SBS改性沥青的流变特性

• 在线性粘弹性范围内，根据消散能原理，以G*/sinδ作 为沥青胶结料性能级规范中的抗车辙参数，也称为 “抗车辙因子”。
• G*/sinδ是个计算参数，其大小反映了沥青胶结料抗车 辙的能力。
• 因为sinδ是一个无量纲的量，因此G*/sinδ的物理意义 仍然还是表征应力应变关系的“模量”，
• 由于G*和δ是随温度和荷载变化而变化的变量，因此， 抗车辙因子是G*和δ的函数。
为线性粘弹性材料
沥青胶结料的流变特性
• 沥青胶结料的流变特性可用复数劲度模 量与相位角来表征；
沥青胶结料的复数模量
• 在以某一角频率为ω 的交变应力（或应变）作 用下，作为响应的交变应变（或应力）具有相 同的振动频率；
• 用矢量形式表示应力与应变； • 复数模量＝应力矢量/应变矢量；
E * E '2 E ''2
添加SBS对沥青高温性能的影响 ——RTFOT前的相位角降低
相位角降低
30
25
20
KL
15
LL PJ
10
QP
5
0 16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88 温度
添加SBS对沥青高温性能的影响 ——RTFOT后的相位角降低
相位角降低
25
20
KL
15
LL
10
PJ
QP
相位角
90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40
16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88 94
温度
MKL-B MKL-A MLL-B MLL-A MPJ-B MPJ-A MQP-B MQP-A
RTFOT对相位角的影响
相位角降低（%）
20
KL
温度
RTFOT前、后SBS改性沥青的剪切 复数模量随温度的变化曲线
剪切复数模量
10000
1000
100
10
1
0.1 16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88 94 温度
MKL-B MKL-A MLL-B MLL-A MPJ-B MPJ-A MQP-B MQP-A
SBS改性沥青的相位角与温度的关 系曲线
相位角
75.0
70.0 65.0 60.0 55.0 50.0
70-22 76-16 70-28 82-16 82-22 82-22 76-22 76-16
45.0
70
76
82
温度（℃）
SBS改性沥青的相位角与温度的关 系曲线
相位角
90
85
80
75
MKL
70
MQP
1
0.1 16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88 94 温度
纯沥青和SBS改性沥青的车辙因子 G*/sinδ 与温度的关系曲线
车辙因子(G*/sinδ )
10000
KL
1000
MKL
LL
100
MLL
10
PJ
MPJ
1
QP
MQP
0.1
16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88 94
• 通常普通纯沥青的复数剪切模量随温度增大而 逐渐趋近于零的变化速度比SBS改性沥青要快 得多；
• SBS改性沥青的复数剪切模量与试验温度在半 对数坐标上是线性相关的。
SBS改性沥青的复数剪切模量与温 度的关系
• SBS改性沥青的复数剪切模量大小与其 高温性能等级有关；
• 在相同温度下，SBS改性沥青的高温性 能等级越高，复数剪切模量越大，也就 是说，曲线在图中的位置越高；
15
MKL
LL
10
MLL
5
PJ
MPJ
0
QP
MQP
-5
16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82
温度
RTFOT前、后相位角随温度的变化 曲线——X.Lu
添加SBS对沥青高温性能的影响 ——RTFOT前的复数模量增量
复数模量增量（%）
700
600
500
400
KL
300
LL PJ
弯曲梁流变仪原理
BBR试验应力、应变曲线
Constant (Creep) Load
Load
deflection Deflection
Time
Time
纯沥青和SBS改性沥青的蠕变劲度 随温度的变化曲线
蠕变劲度
1400 1200 1000
800 600 400 200
0 -40
-30
-20
-10
温度
——相位角与温度的关系
SBS改性沥青的相位角与温度的关 系
• 沥青胶结料的相位角可以通过在进行动态剪切流变试 验时直接测量获得；
• 对于纯沥青，随着温度的升高，粘度降低，相应其动 态剪切试验时的相位角增大；
• 对于SBS改性沥青，在进行动态剪切流变试验中，相 位角随着试验温度变化升高的规律：
– 相位角增大 – 相位角降低 – 相位角基本不变
MLL MPJ
65
MQP
60
55
50
0
20
40
60
80
100
温度（℃）
纯沥青和SBS改性沥青的相位角与 温度的关系曲线
相位角
90
85
KL
80
MKL
75
LL
70
MLL PJ
65
MPJ
60
QP
55
MQP
50
16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88 94
温度
瑞典X.Lu教授的试验结果
• 由于sinδ＜0，对于G*/sinδ，相当于把复数剪切模量 G*在数值上扩大了1/sinδ倍，或者是把复数剪切模量 的粘性分量G*×sinδ扩大了１/（sinδ）2倍。
SBS改性沥青的车辙因子G*/sinδ 与温度的关系曲线
车辙因子(G*/sinδ )
10000
1000
MKL
100
MLL
10
MPJ
KL
0.4
MKL
LL
0.3
MLL
0.2
PJ
MPJ
0.1
QP
MQP
0
-42 -36 -30 -24 -18 -12 -6 0
温度
添加SBS对沥青低温性能的影响 ——蠕变速率变化
蠕变速率差
0.08
0.06
0.04
0.02
200
QP
100
0
-100
16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88
温度
添加SBS对沥青高温性能的影响 ——RTFOT后的复数模量增量
复数模量增量（%）
600
500
400
KL
300
LL
200
PJ
100
QP
0
-100 16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 温度
剪切复数模量
10000
1000
MKL
100
MLL
10
MPJ
MQP
1
0.1 16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88 94 温度
纯沥青和SBS改性沥青的复数剪切 模量与温度的关系曲线
剪切复数模量
10000
KL
1000
MKL
100
LL MLL
10
PJ
MPJ
1
QP
MQP
物
试验仪器与方法
• 试验仪器：
– 动态剪切流变仪（DSR） – 弯曲梁流变仪（BBR） – 辅助设备：旋转薄膜烘箱、压力老化容器
• 试验方法：
– DSR——AASHTO-TP5（用动态剪切流变仪测定沥 青胶结料的流变特性）
– BBR——AASHTO-TP1（用弯曲梁流变仪测定沥青 胶结料的弯曲蠕变劲度）
• 像沥青胶结料这样的粘弹性材料，其相位角在 0到90度之间。
沥青胶结料的相位角
• 相位角的大小不仅与试验温度有关，而 且与沥青胶结料的粘弹特性密切相关， 在高温条件下，相位角接近于90度，在 低温条件下，相位角接近于0度。
• 在多数情况下，或者在沥青路面的使用 温度条件下，沥青胶结料主要表现为粘 弹性，在这个温度范围内，动态剪切流 变试验的相位角在0到90度之间。
动态剪切流变仪
动态剪切流变仪
动态剪切流变仪
弯曲梁流变仪
旋转薄膜烘箱（RTFO）
163 C
压力老化容器（PAV）
沥青胶结料的流变特性
• 沥青材料是一种典型的、具有流变特性 的粘弹性材料
• 在大应变或高温条件下显示为牛顿流体 材料
• 在小应变或低温条件下显示为弹性材料 • 在一定的应变范围内或室温条件下显示
SBS改性沥青的流变特性
流变学
• 流变学是研究材料在力的作用下，物质 的流动和变形的构成及随时间变化与发 展的一般规律的科学。
材料流变特性
• 在一定条件下，几乎所有的材料都会产 生流动变形
• 流变特性可用应力与应变之间的时间依 赖关系来表征
SBS改性沥青
• S——Styrene：苯乙烯 • B——Butadiene：丁二烯 • SBS——苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚
5
0 16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 温度
不同SBS的改性效果——RTFOT前