瀝青材料流變學(xué)

淺敘瀝青材料流變學(xué)徐闖目前一頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本內(nèi)容要點(diǎn)第一節(jié)引言第二節(jié)國(guó)內(nèi)外瀝青流變特性研究狀況第三節(jié)流變學(xué)性質(zhì)的基本概念第四節(jié)瀝青的流變性質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)第五節(jié)瀝青混合料的流變性質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)第六節(jié)結(jié)語目前二頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本第一節(jié)引言隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)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(dǎo)致瀝青路面的車轍、開裂、剝落等病害日益嚴(yán)重。如何提高瀝青路面的使用性能,以滿足交通發(fā)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(xiàn)象瀝青路面開裂現(xiàn)象目前三頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本瀝青是一種具有彈性、粘性和塑性的流變性材料，在高溫時(shí)軟化呈流體，低溫硬化變脆呈固體。而路面尤其是高等級(jí)路面要求所采用的瀝青在高溫時(shí)不易軟化產(chǎn)生車轍，在低溫時(shí)不易硬化導(dǎo)致開裂。然而單一的石油瀝青受其生產(chǎn)工藝與母體原油性質(zhì)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(fù)載作用時(shí)間的影響的,并不是不變的常數(shù)。因此，路面設(shè)計(jì)、路面內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分析、理論計(jì)算等仍停留在理論上,如若付諸于實(shí)際應(yīng)用,還必須從研究瀝青材料的性質(zhì)入手。瀝青材料流變學(xué)乃是研究瀝青材料性質(zhì)科學(xué)的方法。

目前四頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本第二節(jié)國(guó)內(nèi)外瀝青流變特性研究狀況從國(guó)內(nèi)外研究情況來看，以流變學(xué)理論為基礎(chǔ)，開展對(duì)瀝青及瀝青混合料流變特性的研究，是材料科學(xué)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。從法國(guó)、瑞士、荷蘭等國(guó)的情況來看，大約70%～80%的研究工作是以流變學(xué)為基本理論，從理論上探討其力學(xué)特性與試驗(yàn)性能。SHRP研究結(jié)果認(rèn)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(shí)間條件下復(fù)合模量和相位角隨頻率的變化表示。我國(guó)在這方面起步較晚，且研究工作沒有連續(xù)性，缺乏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累。瀝青材料主要為石油瀝青，在公路建設(shè)中有著重要的應(yīng)用，但它的流變性能及流變模型，在世界范圍內(nèi)的認(rèn)識(shí)不盡詳細(xì)。目前五頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本至目前為止，國(guó)內(nèi)外研究流變學(xué)的途徑一般有兩種：一種是用流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)方式建立起一些方程式（如運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程等）來描述體系的流變性，而不去追究其內(nèi)在原因；一種是將觀察到的體系的力學(xué)行為與物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，并建立相應(yīng)的關(guān)系式或指標(biāo)說明這一關(guān)系。一般情況下，研究瀝青都采用第二種途徑。而瀝青的流變性主要是瀝青的流動(dòng)性和粘彈性。目前六頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本第三節(jié)流變學(xué)性質(zhì)的基本概念3-1流變性質(zhì)與流變學(xué)概念3.1.1材料的流變性質(zhì)在夏季高溫季節(jié)。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(dòng)并可能形成泛油，造成道路的破壞。然而我們掌握了評(píng)價(jià)瀝青及瀝青混合料流變性質(zhì)的指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行分析，將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，能夠讓瀝青路面更少的損壞，有著實(shí)際的意義。目前七頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本流變學(xué)是研究物質(zhì)流動(dòng)和變形的科學(xué)，它主要研究材料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度、輻射等條件下與時(shí)間因素有關(guān)的變形和流動(dòng)的規(guī)律。它包括材料的塑性、彈性、粘性、形變等內(nèi)容，并將應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間、溫度、分子結(jié)構(gòu)、界面性質(zhì)等因素對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)的影響作為研究對(duì)象。3.1.2什么是流變性質(zhì)？瀝青混合料彎曲蠕變?cè)囼?yàn)?zāi)壳鞍隧揬總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本第四節(jié)瀝青的流變性質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)4-1瀝青的流變性質(zhì)4.1.1瀝青材料的流動(dòng)性在高于瀝青軟化點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)，瀝青材料主要表現(xiàn)粘性流動(dòng)特性。粘度的大小表征了材料在外力作用下抵抗流動(dòng)變形的能力，粘度越大，材料在相同外力作用下產(chǎn)生的流動(dòng)變形越小。對(duì)石油瀝青，即使高于軟化點(diǎn)溫度（已經(jīng)成為流體），但并不服從牛頓定律（即剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的簡(jiǎn)單線性比例關(guān)系），而屬于非牛頓流體。對(duì)這些瀝青材料，要測(cè)定粘性系數(shù)將是困難的，因?yàn)榧羟兴俾实淖兓瘜y(cè)得不同的數(shù)值。因此，使用上都是固定某一個(gè)條件測(cè)定其條件粘度。將剪應(yīng)力與剪邊率之比稱為視粘度，或叫表觀粘度。

目前九頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本4.1.2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(gè)始終不變的特征就是它的力學(xué)特性隨載荷施加的時(shí)間和溫度而變化。瀝青材料具有松弛能力，降溫時(shí)瀝青面層由于收縮變形產(chǎn)生的溫度應(yīng)力逐漸松弛，使得瀝青路面能夠不產(chǎn)生收縮裂縫。但是降溫幅度過大，或者瀝青材料的應(yīng)力松弛能力不足時(shí)，溫度應(yīng)力超過材料的破壞強(qiáng)度，瀝青材料將會(huì)發(fā)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(chǎn)生的車轍病害不僅來源于瀝青的粘性流動(dòng)變形，也與未能恢復(fù)的蠕變變形累計(jì)有關(guān)。蠕變速率能真實(shí)地反映瀝青及其混合料的流變特性和高溫性能。目前十頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本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(yīng)力松弛性能。同樣，蠕變和應(yīng)力松弛也是瀝青材料粘彈性力學(xué)領(lǐng)域中研究的基本力學(xué)現(xiàn)象。蠕變：恒定溫度下，固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象（蠕變曲線如圖1）。應(yīng)力松弛：在恒定的應(yīng)變條件下，應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小（松弛曲線如圖2）。圖1

圖2目前十一頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本4-2瀝青的流變性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)目前十二頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本4.2.1針入度針入度實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定的溫度和時(shí)間內(nèi)，在一定溫度和時(shí)間內(nèi)，附加一定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)針垂直灌入試樣的深度，以0.1mm表示，針入度用來評(píng)價(jià)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(duì)黏度的指標(biāo)。針入度愈大表示瀝青愈軟，即稠度愈??；反之則表示瀝青愈硬，即稠度愈大。針入度儀目前十三頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本我國(guó)現(xiàn)行試驗(yàn)法（T0604—1993）規(guī)定：常用的實(shí)驗(yàn)條件為P25℃,100g,5s。此外，在計(jì)算針入度指數(shù)時(shí)，試驗(yàn)溫度常常為5℃,15℃,25℃，35℃，但標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和貫入時(shí)間仍為100g和5s。值得注意的是，現(xiàn)在國(guó)際上對(duì)15℃針入度越來越重視，美國(guó)SHRP公司通過對(duì)瀝青混合料低溫開裂的評(píng)價(jià)研究提出，原樣瀝青（未老化的）、TFOT殘留瀝青（經(jīng)短期老化），PAV殘留瀝青（經(jīng)長(zhǎng)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(yīng)力試驗(yàn)（TSRST）的破斷溫度之間有良好的相關(guān)關(guān)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.）目前十四頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本4.2.2軟化點(diǎn)把確定質(zhì)量的鋼球置于填滿試樣的金屬環(huán)上，在規(guī)定的升溫條件下，鋼球進(jìn)入試樣，從一定的高度下落，試樣，從一定的高度下落，當(dāng)鋼球觸及底層金屬擋板時(shí)的溫度，視為軟化點(diǎn)，以攝氏溫度表示（℃），軟化點(diǎn)越高，表明瀝青的耐熱性越好，即溫度穩(wěn)定性越好。它在一定程度上反映瀝青黏度和高溫穩(wěn)定性及感溫性。瀝青軟化點(diǎn)儀器目前十五頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本瀝青的軟化點(diǎn)認(rèn)為是瀝青在一定條件下的等粘溫度，常用于評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，軟化點(diǎn)高意味著瀝青的等粘溫度高混合料的高溫穩(wěn)定性就好（張南鷺.60℃高粘度瀝青路用性能評(píng)價(jià).石油瀝青.1998,12(1).）。軟化點(diǎn)與脆點(diǎn)間的溫度之差常用作塑性溫度范圍來評(píng)價(jià)瀝青的使用性能。我國(guó)仍采用軟化點(diǎn)指標(biāo)來表征改性瀝青的高溫性能。

目前十六頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本

4.2.3延度延度試驗(yàn)是將瀝青做成8字型標(biāo)準(zhǔn)試件，在25攝氏度下，要求通常采用溫度為25°C、15°C、10°C、5°C，以50mm每分鐘（當(dāng)?shù)蜏夭捎?cm每分鐘）速度拉伸至斷裂時(shí)的長(zhǎng)度（cm），即為延度。延度越大，表明瀝青的塑性越好。延度是評(píng)定瀝青塑性的重要指標(biāo)。

延度儀目前十七頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本

在傳統(tǒng)的瀝青評(píng)價(jià)方法中，其低溫性能是用脆點(diǎn)和延度進(jìn)行表征的。瀝青的延度反映了當(dāng)其受到外力的拉伸作用時(shí)，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(biāo)來表征。（李秀君，景彥平，原健安，戴經(jīng)梁.瀝青延度與流變特性關(guān)系研究分析(二).石油瀝青.2002,16.）測(cè)力延度儀（FDT）可以準(zhǔn)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。目前十八頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本瀝青在高溫下具有流動(dòng)性，在外力的作用下，內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。另一方面，在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，還有一種抗拒內(nèi)在的向前運(yùn)動(dòng)的特性，稱為粘性。粘性是流動(dòng)性的反面。在我國(guó)，夏季瀝青路面的溫度可達(dá)50～70℃，測(cè)定60℃的粘度真實(shí)的反映路面的實(shí)際使用情況，粘度大的瀝青說明在載荷作用下產(chǎn)生較小的剪切變形，彈性恢復(fù)性能好，殘留的永久塑性變形小，這就是抗車轍能力的本質(zhì)（劉忠信.道路瀝青標(biāo)準(zhǔn)若干指標(biāo)的討論.石油煉制與化工.1994,25.）。

4.2.4粘度目前十九頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本第五節(jié)瀝青混合料的流變性質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)瀝青路面的低溫開裂問題是道路工程中的一個(gè)難題，瀝青路面使用的瀝青混合料具有應(yīng)力松弛能力，降溫時(shí)其面層由于收縮變形產(chǎn)生的溫度應(yīng)力逐漸松弛，使得瀝青路面能夠在不設(shè)收縮縫的情況下正常工作而不至于發(fā)生開裂。但是如果降溫幅度過大，或者瀝青混合料的應(yīng)力松弛能力不足，使得溫度應(yīng)力超過材料的破壞強(qiáng)度，瀝青路面將發(fā)生設(shè)計(jì)時(shí)考慮不到的低溫開裂。5—1概述目前二十頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本

5—2瀝青混合料的流變性質(zhì)瀝青混合料是瀝青和石料的混合材料,被認(rèn)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(xiàn)為粘彈性。目前二十一頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本

瀝青是一種均質(zhì)性的粘彈性材料，而瀝青混合料是一種顆粒性的粘彈性材料，這也就是它們?cè)诹髯兲匦苑矫娲嬖诓町惖脑蛩?，因此，二者的力學(xué)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(jié)構(gòu)相關(guān)特性目前二十二頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本

5-3瀝青混合料的流變性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)目前二十三頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本

瀝青路面開裂的一個(gè)重要因素就是瀝青的收縮因其應(yīng)力集中，當(dāng)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(yīng)變，或累積的溫度應(yīng)力大于瀝青的粘接強(qiáng)度，瀝青路面就會(huì)開裂。因此，測(cè)定瀝青（瀝青混合料）的收縮系數(shù)，可用作為評(píng)價(jià)瀝青（瀝青混合料）的抗開裂能力。5.3.1收縮目前二十四頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本

蠕變模量常作為瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算參數(shù)，表征了在蠕變過程中材料單位應(yīng)變所需的應(yīng)力，對(duì)一個(gè)完善的彈性材料來說，它是蠕變?nèi)崃康牡箶?shù)，此外還有拉伸柔量、剪切柔量等。5.3.2蠕變模量

目前二十五頁\總數(shù)二十八頁\編于十五點(diǎn)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本

在黏彈性固體的應(yīng)力松弛中，與單位應(yīng)變相對(duì)應(yīng)應(yīng)力(時(shí)間函數(shù))稱作松弛彈性模量。應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小。但不為0，由于施加于材料上的外力作用時(shí)間是一個(gè)變量，因此松弛彈性模量是時(shí)間的函數(shù)。5.3.4