桥用伸缩缝沥青胶结料温度扫描试验及分析

时间：2024-07-28

曾嵘，王曦东，陈欢芳，黄思闽，卢彭真

(1.嘉兴市秀洲区公路与运输管理服务中心嘉兴市 314000； 2.浙江工业大学杭州市 310014)

0 引言

无缝伸缩缝作为一种新型的桥梁伸缩缝，由于其良好的整体性、施工便捷性和行车舒适性受到了越来越多的关注[1-2]。为满足伸缩变形方面的要求，无缝伸缩缝填缝料的沥青胶结料用量比普通沥青混合料要大很多，因此无缝伸缩缝的性能与使用的沥青胶结料密切相关，尤其在高温下，沥青胶结料的稳定性和抗变形能力更为重要。也因此，沥青胶结料是桥梁无缝伸缩缝性能发挥的主体。其中，沥青胶结料具有明显的流变性能，在加热过程中从固态向液态转变，发生形变和流动，属于粘弹性材料。因此，为表征沥青胶结料的流变特性，采用恒定频率或恒定温度下的相位角频率和复合剪切模量G*来进行分析。另外，为保证和延长桥梁无缝伸缩缝装置的寿命周期，保证其填缝料有较好的使用性能，沥青胶结料在低温条件下模量不能过大，并且在高温条件下又应具有一定的模量，温度敏感性要低，只有这样才能保证桥梁无缝伸缩缝装置正常使用。

目前，关于改性沥青Matrix502和Colas这两种专门用于无缝伸缩缝的沥青胶结料流变性能的系统研究尚未见文献报道。同时，国内关于桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料的性能无明确的技术指标。利用动态剪切流变仪(DSR)对Matrix502和Colas两种无缝伸缩缝沥青胶结料进行温度扫描试验，以研究两种材料的流变特性。

1 试验及其方法

材料选择：选用美国科来福公司生产的无缝伸缩缝沥青胶结料Matrix502和韩国的无缝伸缩缝胶结料Colas。DSR：环境室、加载设备、平行金属板、数据控制和采集系统五部分组成试验系统。加载设备向试件施加10rad/s±0.1rad/s频率的正弦振荡荷载。金属板直径分别为25mm±0.05mm与8.00mm±0.05mm。数据采集和控制系统能够记录温度频率、扭矩和偏角。

主要采用DSR对Matrix502和Colas两种沥青胶结料进行温度扫描试验，其试验条件根据温度范围确定，-10～30℃定义为低温区，使用8mm的转子，试件厚度为2mm，应变水平为0.1%，频率为10rad/s；30℃以上定义为高温区，使用25mm的转子，试件厚度1mm，应变水平为0.5%，频率为10rad/s。

2 温度扫描试验结果分析

沥青胶结料对于温度和时间有很强的依赖性，在不同的温度条件下进行试验分析，沥青胶结料的力学流变性能会有很大差异，从而会对桥梁无缝伸缩缝装置造成重大影响。因此，桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料若想提升其使用性能，在低温时其模量不能过大，同时在高温时应具有一定模量，并且其应具有较低的温度敏感性。原因在于，沥青胶结料在低温环境时，其流动性会变小直至硬化，而硬化由于外部荷载和环境因素从而产生开裂破坏；在高温环境下，沥青胶结料会发生软化现象，其流动性会变大，而这就会导致车辙、拥包和流动变形等一系列病害。

目前，沥青等级指数、粘温指数、针入度-粘度指数、针入度指数等是常用的沥青温度敏感性能评价指标。目前我国采用针入度方法进行评价，但在ASTM美国材料实验协会和SHRP美国公路战略研究计划中，是根据不同的沥青用途、在不同的温度下，对沥青胶结料进行旋转薄膜烘箱试验、压力老化试验、DSR、弯曲梁流变试验BBR及直接拉伸试验，从而评价沥青胶结料的温度敏感程度。沈金安[3]等人利用粘温指数VTS等方法评价沥青温度敏感性的合理性，利用针入度实验测出沥青的粘度，在开式温标下进行VTS拟合。主要研究沥青胶结料在-10℃至60℃的流变性能，采用DSR对Colas和Matrix502两种沥青胶结料进行温度扫描试验。表1为温度扫描试验参数。

表1 温度扫描试验参数

2.1 复合剪切模量分析

沥青胶结料Matrix502和Colas两者复合剪切模量G*随温度上升的变化曲线如图1所示。从图1可以看出，在-10℃至60℃温度范围内，两种沥青胶结料的G*都随着温度的升高而降低。在低温区-10℃左右，Colas的复合剪切模量较高；在温度达到60℃后，Matrix502和Colas两种沥青胶结料的G*为一个数量级。所以在整个温度范围内综合来看，Matrix502的G*下降趋势较小，其温度敏感性更小，具有较好的应力松弛能力。

图1 改性沥青温度扫描结果-复合剪切模量

2.2 相位角分析

在相同高温条件、荷载作用下，相位角越大，表明沥青胶结料的黏性成分越多，即变形不可恢复的沥青含量越高。图2给出了Matrix502和Colas两种沥青胶结料相位角随温度上升的变化曲线。从图2可知，相位角随温度上升表现出先增加后下降的趋势。Colas的相位角在-10℃至60℃的温度范围内保持在26°到51°之间，而Matrix502在-10℃至60℃的温度范围内相位角介于23°～53°。因此，在-10℃至30℃的温度范围内，Colas的相位角较大，从而Matrix502的应力松弛能力更好。

图2 改性沥青温度扫描结果-相位角

3 老化后温度扫描试验

桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料由于具有明显的流变特性，其施工加热温度相对较高，一般要求达到170～180℃[4-6]。因此，桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料短期老化后的性能也具有研究的意义[7-10]。采用薄膜烘箱老化的方式，将材料放置于烘箱中以180℃的温度保温1h。

3.1 改性沥青Matrix502

Matrix502沥青胶结料老化前后的温度扫描结果如图3所示。试验结果表明，老化后G*和相位角都有一定程度的变化。在低温区，老化前后模量变化较大，相位角有显著升高，增幅在10°～15°；在30℃以上的温度范围内老化前后复合剪切模量随温度升高渐渐趋于一致；在整个温度范围内，老化后的相位角基本保持不变。综合来看，改性沥青Matrix502短期老化之后高温稳定性能略有损失。

图3 改性沥青Matrix502老化前后温度扫描结果

3.2 改性沥青Colas

Colas胶结料老化前后的温度扫描结果如图4所示。其试验结果表明，老化后G*和相位角都有一定程度的变化。在-10℃至60℃的温度范围内，老化前后复合剪切模量变化趋势基本一致，且变化不大；在低温区，相位角变化趋势不明显，在30℃以上的温度范围内老化前后的相位角随温度升高相差变大，且老化后的相位角有显著提高，增幅在4°～10°。总体来说，改性沥青Colas短期老化之后高温稳定性能基本没有损失。

图4 改性沥青Colas老化前后温度扫描结果

综上，在短期老化后，Colas沥青胶结料的高温稳定性能基本没有损失，而Matrix502沥青胶结料的高温稳定性能略有损失。