浅析沥青流变性及其影响因素

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。

2沥青及改性沥青的流变性

2.1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500～800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800～1000之间，胶质也称极性芳烃，平均相对分子质量在1300～1800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，则流变性越差。

2.2 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20～30℃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：

①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。

②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℃。

③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ｔ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]。

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。

②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。

③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，粘度的双对数与温度对数呈负线性关系，SBS改性沥青的粘温关系据如图3所示。

3沥青混合料的流变性

沥青混合料是沥青和石料的混合材料，沥青是一种均质的粘弹性材料，而沥青混合料是一种颗粒性的粘弹性材料。二者的力学特性既存在一些相似性，又有许多差异性。

（1）均质性和颗粒性

一般说来，所有的颗粒性材料在宏观上都具有这样三个特征[2]：①材料由许多颗粒组成；②颗粒的自身强度远大于其联结强度；③在外力作用下，颗粒间发生相互错位移动，并存在内部摩擦。例如，土壤颗粒、就属于颗粒性材料。而在沥青混合料中，由沥青薄膜包裹着的粒料构成混合料的主骨架。因此，沥青混合料的物理结构从总体上看是松散的，可以认为它是一种典型的颗粒性材料。

相反，在纯沥青材料中不存在宏观意义上的颗粒和内摩擦，只有当沥青分子（或原子）克服了内部引力时，才会发生剪切变形。因此从宏观上来说，沥青材料属于非颗粒性材料，而从它的结构组成来说，它是一种均质性材料。事实上，根据材料的结构组成和宏观孔隙率，公路建设的所有土工材料可分为三类：①均质性材料（如钢铁、沥青）；②水硬性材料（如水泥混凝土）；③颗粒性材料（如土、沥青混合料）。由此可见，沥青和沥青混合料分属于两种不同的类别，依次分别代表了土工材料的均质性和颗粒性。

（2）粘弹性特征

沥青混合料被认为是一种典型的颗粒性材料，它的颗粒骨架空隙被具有粘弹性的沥青浆体不完全填充。在通常的工作条件下，这种混合料的流变特性也表现为粘弹性，并具有这样两个根本特征：①它的力学特性与激励时间（如应变速率ε，频率f）和实验温度密切相关；②具有十分明显的蠕变和松弛现象。也就是说，如果材料符合上述两个特征，就可以认为这种材料具有粘弹性。

沥青和沥青混合料是典型的粘弹塑性材料，具有明显的时温等效效应，其弹性模量、抗压强度随着应变速率的增大而增大，随着实验温度的降低而增大。另一方面，蠕变和松弛实验现象也是粘弹性材料非常重要的流变特征。大量的实验研究已经证实，沥青和沥青混合料表现出完全相同的蠕变和松弛现象。

⑶流变模型研究

研究认识沥青和沥青混合料粘弹性的另一种方法就是建立流变模型。对于沥青材料，传统上均采用伯格斯模型（Burgers' model）来分析其流变特性，模型构成如图4所示。

对于沥青混合料，扈惠敏等[3-4]利用伯格斯模型和Hook- Jeeves的模式搜索法进行了大量的数值模拟，效果良好。模拟结果与加卸载循环时的实验数据非常接近，这说明伯格斯模型也能有效地反映沥青混合料的粘弹性。同时也表明，沥青和沥青混合料不仅具有相同的粘弹实验特性，而且具有相同的流变分析模型。

通过对沥青和沥青混合料的材料特性和流变特性进行比较研究，首先可以发现它们二者之间存在许多相似性，如相同的粘弹性实验特性和相同的流变分析模型。其次，它们之间唯一的差异性在于材料的结构组成不同，沥青属于均质性材料，沥青混合料属于颗粒性材料。

4 结论

通过对沥青及沥青混合料流变性质的比较研究，得出主要结论如下：

⑴沥青的流变性质主要受其构成组分的影响，改性沥青的流变性质则与原材料属性、改性剂掺量、聚合物相粒径和形状、与沥青的混合时间、温度及存贮过程等因素相关。

⑵SBS改性沥青软化点提高程度随SBS掺量增加呈现加速上升的趋势，5%为曲线拐点。

⑶SBS改性沥青粘度的双对数与温度对数呈负线性关系。

⑷沥青混合料和沥青具有相同的粘弹性和流变性，区别在于材料的结构组成不同，沥青属于均质性材料，沥青混合料属于颗粒性材料。