瀝青高溫性能指標(biāo)和混合料貫入強(qiáng)度相關(guān)性分析

劉黎萍， 張曉英

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

瀝青在瀝青混合料抵抗高溫變形中起重要作用。根據(jù)美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(strategic highway research program，簡稱為SHRP)，瀝青的性能提供了40%的抗車轍能力，因此，良好的瀝青高溫穩(wěn)定性是改善瀝青路面高溫穩(wěn)定性的關(guān)鍵。目前，評(píng)價(jià)瀝青的指標(biāo)很多，在中國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTGF40-2004)》[1]的瀝青技術(shù)要求中，表征瀝青高溫性能的指標(biāo)有實(shí)測軟化點(diǎn)TR&B和針入度指數(shù)PI等，中國“八五”研究中建議了當(dāng)量軟化點(diǎn)T800的使用[2]；中國的瀝青試驗(yàn)規(guī)范[3]也引入了美國高溫分級(jí)(peformance grade，簡稱為PG)指標(biāo)車轍因子G*/sinδ的試驗(yàn)方法。此外，還有美國提出的粘性蠕變勁度Gv[4]和不可恢復(fù)柔量Jnr[5]以及歐洲比較重視的零剪切粘度ZSV[6]等指標(biāo)。這些指標(biāo)的試驗(yàn)方法和指標(biāo)的含義各不相同，哪種指標(biāo)能直接反映瀝青的高溫路用性能，作為評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的高溫性能目前尚沒有統(tǒng)一的定論。

本研究選用6種不同標(biāo)號(hào)的瀝青，包括4種基質(zhì)瀝青和2種改性瀝青，采用不同的試驗(yàn)方法和指標(biāo)進(jìn)行瀝青高溫性能評(píng)價(jià)，研究各項(xiàng)高溫指標(biāo)與瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)獲得的貫入強(qiáng)度之間的關(guān)系。根據(jù)瀝青指標(biāo)與混合料性能的聯(lián)系密切程度，確定合適的瀝青高溫性能指標(biāo)。

1 不同方法瀝青高溫性能評(píng)價(jià)

1.1 瀝青材料

選用中石化基質(zhì)瀝青(30#,50#,70#和90#)、SBS改性瀝青及橡膠粉改性瀝青6種瀝青。各試驗(yàn)瀝青的基本性能見表1。

表1 試驗(yàn)瀝青的基本性能Table 1 Test results of the asphalts

1.2 瀝青高溫性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法與指標(biāo)

瀝青高溫指標(biāo)包括《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTGF40-2004)》[1]要求的實(shí)測軟化點(diǎn)TR&B和“八五”研究提出的當(dāng)量軟化點(diǎn)T800；PG的高溫性能分級(jí)指標(biāo)車轍因子G*/sinδ，并采用等抗車轍因子臨界溫度TG*/sin δ和改進(jìn)車轍因子G*/sin9δ等改進(jìn)指標(biāo)；美國的PG+規(guī)范中的新試驗(yàn)方法及相應(yīng)指標(biāo)，包括重復(fù)蠕變恢復(fù)(repeated creep recovery，簡稱為RCR)試驗(yàn)的粘性蠕變勁度Gv，多級(jí)應(yīng)力蠕變恢復(fù)(muti-stress creep and recovery,簡稱為MSCR)試驗(yàn)的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr和恢復(fù)率R，以及歐洲重視使用的零剪切粘度ZSV。

1) 軟化點(diǎn)TR&B和當(dāng)量軟化點(diǎn)T800。軟化點(diǎn)是普遍使用的瀝青高溫性能指標(biāo)之一，采用“環(huán)球法”測得，試驗(yàn)方法簡單，數(shù)值表達(dá)直觀。但中國的瀝青多屬于多蠟瀝青，往往會(huì)出現(xiàn)實(shí)測軟化點(diǎn)高于實(shí)際軟化點(diǎn)的假象。中國“八五”研究提出采用當(dāng)量軟化點(diǎn)代替實(shí)測軟化點(diǎn)，當(dāng)量軟化點(diǎn)T800是基于等粘溫度原則提出的，定義為針入度為800(0.1 mm)時(shí)的溫度，既能發(fā)揮軟化點(diǎn)表征高溫性能的功能，又能克服瀝青含蠟量的影響。

2) 基于動(dòng)態(tài)剪切流變(dynamic shear rheometer，簡稱為DSR)試驗(yàn)的指標(biāo)。PG以車轍因子G*/sinδ作為反映瀝青混合料高溫抗車轍性能的指標(biāo)[7]，DSR試驗(yàn)儀器的精度高、科學(xué)性強(qiáng)，其結(jié)果可信度高。但研究[8]表明：車轍因子G*/sinδ與瀝青路面抗車轍性能的關(guān)聯(lián)性小。PG釆用6 ℃為一個(gè)高溫等級(jí)量度，通常認(rèn)為等級(jí)高的瀝青高溫性能優(yōu)于等級(jí)低的，而同等級(jí)的不同瀝青比較時(shí)，則認(rèn)為車轍因子G*/sinδ大者性能更好，但考慮不同瀝青的感溫性不同，這種比較不能真正地區(qū)分瀝青性能的優(yōu)、劣。等抗車轍因子臨界溫度TG*/sin δ(即車轍因子G*/sinδ達(dá)到規(guī)范值時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，由G*/sinδ與溫度回歸曲線計(jì)算得出)可以解決不同瀝青高溫性能比較的問題。改進(jìn)車轍因子G*/sin9δ是Shenoy[9]等人針對(duì)車轍因子評(píng)價(jià)改性瀝青效果不佳的局限性，基于應(yīng)變響應(yīng)分析對(duì)車轍因子G*/sinδ提出的改進(jìn)指標(biāo)。該指標(biāo)考慮了瀝青的延遲彈性，以不可恢復(fù)變形表征瀝青的高溫性能。

3) 粘性蠕變勁度Gv。美國國家合作公路研究計(jì)劃(National Cooperative Highway Research Program，簡稱為NCHRP)中指出，采用RCR試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能[4]，使用粘性蠕變勁度Gv作為新的評(píng)價(jià)指標(biāo)。重復(fù)蠕變恢復(fù)過程以10 s為一個(gè)周期，包含1 s加載蠕變和9 s的卸載恢復(fù)。與DSR試驗(yàn)相比，RCR試驗(yàn)的加載模式更接近實(shí)際的交通荷載；該試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒄承院愣鲃?dòng)造成的實(shí)際永久變形的耗散能與延遲粘彈性應(yīng)變響應(yīng)的阻尼進(jìn)行分離，從而更好地反映改性瀝青的非線性粘彈性響應(yīng)[4]。本試驗(yàn)采用30 Pa的應(yīng)力水平，蠕變恢復(fù)循環(huán)100次，以第50,51次蠕變加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行Burgers模型擬合，計(jì)算粘性蠕變勁度。

4) 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr。美國聯(lián)邦公路局D’Angelo[5]等人在RCR試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了更簡單、快速的MSCR試驗(yàn)方法，并以不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr和蠕變恢復(fù)率R及相應(yīng)的應(yīng)力敏感性作為瀝青結(jié)合料高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究[9]表明：不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c美國聯(lián)邦公路管理局(Federal Highway Administration，簡稱為FHWA)的路面快速加載試驗(yàn)機(jī)(acceierated loading facility，簡稱為ALF)的車轍深度存在良好的相關(guān)性，其關(guān)聯(lián)性明顯高于車轍因子的。本試驗(yàn)采用0.1 kPa和3.2 kPa 2種應(yīng)力水平進(jìn)行連續(xù)測試，每個(gè)水平進(jìn)行10個(gè)周期的蠕變恢復(fù)，以3.2 kPa應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃孔鳛樵u(píng)價(jià)指標(biāo)。

5) 零剪切粘度ZSV。瀝青材料在大多路面溫度環(huán)境下屬于假塑性非牛頓流體，剪切速率接近于零時(shí)，流體變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其粘度趨近于最大值，即為零剪切粘度ZSV，它引起的不可恢復(fù)變形與車轍相關(guān)。歐洲及其他許多國家都非常重視這個(gè)指標(biāo)，并提出用零剪切粘度評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能[6]。本試驗(yàn)采用0.01～100 Hz的粘度頻率進(jìn)行掃描。采用Carreau模型，對(duì)不同剪切速率的粘度進(jìn)行非線性擬合，計(jì)算零剪切粘度。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

流變?cè)囼?yàn)采用TA的AR1500型號(hào)DSR流變儀進(jìn)行，試驗(yàn)在64 ℃的溫度中進(jìn)行，試驗(yàn)樣品為原樣和RTFOT短期老化后瀝青。6種瀝青的各項(xiàng)高溫指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2,3。

表2 原樣瀝青各高溫指標(biāo)測試結(jié)果Table 2 High-temperature performance tests results

表3 RTFOT后瀝青各高溫指標(biāo)測試結(jié)果Table 3 High-temperature performance tests results after RTFOT

從表2，3中可以看出，不同的瀝青高溫指標(biāo)對(duì)瀝青的評(píng)價(jià)結(jié)果存在矛盾，例如：原樣SBS瀝青的實(shí)測軟化點(diǎn)最高，但當(dāng)量軟化點(diǎn)低于30#基質(zhì)瀝青和橡膠粉改性瀝青的；原樣30#基質(zhì)瀝青的64 ℃的車轍因子高于橡膠粉改性瀝青的，但其臨界溫度低于橡膠粉改性瀝青的。表明：兩者具有不同的感溫性。此外，在RTFOT短期老化后，各瀝青不同指標(biāo)的排序也發(fā)生了一定的變化，如：原樣SBS瀝青的粘性蠕變勁度高于橡膠粉改性瀝青的；而RTFOT后，原樣SBS的粘性蠕變勁度卻低于橡膠粉改性瀝青的。因此，需要結(jié)合瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性做進(jìn)一步分析，以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo)。

2 瀝青混合料高溫單軸貫入強(qiáng)度評(píng)價(jià)

2.1 材料與方法

瀝青混合料的集料均采用石灰?guī)r，填料采用石灰?guī)r礦粉。級(jí)配選擇密級(jí)配瀝青混合料AC-20。采用增大壓實(shí)功、降低空隙率的設(shè)計(jì)原則，以空隙率3%對(duì)應(yīng)的油量為最佳油量，得到不同瀝青在不同壓實(shí)功下的最佳油石比，最終得到旋轉(zhuǎn)次數(shù)為100次的試件相關(guān)體積參數(shù)，見表4。

表4 混合料體積參數(shù)Table 4 Volumeteric parameter of asphalt mixtures

瀝青高溫性能的優(yōu)、劣是通過混合料路用性能來體現(xiàn)的，因此，瀝青高溫性能指標(biāo)的有效性有必要依據(jù)混合料高溫抗車轍性能評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)，不同指標(biāo)與混合料性能的相關(guān)性能反映該指標(biāo)對(duì)混合料性能的關(guān)聯(lián)程度。目前，檢驗(yàn)混合料高溫抗車轍性能的方法有動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)及單軸貫入試驗(yàn)等。車轍變形主要是路面剪切變形的結(jié)果，車轍的大小與路面材料的抗剪強(qiáng)度和路面結(jié)構(gòu)承受的剪應(yīng)力有關(guān)。孫立軍[10]等人提出使用單軸貫入試驗(yàn)測試混合料的抗剪強(qiáng)度，可以有效地評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗剪性能，作為瀝青混合料車轍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。單軸貫入試驗(yàn)具有操作簡單、數(shù)據(jù)離散性小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到道路工作者的歡迎，并納入中國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50-2017)》[11]。本試驗(yàn)采用單軸貫入試驗(yàn)進(jìn)行混合料車轍性能評(píng)價(jià)，比較其與瀝青混合料抗剪強(qiáng)度相關(guān)性的大小，評(píng)價(jià)瀝青高溫指標(biāo)的優(yōu)、劣。試驗(yàn)程序遵循《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50-2017)》[11]。

試驗(yàn)試件采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀進(jìn)行試件成型，試件直徑為150 mm。將試件置于環(huán)境箱中，在(64±0.5) ℃下保溫5 h。試驗(yàn)加載設(shè)備采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測得的各種瀝青對(duì)應(yīng)的混合料貫入強(qiáng)度見表5。其中，2種改性瀝青和30#基質(zhì)瀝青的混合料貫入強(qiáng)度比較高，而90#基質(zhì)瀝青的混合料貫入強(qiáng)度最低。

表5 瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度Table 5 Shear resistance of asphalt mixtures

3 相關(guān)性分析

軟化點(diǎn)、車轍因子、改進(jìn)車轍因子、粘性蠕變勁度、不可恢復(fù)柔量及零剪切粘度都可以用于評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，對(duì)短期老化前、后的各項(xiàng)指標(biāo)與混合料貫入強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)性分析，其結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，在短期老化前、后，不可恢復(fù)柔量與混合料貫入強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)在所有指標(biāo)中均為最高，等抗車轍因子臨界溫度次之；而在短期老化前、后，其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的大小排序發(fā)生了一定的變化。MSCR試驗(yàn)本身加載模式與實(shí)際交通荷載接近，可以將延遲彈性變形從永久變形中分離，更有效地反映改性瀝青的彈性特點(diǎn)。不可恢復(fù)柔量指標(biāo)表現(xiàn)出與貫入強(qiáng)度具有良好的相關(guān)性，而軋制薄膜烘箱試驗(yàn)(rolling thin film oven test，簡稱為RTFOT)后不可恢復(fù)柔量的相關(guān)系數(shù)比原樣的要高，因此，使用RTFOT后，不可恢復(fù)柔量可以作為評(píng)價(jià)瀝青高溫性能指標(biāo)。

不可恢復(fù)柔量和粘性蠕變勁度的倒數(shù)本質(zhì)上屬于同一個(gè)參數(shù)，即材料蠕變?nèi)崃恐械恼承?不可恢復(fù))部分，二者的區(qū)別只在于試驗(yàn)的應(yīng)力水平與程序和計(jì)算方法。粘性蠕變勁度與貫入強(qiáng)度的相關(guān)性略低于不可恢復(fù)柔量的，且RCR試驗(yàn)耗時(shí)長，指標(biāo)擬合計(jì)算復(fù)雜。相比之下，MSCR試驗(yàn)方法更為簡便合理。

原樣瀝青的車轍因子與貫入強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)最低，之后是其實(shí)測軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)和零剪切粘度與貫入強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低；RTFOT瀝青的零剪切粘度與貫入強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)最低，之后是其當(dāng)量軟化點(diǎn)、車轍因子和實(shí)測軟化點(diǎn)與貫入強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低。

DSR試驗(yàn)本身的荷載模式與實(shí)際瀝青路面所受的荷載作用模式的差異較大，不能真實(shí)反映瀝青的應(yīng)變響應(yīng)；DSR試驗(yàn)基于瀝青的線粘彈性，但改性瀝青往往在較低溫度時(shí)不符合，因此，車轍因子不能表征延遲的彈性變形和瀝青的恢復(fù)能力，有效表征改性瀝青的粘彈流變特性[4]。而改進(jìn)車轍因子與貫入強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)比車轍因子與貫入強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)高。表明：該改進(jìn)提高了與路用性能的關(guān)聯(lián)性。

圖1 各瀝青高溫指標(biāo)與混合料貫入強(qiáng)度線性回歸分析Fig. 1 The correlation between high-temperature indicators and shear resistance

實(shí)測軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)均為經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)，力學(xué)概念不明確，表征的路用性能復(fù)雜，但是在瀝青使用過程中的抗車轍路用性能要求缺乏相關(guān)性。零剪切粘度是通過流變模型擬合得到的，不同方法得到的數(shù)值會(huì)有明顯的差異。因此，這些指標(biāo)不能非常準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)瀝青的高溫穩(wěn)定性。MSCR試驗(yàn)方法簡便，荷載模式與實(shí)際接近，測得RTFOT后的不可恢復(fù)柔量與混合料貫入強(qiáng)度的相關(guān)性最高。建議將MSCR試驗(yàn)方法作為評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的試驗(yàn)方法，將不可恢復(fù)柔量作為評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo)。

4 結(jié)論

1) MSCR試驗(yàn)得到的短期老化前、后64 ℃的不可恢復(fù)柔量與混合料貫入強(qiáng)度的相關(guān)性普遍高于其他指標(biāo)，RTFOT后不可恢復(fù)柔量的相關(guān)系數(shù)最高，且該試驗(yàn)方法的加載模式與實(shí)際路面交通荷載接近，可以實(shí)現(xiàn)粘彈分離，因此，RTFOT后不可恢復(fù)柔量可以作為推薦使用的瀝青高溫性能指標(biāo)，有效評(píng)價(jià)瀝青與路用性能相關(guān)的高溫性能。

2) 改進(jìn)車轍因子與貫入強(qiáng)度的相關(guān)性比車轍因子的高，表明：該改進(jìn)車轍因子提高了與路用性能的聯(lián)系。實(shí)測軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、車轍因子及零剪切粘度等指標(biāo)與貫入強(qiáng)度相關(guān)性相對(duì)較差，結(jié)合其自身的一定局限性，若將它們作為瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，會(huì)遜于不可恢復(fù)柔量。

3) 由于試驗(yàn)條件所限，本研究選用的瀝青種類有限，且只采用一種混合料級(jí)配類型，該試驗(yàn)結(jié)果有待使用更多瀝青及混合料級(jí)配種類做進(jìn)一步驗(yàn)證。