第２７卷第４期 ２０１０年８月 华东交通大学学报 Ｖ０１．２７ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．，２０１０ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 文章编号：１００５—０５２３（２０１０）０４．００１３—０５ 布敦岩沥青改性沥青高温动态流变性能研究 吕天华，章毅 （同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海２０００９２） 摘要－采用动态剪切流变仪对布敦岩沥青（ＢＲＡ）改性沥青高温动态流变性能进行试验研究。结果表明，ＢＲＡ改性沥青的温 度敏感性随岩沥青掺量的增加而降低；岩沥青掺量达到２０％时，ＢＲＡ改性沥青的ＰＧ分级要高于基质沥青一个温度等级；掺 量达到４０％时，ＢＲＡ改性沥青的车辙因子接近于ＳＢＳ改性沥青；车辙试验结果与车辙因子关系表明岩沥青掺量的增多提高 了沥青混合料的动稳定度，车辙因子适用于评价ＢＲＡ改性沥青的高温性能。 关键词：道路工程；ＢＲＡ改性沥青；高温流变特性；ＤＳＲ；ＰＧ分级 中图分类号：Ｕ４１４ 文献标识码：Ａ 布敦岩沥青（ＢＲＡ：Ｂｕｔｏｎ Ｒｏｃｋ Ａｓｐｈａｌｔ）源自印度尼西亚布敦岛海底的沥青矿，是一种经万年沉积而成 的天然矿物，其沥青含量在２０％左右，其余为石灰岩类矿物质。研究表明，布敦岩沥青中的矿物质吸收沥 青的能力很强，能够加强沥青与矿料的粘附作用，提高混合料的抗车辙、水稳定和抗老化性能，而且施工工 艺简便，在国内外许多工程中得到应用［１－５］。我国已将天然岩沥青作为一种特殊的改性沥青纳入规范，但 仍没有相应的技术标准以及混合料的设计要求，对岩沥青改性效果的评价，尚未建立统一的标准和方法。 为此，本文采用动态剪切流变仪对ＢＲＡ改性沥青高温动态流变性能进行试验研究，通过对试验中几个关 键指标的分析以评价不同掺量下ＢＲＡ改性沥青的高温动态流变性能，可为ＢＲＡ改性沥青混合料的组成 设计提供参考依据。 １原材料 １．１试验原材料 原材料采用上海建设机场道路工程有限公司提供的７０＃基质沥青和布敦岩沥青，布敦岩沥青的技术 指标如表１所示。 ・ 表１布敦岩沥青的技术指标 １．２ ＢＲＡ改性沥青试样的制备 ＢＲＡ改性沥青的制备选用４个掺量：１０％，２０％，３０％，４０％（岩沥青相对于基质沥青的质量百分数）， 采用高速剪切搅拌机在１７５ ｏＣ恒温下３０ ｍｉｎ剪切搅拌而成。测定基质沥青和各个掺量下ＢＲＡ改性沥青 的三大指标，结果如表２所示。 收稿日期：２０１０—０４－１８ 作者简介：吕天华（１９８５一），男，硕士研究生，研究方向为道路与铁道工程。 １４ 华东交通大学学报 ２０１０焦 表２ ＢＲＡ改性沥青的基本指标 由表２可见，随着岩沥青掺量的逐渐增大，２５℃针人度逐渐变小，软化点增大，５℃和１５ ｏＣ的延度皆 逐渐变小。ＢＲＡ改性沥青的 值呈线性上升趋势，岩沥青掺量每增加１０％，针人度指数提高０．１５左右。 这是由于布敦岩沥青的沥青质含量很高，为普通石油沥青的５～１０倍［ ，随着岩沥青掺量的增大，沥青质 含量明显增多，从而使得改性后沥青胶团的极性增强，使胶体结构由溶胶型逐步向溶一凝胶型和凝胶型转 变，沥青结合料变稠变硬。 ２高温动态剪切流变试验结果分析 试验采用应变控制模式，应变值为１２％，角速度为１０ ｍｄ・ｓ～，试验方法按ＡＡＳＨ＇ＩＤ Ｔ３１５要求进行。 在不同温度下，分别测定基质沥青和ＢＲＡ改性沥青的复数剪切模量、相位角和车辙因子。 ２．１复数模量指数ＧＴＳ 复数剪切模量Ｇ 表征了材料重复剪切变形时的总阻力，为剪应力和剪应变最值之比，它包括弹性 （可恢复）部分和粘性（不可恢复）部分。不同掺量的ＢＲＡ改性沥青在各测试温度下的Ｇ 值如表３所示。 表３ ＢＲＡ改性沥青的复数模量Ｇ ｋＰａ 由于针入度评价体系描述沥青性能的适用温度范围较窄，不适于改性沥青，而Ｇ 是对沥青本身动力 弹性模量和损失模量的定量描述，可忽略沥青改性与否而对所有的胶结料进行统一的评价，采用复数模量 Ｇ 回归得到的复数模量指数ＧＴＳ与针人度指数相 比，在描述沥青感温性能的科学性和可靠性上有一 定的优势 ３。 取温度的对数作为横坐标（以绝对温度表示），复 数剪切模量Ｇ 的双对数作为纵坐标作出关系图１， 可以看出具有很好的线性关系，即公式（２．１），并且得 到不同掺量下ＢＲＡ改性沥青的ＧＴＳ值，见表４。 ｌｇ Ｇ ＝ＧＴＳ‘ｌｇ Ｔ＋Ｃ （２．１） 式中：Ｇ 一复数模量，Ｐａ； 卜测试温度，Ｋ（以绝对温度表示）； Ｃ一常数；Ｇ 一复数模量指数，表示沥青在高、中温区的 图１ ｌｇＧ 与温度的关系曲线 第４期 吕天华，等：布敦岩沥青改性沥青高温动态流变性能研究 １５ 感温性。 表４ ＢＲＡ改性沥青的ＧＴＳ值 由图１和表４可以看出，ＧＴＳ值都为负数，随着ＢＲＡ掺量的增加而变大，ＧＴＳ的绝对值逐渐减小，当 掺量由０％增加至４％时，ＧＴＳ减小约１０％，这表明随着ＢＲＡ掺量的增加，复数剪切模量受温度影响的变 化趋势减小，ＢＲＡ改性沥青的温度敏感性逐渐降低。 ２．２相位角 相位角 是应力应变之间的时间滞后，是材料弹性与粘性成分比例的指标。相位角越大，对应的材 料粘性成分就越大，越易产生永久性变形。图２为各岩沥青掺量下ＢＲＡ改性沥青相位角与温度的关系曲 线。 由图２可见，同一测试温度下，相位角 随着岩沥青掺量的增大而逐渐减小，意味着岩沥青的掺入改 善了沥青胶浆的弹性性能，掺量越多，相同的荷载作用下沥青可恢复变形的比例也要增多［６１，表明ＢＲＡ改 性沥青抗剪切变形能力的增强；同一掺量下，温度越高， 值越大，当试验温度达到８２℃高温的时候，基质 沥青和ＢＭＡ改性沥青的相位角都接近于９０。，即此时的沥青胶浆已经基本丧失了弹性恢复的能力。 ２．３车辙因子 复数剪切模量Ｇ 的倒数称为复数剪切柔量ｌ， ，．， 的虚数部分称为损失剪切柔量，剪切损失柔量的 倒数即为车辙因子Ｇ ／ｓｉｎ ，车辙因子越大，表示剪切损失柔量越小，即材料由于能量耗散产生的永久变 形越小，故ＳＨＲＰ规范将其定义为车辙因子，作为反映沥青结合料的永久变形能力即高温性能的指标。图 ３为各掺量下ＢＲＡ改性沥青的车辙因子随温度变化的关系曲线。用车辙因子Ｇ ／ｓｉｎ 对不同掺量ＢＲＡ 改性沥青的高温ＰＧ分级结果见表５。 ９０ ８９ ８８ 母 ８７ 是 ‘ｏ ８６ 躲８５ 磊 晕８４ 若 ８３ 簿 ８２ 针 ８１ 温度／＇Ｃ 图２相位角占与温度的关系曲线 图３车辙因子Ｇ ／ｓｉｎ 与温度ｅＩ帙系曲线 由图３可见，在同一掺量下，ＢＲＡ改性沥青的车辙因子Ｇ ／ｓｉｎ 随着温度的升高而减小，这是因为温 度越高，沥青由弹性向粘性转化的部分越多。同一测试温度下，ＢＲＡ改性沥青的车辙因子Ｇ ／ｓｉｎ 均随 着ＢＲＡ的掺量的增大而增大，表明ＢＲＡ改性沥青的高温性能随着岩沥青掺量的增加而提高。布敦岩沥 青中含有７４％的矿物质，矿物质的硬度很大，当掺入到基质沥青后，就会提高基质沥青的硬度。硬度越大 的沥青，高温时由弹性转化为粘性的部分越少，从而沥青的高温抗剪切变形能力越强。因此，经过岩沥青 改性后的基质沥青的高温性能得到明显改善，且掺量越多高温性能越好。 １６ 华东交通大学学报 ２０１０拄 表５不同掺量ＢＲＡ改性沥青的ＰＧ分级 注：原样沥青的临界温度是指车辙因子为１．０ ＭＰａ时所对应的测试温度，薄膜烘箱老化残留物的临界温度是指车辙因 子为２．２ ＭＰａ时所对应的测试温度。 由表５可见，当岩沥青的掺量在２０％以上时，ＢＲＡ改性沥青的ＰＧ分级要高于基质沥青一个温度等 级，由于ＳＨＲＰ高温分级区间较大，因此出现２０％，３０％，４０％三个掺量在同一等级上的结果。但是从表６ 中依然可以看出，岩沥青掺量越大，临界温度越高，充分反映了岩沥青改性沥青的高温性能随着ＢＲＡ掺量 的增加而提高的特征。 ＢＲＡ改性沥青与ＳＢＳ改性沥青车辙因子的比较如图４所示，当岩沥青的掺量达到４ＪＤ％时，ＢＲＡ改性 沥青的车辙因子接近于ＳＢＳ改性沥青的车辙因子。 图４ ＢＲＡ改性沥青与ＳＢＳ改性沥青车辙因子的比较 ３车辙试验 采用ＡＣ一２０和ＳＭＡ一１３两种级配，对不同岩沥青掺量下的沥青混合料进行车辙试验，结果如表６所 示。 ． 表６ ６０ ｃＣ动稳定度试验结果 由表６可见，随着岩沥青掺量的增加，１３ＲＡ改性沥青混合料的动稳定度逐渐提高，掺量为４０％时ＡＣ一 ２０和ＳＭＡ一１３混合料的动稳定度分别为未掺加岩沥青时的１．５９倍和１．６８倍。这是因为布顿岩沥青中 所含沥青的分子量高达９ ０００，而普通道路石油沥青的分子量仅为３ ０００，巨大的分子量使得岩沥青的内聚 力增大。将ＢＲＡ加入到普通道路石油沥青中时，在高温及小分子作用下，ＢＲＡ大分子胶束破裂，使其表现 出许多活性点，这些活性点迅速与小分子结合形成半聚合作用…，最终形成以ＢＲＡ大胶束分子为中心，普 第４期 吕天华，等：布敦岩沥青改性沥青高温动态流变性能研究 ＼ 溪 ｐ。。 １７ 通沥青小分子填充包围的新结构。这种新结构的表面电荷密度较低，使得改性沥青与矿物颗粒表面的吸 附力增强 Ｊ，故而能够提高沥青混合料的高温抗剪切变形能力。图５为６０℃时ＢＲＡ改性沥青的车辙因 子与两种沥青混合料（Ａｃ和ｓＭＡ）动稳定度的回归关系，可见车辙因子与动稳定度呈良好的线性正相关， 相关系数分别达０．７４５和０．８２４，说明车辙因子适用于评价ＢＲＡ改性沥青的高温性能。 总体来说，由于岩沥青是一种感温性低的硬质沥青，在溶人基质沥青后，将降低基质沥青的感温陛，使 原沥青变硬且高温时的弹性比例增多，这些因素造成ＢＲＡ改性沥青在高温条件下具有更好的粘结性，提 高了沥青混合料的抗剪切变形能力，达到改善混合料高温性能的目的。 ４ ５００ ４ ０００ 置 目 ３ ５００ ■Ｓ姒一ｌ３ ▲ＡＣ一２Ｏ ３ ｏ０Ｏ ——线性（Ｓｉｎ一１３） …一一线性（Ａｔ－２０） ２ ５００ ２ ０００ ２ ２．６ ３ ３．５ ４ ４．５ ５ ５．５ ６０℃车辙因子Ｇ＊／ｓｉｎ￣／ｋＰａ 图５ ６０℃车辙因子与动稳定度回归关系 ４结语 （１）复数剪切模量测试结果表明，随着布敦岩沥青掺量增加，复数模量指数绝对值减小，ＢＲＡ改性沥 青的温度敏感性降低。 （２）车辙因子指标显示，当岩沥青的掺量达到２０％时，ＢＲＡ改性沥青的ＰＧ分级要高于基质沥青一个 温度等级；掺量达到４０％时，ＢＲＡ改性沥青的车辙因子接近于ＳＢＳ改性沥青。 （３）车辙试验结果表明，随着岩沥青掺量的增多，ＢＲＡ改性沥青混合料的动稳定度逐渐增大，高温性 能得到明显改善。 （４）ＢＲＡ改性沥青车辙因子与ＢＲＡ改性沥青混合料动稳定度呈线性正相关，表明车辙因子适用于评 价ＢＲＡ改性沥青的高温性能。 参考文献： ［１］王玮．ＢＲＡ改性沥青及其混合料性能研究［Ｄ］．长沙理工大学硕士学位论文，２００８． ［２］刘树堂，杨永顺，等．布敦岩沥青改性沥青混合料试验研究［Ｊ］．同济大学学报：自然科学版，２ＯＯ７，３５（３）：３５１．３５５． ［３］钟科．岩沥青路用性能研究［Ｄ］．交通部公路科学研究院：道路与铁道工程，２ＯＯ６． ［４］杜群乐，王庆凯，王国清．布敦岩改性沥青路用性能评价的研究［Ｊ］．公路，２００５（８）：１３３—１３５． ［５］邓鹏飞．布敦岩沥青性能研究［Ｄ］．北京交通大学硕士学位论文，２００８． ［６］钟科，曹东伟，刘清泉．岩沥青改性沥青胶结料流变特性研究［Ｊ］．公路交通科技，２ＯＯ７，２４（７）：１５．１９． （下转第２１页） 第４期 左威，等：填土速率对软土路基变形的影响数值分析 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｏｆｔ Ｓｏｉｌ Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ｚｕｏ Ｗｅｉ，Ｔｕ Ｗｅｎｊｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｏａｄ Ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｌａｘｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｎｅｗ ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｐｅｎｇ—ｈｕ ｈｉｇｈｗａｙ Ｋ４１＋２００ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｉｓ ｅｓ ｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｉｎｔｅｒ． ｖａｌｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃｈａｎｇｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ；ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ；ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ （责任编辑王全金） （上接第１７页） Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒｈｅｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｂｕｔｏｎ Ｒｏｃｋ Ａｓｐｈａｌｔ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ａｓｐｈａｌｔ Ｂｉｎｄｅｒ ａｔ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｌｖ Ｔｉａｎｈｕａ，Ｚｈａｎｇ Ｙｉ 。（Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏａｄ ａｎｄ Ｔｒａｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ，Ｍｉｉｎｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｉｔｏｎ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｙｎａｍｉｃ ｒｈｅｏｌｏｇｙ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｂｕｔｏｎ ｒｏｃｋ ａｓｐｈａｌｔ ｍｏｄｉｆｉｄｅ ａｓｐｈａｌｔ ｂｉｎｄｅｒ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｄｅ ｂｙ ｎｌｅａｎｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｈｅａｒ ｒｈｅｏｍｅｔｅｒ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｂｉｌｉｙｔ ｏｆ ＢＲＡ ｍｏｄｉｆｉｄｅ ａｓｐｈａｌｔ ｂｉｎｄｅｒ ｂｅ— ｃｏｍｅｓ ｌｏｗｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＢＲＡ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ：ｔｈａｔ ｔｈｅ ＰＧ ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＢＲＡ ｍｏｄｉｆｉｄｅ ａｓｐｈａｌｔ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｈｔａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｂａｓｅ ｓａｐｈａｌｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｄｍｉｘｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ＢＲＡ ｒｅａｃｈｅｓ ２０％；ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｒｔｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ＢＲＡ ｍｏｄｉｉｆｄｅ ｓａｐｈａｌｔ ｃｅｍｅｎｔ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈａｔ ｏｆ ＳＢＳ ｍｏｄｉｉｆｅｄ ａｓｐｈａｌｔ ｃｅｍｅｎｔ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｄｍｉｘｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ＢＲＡ ｒｅａｃｈｅｓ ４０％．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ． ｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｕｔｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｗｈｅｅｌ ｔｒａｃｋ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ａｓｐｈａｌｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ａｓｐｈａｌｔ ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｕｔｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ＢＲＡ ｈｉｈｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏａｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ＢＲＡ ｍｏｄｉｉｆｄｅ ａｓｐｈａｌｔ ｂｉｎｄｅｒ；ｒｈｅｏｌｏｇｙ ｅｐｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｔ ｈｉｈｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ＤＳＲ；ＰＧ ｃｌａｓｓｉ— ｉｆｃａｔｉｏｎ （责任编辑王全金）
