1、 淺敘瀝青材淺敘瀝青材料料流變學流變學 徐闖徐闖 2015.5.23內容要點第一節 引言第二節 國內外瀝青流變特性研究狀況第三節 流變學性質的基本概念第四節 瀝青的流變性質及評價指標第五節 瀝青混合料的流變性質及評價指標第六節 結語第一節 引言隨著經濟的不斷發展,道路所承受的交通量、交通荷載及輪胎壓力不斷增加,由此導致瀝青路面的車轍、開裂、剝落等病害日益嚴重。如何提高瀝青路面的使用性能,以滿足交通發展的需要,這是全世界道路工作者所面臨的重要課題。 瀝青路面車轍現象 瀝青路面開裂現象瀝青是一種具有彈性、粘性和塑性的流變性材料，在高溫時軟化呈流體，低溫硬化變脆呈固體。而路面尤其是高等級路面要求所采

2、用的瀝青在高溫時不易軟化產生車轍，在低溫時不易硬化導致開裂。然而單一的石油瀝青受其生產工藝與母體原油性質所限，很難滿足上述流變性要求。瀝青材料的性能是受溫度及負載作用時間的影響的 ,并不是不變的常數。因此，路面設計、路面內的應力應變分析、理論計算等仍停留在理論上,如若付諸于實際應用,還必須從研究瀝青材料的性質入手。瀝青材料流變學乃是研究瀝青材料性質科學的方法。第二節 國內外瀝青流變特性研究狀況從國內外研究情況來看，以流變學理論為基礎，開展對瀝青及瀝青混合料流變特性的研究，是材料科學發展的一個趨勢。從法國、瑞士、荷蘭等國的情況來看，大約70%80%的研究工作是以流變學為基本理論，從理論上探討其力

3、學特性與試驗性能。SHRP研究結果認為，材料的流變特性可以用在恒定的溫度或恒定的頻率或載荷時間條件下復合模量和相位角隨頻率的變化表示。我國在這方面起步較晚，且研究工作沒有連續性，缺乏系統的數據積累。瀝青材料主要為石油瀝青，在公路建設中有著重要的應用，但它的流變性能及流變模型，在世界范圍內的認識不盡詳細。至目前為止，國內外研究流變學的途徑一般有兩種：一種是用流體力學中的數學方式建立起一些方程式（如運動方程和連續方程等）來描述體系的流變性，而不去追究其內在原因；一種是將觀察到的體系的力學行為與物體的內部結構聯系起來，并建立相應的關系式或指標說明這一關系。一般情況下，研究瀝青都采用第二種途徑。而瀝青

4、的流變性主要是瀝青的流動性和粘彈性。第三節 流變學性質的基本概念3-1 流變性質與流變學概念3.1.1 材料的流變性質在夏季高溫季節。在瀝青路面中，瀝青遇熱膨脹，成為自由瀝青，他將向空隙移動并可能形成泛油，造成道路的破壞。然而我們掌握了評價瀝青及瀝青混合料流變性質的指標，對其進行分析，將其應用于實際工程中，能夠讓瀝青路面更少的損壞，有著實際的意義。流變學是研究物質流動和變形的科學，它主要研究材料在應力、應變、溫度、濕度、輻射等條件下與時間因素有關的變形和流動的規律。它包括材料的塑性、彈性、粘性、形變等內容，并將應力、應變、時間、溫度、分子結構、界面性質等因素對材料力學性質的影響作為研究對象。3

5、.1.2 什么是流變性質 ？ 瀝青混合料彎曲蠕變試驗第四節 瀝青的流變性質及評價指標4-1 瀝青的流變性質4.1.1 瀝青材料的流動性在高于瀝青軟化點的溫度范圍內，瀝青材料主要表現粘性流動特性。粘度的大小表征了材料在外力作用下抵抗流動變形的能力，粘度越大，材料在相同外力作用下產生的流動變形越小。對石油瀝青，即使高于軟化點溫度（已經成為流體），但并不服從牛頓定律（即剪應力與剪應變的簡單線性比例關系），而屬于非牛頓流體。對這些瀝青材料，要測定粘性系數將是困難的，因為剪切速率的變化將測得不同的數值。因此，使用上都是固定某一個條件測定其條件粘度。將剪應力與剪邊率之比稱為視粘度，或叫表觀粘度。 4.1.

6、2 瀝青材料的粘彈性瀝青是一種粘彈性材料，粘彈性材料一個始終不變的特征就是它的力學特性隨載荷施加的時間和溫度而變化。瀝青材料具有松弛能力，降溫時瀝青面層由于收縮變形產生的溫度應力逐漸松弛，使得瀝青路面能夠不產生收縮裂縫。但是降溫幅度過大，或者瀝青材料的應力松弛能力不足時，溫度應力超過材料的破壞強度，瀝青材料將會發生低溫開裂。同樣，由于瀝青路面材料具有蠕變特性，高溫下產生的車轍病害不僅來源于瀝青的粘性流動變形，也與未能恢復的蠕變變形累計有關。蠕變速率能真實地反映瀝青及其混合料的流變特性和高溫性能。研究瀝青的高溫車轍和低溫開裂問題必須研究瀝青的蠕變性能和應力松弛性能。同樣，蠕變和應力松弛也是瀝青材

7、料粘彈性力學領域中研究的基本力學現象。蠕變：恒定溫度下，固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象（蠕變曲線如圖1）。應力松弛：在恒定的應變條件下，應力隨時間延長而減小（松弛曲線如圖2）。 圖1 圖2 4-2 瀝青的流變性質評價指標評價指標針入度軟化點延度粘度收縮蠕變應力松弛4.2.1 4.2.1 針入度針入度針入度實驗是在規定的溫度和時間內，在一定溫度和時間內，附加一定質量的標準針垂直灌入試樣的深度，以0.1mm表示，針入度用來評價瀝青軟硬程度和稠度、抵抗剪切破壞的能力，反映在一定條件下瀝青的相對黏度的指標。針入度愈大表示瀝青愈軟，即稠度愈小；反之則表示瀝青愈硬，即稠度愈大。

8、 針入度儀我國現行試驗法（T 06041993）規定：常用的實驗條件為P25,100g,5s。此外，在計算針入度指數時，試驗溫度常常為5,15,25，35，但標準質量和貫入時間仍為100g和5s。值得注意的是，現在國際上對15針入度越來越重視，美國SHRP公司通過對瀝青混合料低溫開裂的評價研究提出，原樣瀝青（未老化的）、TFOT殘留瀝青（經短期老化），PAV殘留瀝青（經長期老化），其 15針入度與反映瀝青混合料低溫開裂性能的約束試件溫度應力試驗（TSRST）的破斷溫度之間有良好的相關關系。（王子軍，張書紅，李銳.AH-90 重交通道路瀝青的感溫性研究J.石油瀝青，2002,16(3):6-9

9、. ）4.2.2 4.2.2 軟化點軟化點把確定質量的鋼球置于填滿試樣的金屬環上，在規定的升溫條件下，鋼球進入試樣，從一定的高度下落，試樣，從一定的高度下落，當鋼球觸及底層金屬擋板時的溫度，視為軟化點，以攝氏溫度表示（），軟化點越高，表明瀝青的耐熱性越好，即溫度穩定性越好。它在一定程度上反映瀝青黏度和高溫穩定性及感溫性。 瀝青軟化點儀器瀝青的軟化點認為是瀝青在一定條件下的等粘溫度，常用于評價瀝青的高溫性能，軟化點高意味著瀝青的等粘溫度高混合料的高溫穩定性就好（張南鷺.60高粘度瀝青路用性能評價.石油瀝青. 1998,12(1).）。軟化點與脆點間的溫度之差常用作塑性溫度范圍來評價瀝青的使用性能

10、。 我國仍采用軟化點指標來表征改性瀝青的高溫性能。 4.2.3 4.2.3 延度延度延度試驗是將瀝青做成8字型標準試件，在25攝氏度下，要求通常采用溫度為25C、15C、10C、5C，以50mm每分鐘（當低溫采用1cm每分鐘）速度拉伸至斷裂時的長度（cm），即為延度。延度越大，表明瀝青的塑性越好。延度是評定瀝青塑性的重要指標。 延度儀 在傳統的瀝青評價方法中，其低溫性能是用脆點和延度進行表征的。瀝青的延度反映了當其受到外力的拉伸作用時，所能承受的塑性變形的總能力，通常延度是用作為條件延性指標來表征。（李秀君，景彥平，原健安，戴經梁.瀝青延度與流變特性關系研究分析(二).石油瀝青.2002,16

11、.）測力延度儀（FDT）可以準確地分別顯示試樣在拉伸過程中力、變形和做功的變化情況。瀝青在高溫下具有流動性，在外力的作用下，內部產生相對運動。另一方面，在運動的狀態下，還有一種抗拒內在的向前運動的特性，稱為粘性。粘性是流動性的反面。在我國，夏季瀝青路面的溫度可達5070，測定 60的粘度真實的反映路面的實際使用情況，粘度大的瀝青說明在載荷作用下產生較小的剪切變形，彈性恢復性能好，殘留的永久塑性變形小，這就是抗車轍能力的本質（劉忠信.道路瀝青標準若干指標的討論. 石油煉制與化工.1994,25.）。 4.2.4 4.2.4 粘度粘度第五節 瀝青混合料的流變性質及評價指標瀝青路面的低溫開裂問題是道

12、路工程中的一個難題，瀝青路面使用的瀝青混合料具有應力松弛能力，降溫時其面層由于收縮變形產生的溫度應力逐漸松弛，使得瀝青路面能夠在不設收縮縫的情況下正常工作而不至于發生開裂。但是如果降溫幅度過大，或者瀝青混合料的應力松弛能力不足，使得溫度應力超過材料的破壞強度，瀝青路面將發生設計時考慮不到的低溫開裂。51 概述 52 瀝青混合料的流變性質瀝青混合料是瀝青和石料的混合材料,被認為是一種典型的顆粒性材料，它的顆粒骨架空隙被具有粘彈性的瀝青漿體不完全填充，在通常的工作條件粘彈性的瀝青漿體不完全填充，在通常的工作條件下，這種混合料的流變特性也表現為粘彈性。 瀝青是一種均質性的粘彈性材料，而瀝青混合料是一

13、種顆粒性的粘彈性材料，這也就是它們在流變特性方面存在差異的原因所在，因此，二者的力學特性既存在一些相似性，又有許多差異性。 瀝青與瀝青混合料之間的結構相關特性 評價指標收縮蠕變模量蠕變柔量應力松弛模量應力松弛柔量5-3 瀝青混合料的流變性質評價指標 瀝青路面開裂的一個重要因素就是瀝青的收縮因其應力集中，當瀝青（瀝青混合料）的收縮變形大于瀝青（瀝青混合料）自身的松弛應變，或累積的溫度應力大于瀝青的粘接強度，瀝青路面就會開裂。因此，測定瀝青（瀝青混合料）的收縮系數，可用作為評價瀝青（瀝青混合料）的抗開裂能力。5.3.1 收縮 蠕變模量常作為瀝青路面結構力學計算參數，表征了在蠕變過程中材料單位應變所需的應力，對一個完善的彈性材料來說，它是蠕變柔量的倒數，此外還有拉伸柔量、剪切柔量等。5.3.2 蠕變模量 在黏彈性固體的應力松弛中，與單位應變相對應應力(時間函數)稱作松弛彈性模量。應力隨時間增加而減小。但不為0，由于施加于材料上的外力作用時間是一個變量，因此松