硬質(zhì)瀝青溫度敏感性與混合料高溫性能研究

黃婉利，何文華，呂衛(wèi)兵，楊 華

(1.中國(guó)石化煉油銷售有限公司，上海 200050，2.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司，武漢 430071;3.恩施土家族苗族自治州公路管理局，恩施 445000)

近些年來(lái)，為提高瀝青中、下面層的抗高溫車轍能力，國(guó)際上使用的瀝青在向低標(biāo)號(hào)發(fā)展。硬質(zhì)瀝青作為低標(biāo)號(hào)瀝青在法國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)家應(yīng)用較多[1]。對(duì)比國(guó)際上氣候條件相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)，我國(guó)使用的瀝青也在向低標(biāo)號(hào)發(fā)展，如我國(guó)現(xiàn)在主要使用70號(hào)瀝青，甚至在南方部分地區(qū)逐步使用50號(hào)硬質(zhì)瀝青，不再像20世紀(jì)使用90號(hào)甚至110號(hào)瀝青。這主要得益于硬質(zhì)瀝青的溫度敏感性小、高溫穩(wěn)定性優(yōu)[2]。

論文通過(guò)采用60 ℃粘度、針入度指數(shù)PI、車轍因子G*/sinδ評(píng)價(jià)70號(hào)瀝青、50號(hào)、30號(hào)硬質(zhì)瀝青的溫度敏感性，同時(shí)制備相應(yīng)的硬質(zhì)瀝青混合料，測(cè)試其高溫穩(wěn)定性，研究硬質(zhì)瀝青溫度敏感性指標(biāo)及其混合料的高溫穩(wěn)定性。

1 瀝青溫度敏感性指標(biāo)

1.1 60 ℃粘度

在我國(guó)，夏季瀝青路面溫度可達(dá)50～70 ℃，采用60 ℃粘度能反映路面在高溫下的實(shí)際使用情況。60 ℃粘度測(cè)試方法較多，該文采用布洛克菲爾德粘度計(jì)法[3]。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 硬質(zhì)瀝青60 ℃粘度

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出：60 ℃粘度的排序?yàn)椋?0號(hào)>50號(hào)瀝青>70號(hào)瀝青。粘度大的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生較小的剪切變形，彈性恢復(fù)性能好，殘留的塑性變形小，高溫性能好。

1.2 針入度指數(shù)

針入度指數(shù)是描述瀝青針入度隨溫度變化而變化快慢的指標(biāo)，采用三個(gè)不同溫度下(通常為15 ℃、25 ℃、30 ℃)的針入度的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，溫度為橫坐標(biāo)，線性回歸計(jì)算溫度-針入度對(duì)數(shù)的斜率，再計(jì)算針入度指數(shù)。斜率越小，由此計(jì)算出的針入度指數(shù)越大，說(shuō)明隨著溫度的變化，瀝青的針入度變化較慢，瀝青對(duì)溫度變化較不敏感。不同瀝青在各溫度下針入度及針入度指數(shù)PI值結(jié)果如表2所示。

表2 不同瀝青在各溫度下針入度及針入度指數(shù)PI值

從表2數(shù)據(jù)可知，30號(hào)瀝青相較于70號(hào)、50號(hào)瀝青對(duì)溫度變化不敏感，但是50號(hào)瀝青卻較70號(hào)瀝青對(duì)溫度的變化更敏感一些。

1.3 車轍因子

動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)[4]是在交變應(yīng)力(或應(yīng)變)下進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果為瀝青的動(dòng)態(tài)剪切模量G*和相位角δ。G*是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量，包括彈性部分和粘性部分；δ是可恢復(fù)和不可恢復(fù)變形數(shù)量的相對(duì)指標(biāo)。其中G*/sinδ表征瀝青材料抵抗永久變形的能力，稱為車轍因子，其值在高溫下越大則瀝青的流動(dòng)變形愈小，相應(yīng)混合料的抗車轍能力也愈佳。該文按照《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0628的方法[5]進(jìn)行瀝青流變性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，各瀝青試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 硬質(zhì)瀝青車轍因子G*/sin δ試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知，在相同溫度下，30號(hào)、50號(hào)原樣瀝青和老化后殘留瀝青的車轍因子G*/sinδ要高于70號(hào)瀝青，車轍因子G*/sinδ的排序?yàn)?0號(hào)瀝青>50號(hào)瀝青>70號(hào)瀝青。在SHRP瀝青分級(jí)的PG標(biāo)準(zhǔn)中，動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)老化前后的高溫性能。高溫特性根據(jù)G*/sinδ超過(guò)1.0 kPa(原樣瀝青)和2.2 kPa (經(jīng)老化后)的臨界溫度將瀝青分成不同的等級(jí)。臨界溫度越高，表明該種瀝青能夠抵抗高溫流動(dòng)變形的溫度越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，50號(hào)、30號(hào)硬質(zhì)瀝青均屬于PG70瀝青等級(jí)，其臨界溫度要高于70號(hào)瀝青，抗高溫變形能力明顯大于70號(hào)瀝青。

2 混合料高溫穩(wěn)定性

由于60 ℃粘度、針入度指數(shù)PI反映的是瀝青材料的溫度敏感性，車轍因子G*/sinδ在理論層面上表征瀝青材料抵抗車轍性能的能力，但這三個(gè)指標(biāo)均不能直接反映用該瀝青材料制備的混合料的高溫穩(wěn)定性，而動(dòng)穩(wěn)定度可以直接反映瀝青路面在高溫季節(jié)抵抗永久變形的指標(biāo)。因此，很有必要將60 ℃粘度、針入度指數(shù)PI、車轍因子G*/sinδ與相應(yīng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性聯(lián)系起來(lái)分析。

將70號(hào)、50號(hào)、30號(hào)硬質(zhì)瀝青用于瀝青路面下面層AC-25C，分別采用3.9%、3.9%、4.1%的油石比制備瀝青混合料，級(jí)配曲線見圖1，車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，上述瀝青的混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果均值大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對(duì)夏炎熱地區(qū)改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度AC-25C不小于1 000次/mm的技術(shù)要求。

從動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果可以看出，采用AC-25C的30號(hào)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度約為50號(hào)瀝青混合料的2倍，約為70號(hào)瀝青混合料的3倍。對(duì)相同級(jí)配的瀝青混合料，采用的瀝青標(biāo)號(hào)越低，動(dòng)穩(wěn)定度越高，表明硬質(zhì)瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，更適合于我國(guó)高溫炎熱的南方地區(qū)以及重載交通路段。

3 瀝青溫度敏感性和混合料高溫穩(wěn)定性相關(guān)性分析

將瀝青溫度敏感性和混合料高溫穩(wěn)定性指標(biāo)列于表5，并按大小排序。

表5 硬質(zhì)瀝青溫度敏感性和混合料高溫穩(wěn)定性指標(biāo)及大小排序

從表5可以看出，除針入度指數(shù)排序出現(xiàn)異常外，其他的瀝青溫度敏感性和混合料高溫穩(wěn)定性指標(biāo)排序基本一致，二者的相關(guān)性較好。對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度與上述各指標(biāo)進(jìn)行線性回歸，如圖2所示。

從圖2看出，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青溫度敏感性各指標(biāo)進(jìn)行回歸，動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青60 ℃粘度指數(shù)相關(guān)性最好，達(dá)到了0.975 0；其次，動(dòng)穩(wěn)定度與70 ℃原樣瀝青的車轍因子指數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.955 7，而動(dòng)穩(wěn)定度與針入度指數(shù)相關(guān)性為0.581 0，相關(guān)性最差。通過(guò)上述分析，60 ℃粘度與動(dòng)穩(wěn)定度之間的關(guān)系密切，表明60 ℃粘度越大的瀝青材料其高溫抗車轍性能就越好。

4 結(jié) 論

a.硬質(zhì)瀝青(50號(hào)和30號(hào)瀝青)相較于常用的70號(hào)瀝青溫度敏感性更小，其瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性更優(yōu)，更適合于我國(guó)高溫炎熱的南方地區(qū)。

b.60 ℃粘度、針入度指數(shù)PI、車轍因子都能表征硬質(zhì)瀝青的溫度敏感性，且三者的整體趨勢(shì)差別不大。

c.硬質(zhì)瀝青的60 ℃粘度與瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度相關(guān)性最大，可以用硬質(zhì)瀝青60 ℃粘度定性反映混合料抗高溫車轍能力。

[1] 樊 亮,樊秀芝,李永鎮(zhèn).硬質(zhì)瀝青的發(fā)展及性能比較[J].石油瀝青,2015,29(1):16-20.

[2] 陳曉瑛.石油瀝青材料的感溫性研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué),2006.

[3] 楊建新,梅李貴子,盧 健,等. 瀝青60 ℃動(dòng)力粘度的試驗(yàn)方法比較研究[J].石油瀝青,2010,24(1):15-20.

[4] 沈金安.瀝青材料的流變學(xué)(一)[J].石油瀝青,1988(4):27-38.

[5] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG 052—2011 公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2003.