于相位角是描述瀝青黏彈比例的指標,這說明在測試過程中,瀝青的黏彈比例在不斷發生變化。

在40～90 ℃的中高溫區,SBS改性瀝青的相位角呈現減小的趨勢,即在此溫度區段內瀝青體系的彈性成分逐漸大于黏性成分。這是因為這個區間內,隨著溫度升高,基質瀝青黏度降低,聚合物網絡彈性顯現,所以材料表現出更多彈性;而在90～120 ℃的高溫區,相位角隨著溫度升高而增大,這是因為隨著SBS在高溫下解聚,使得瀝青彈性性能減弱,流動性增強,增強施工和易性。

15%脫硫橡膠瀝青和15%橡膠瀝青的模量均大于基質瀝青,見圖8(f)。高溫下脫硫橡膠瀝青和基質瀝青都表現出黏性液體的性質,橡膠瀝青的表現卻與之不同。在100～120 ℃高溫下15%橡膠瀝青出現明顯的橡膠態平臺區,這是由于摻入的橡膠顆粒是一種化學交聯高分子,其特性是模量隨溫度升高會保持恒定。而對于脫硫橡膠,由于其中的脫硫橡膠分子交聯度明顯低于普通橡膠,因此其彈性和高溫性能低于橡膠瀝青,特征接近基質瀝青。在高溫下,普通橡膠瀝青的相位角顯著低于其他瀝青,表現出明顯的彈性。

巖瀝青和EVA改性劑能夠有效提升基質瀝青的模量,但對相位角的影響不大。這兩種改性瀝青在整個溫度區間內相位角都較高,表現出較為明顯的黏性?？傮w來看,摻入的各類改性劑對瀝青的模量提升均有顯著的效果。尤其是SBS改性瀝青和橡膠瀝青的彈性提升效果最明顯。

3 結論

DSR作為研究黏彈性材料的基本儀器,通過施加動態荷載,測試材料在不同狀態下的的動態形變響應。本文對DSR中常見的溫度斜坡試驗(Temperature Ramp)和溫度梯度試驗(Temperature Sweep)試驗進行了比較分析,并研究了幾種常見改性瀝青的溫度敏感性,獲得結論:

(1)在常見的溫度區間范圍內(40～100 ℃),Ramp和Sweep的測試結果基本相同。由于Ramp是連續測試,因此可以用于熱動力學分析,功能更加多樣化。

(2)瀝青材料的導熱性良好,不同的變溫速率對于Ramp試驗結果影響較小。但預設的變溫速率不應超過DSR儀器的極限速率,本文推薦的變溫速率為1～5 ℃/min。

(3)不同的測試頻率顯著影響變溫測試結果。在表征改性瀝青的黏彈特性時,推薦采用較低的測試頻率來凸顯改性劑的貢獻。

(4)SBS改性瀝青和橡膠瀝青的力學性能優異,對于瀝青的模量和彈性提升效果明顯。巖瀝青和EVA等非彈性體改性劑也能提升瀝青模量,但主要是從增黏的角度進行提升。