路面用普通瀝青溫度敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇與分析

張宏宇

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司) 太原市 030032)

瀝青路面用瀝青隨溫度的變化其稠度、勁度、粘性均發(fā)生變化，最終表現(xiàn)為路面高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性能、抗疲勞性能的改變，合理選擇瀝青溫度敏感性指標(biāo)就顯得非常重要[1]。

研究人員對(duì)溫度敏感性提出了很多評(píng)價(jià)方法，如針入度指數(shù)[2]、針入度-粘度指數(shù)[3]、粘溫指數(shù)[4]、等級(jí)指數(shù)[5]，以上溫度敏感性指標(biāo)為窄域溫度條件下的針入度、軟化點(diǎn)外延性指標(biāo)。目前采用的針入度指數(shù)，溫度針入度關(guān)系簡(jiǎn)化為一條線性關(guān)系，而溫度繼續(xù)外延時(shí)，會(huì)引起溫度敏感性誤導(dǎo)。同時(shí)，三個(gè)溫度測(cè)試結(jié)果的精密度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響非常大，對(duì)針入度指數(shù)PI的結(jié)果也有很大的影響，最終表現(xiàn)為對(duì)瀝青的分級(jí)有較大影響。另外，回歸計(jì)算相關(guān)系數(shù)大于0.997時(shí)，不能成為檢測(cè)數(shù)據(jù)是否可信的依據(jù)，所以不能保障針入度指數(shù)的可信。對(duì)于改性瀝青，由于改性瀝青在細(xì)觀上表現(xiàn)為均質(zhì)體，但在微觀上表現(xiàn)為非均質(zhì)體共混結(jié)構(gòu)，用傳統(tǒng)的針入度指數(shù)不能很好地評(píng)價(jià)改性瀝青的寬域溫度范圍的溫度敏感性，部分研究人員采用稠度-溫度指數(shù)[6]及寬溫度范圍的粘溫指數(shù)[7]對(duì)瀝青的高低溫感溫性進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是這些指標(biāo)在30～60℃的溫度范圍內(nèi)不能有效地評(píng)價(jià)溫度敏感性。

普通瀝青在使用過程中，經(jīng)歷的溫度區(qū)間約為-30～160℃,而瀝青在不同狀態(tài)下表現(xiàn)為不同的流變性質(zhì)，所以應(yīng)在不同的溫度區(qū)間選擇瀝青溫度敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)，這樣才能合理地反映瀝青相應(yīng)階段的性能。因此，本文選用6種普通瀝青，對(duì)瀝青使用溫度范圍內(nèi)溫度敏感性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，提出合理的評(píng)價(jià)方法。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

選用殼牌70號(hào)A級(jí)普通瀝青、殼牌90號(hào)A級(jí)普通瀝青、中海361 70號(hào)A級(jí)普通瀝青、中海361 90號(hào)A級(jí)普通瀝青、克拉瑪依70號(hào)A級(jí)普通瀝青、克拉瑪依90號(hào)A級(jí)普通瀝青。以上瀝青的三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)低溫區(qū)域-30～0℃、中溫區(qū)0～70℃、高溫區(qū)70～160℃進(jìn)行不同瀝青的溫度敏感性分析，提出合理評(píng)價(jià)指標(biāo)。

低溫區(qū)-30～0℃，采用彎曲梁流變儀(BBR)測(cè)定6種瀝青的蠕變勁度模量S、蠕變應(yīng)變速率m值，試驗(yàn)溫度為-12～-27℃，間隔3℃。試驗(yàn)方法采用AASHTO T313試驗(yàn)。為了評(píng)價(jià)瀝青的原有流變性能，采用未短期、長(zhǎng)期老化的瀝青進(jìn)行試驗(yàn)。

中溫區(qū)0～70℃，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)定6種瀝青的G*(復(fù)數(shù)模量)、σ(相位角)，試驗(yàn)所選溫度7～64℃，間隔6℃，試驗(yàn)方法見 AASHTO T315。

高溫區(qū)70～160℃，采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定6種瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度，試驗(yàn)溫度為80～150℃，間隔10℃，試驗(yàn)方法ASTM D4402-2006。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 瀝青低溫敏感性

目前常規(guī)試驗(yàn)方法中，對(duì)瀝青低溫敏感性評(píng)價(jià)尚無明確的指標(biāo)，常采用針入度指數(shù)推斷瀝青的低溫敏感性，而針入度指數(shù)是在15～30℃的范圍內(nèi)測(cè)試計(jì)算所得，對(duì)低于其很多的低溫范圍溫度敏感性預(yù)測(cè)將會(huì)出現(xiàn)過大的誤差，對(duì)低溫范圍無法進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。SHRP中的低溫彎曲流變儀為我們提供了良好的解決方案，從瀝青路面開裂的作用機(jī)理來看，瀝青低溫抵抗變形能力的高低是影響路面低溫開裂的主要因素。隨瀝青溫度的逐步降低，瀝青的勁度模量逐漸增加，但其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)通過瀝青的粘彈特性得到釋放，釋放后應(yīng)力得到消解。瀝青在低溫情況下，是否會(huì)開裂與瀝青在低溫條件下勁度、應(yīng)力是否會(huì)釋放、應(yīng)力釋放速度有關(guān)，低的勁度模量和高的應(yīng)力釋放速度對(duì)抗低溫開裂是有利的[8-9]，本文與其觀點(diǎn)是一致的。采用彎曲梁流變儀測(cè)試瀝青的蠕變勁度模量S、蠕變應(yīng)變速率m，表征瀝青的感溫性能。對(duì)6種瀝青試驗(yàn)回歸蠕變勁度、蠕變速率與溫度的關(guān)系，回歸線性關(guān)系見式(1)、式(2)。

對(duì)6種瀝青的蠕變勁度模量S、蠕變應(yīng)變速率m值與溫度回歸分析表明，存在以下關(guān)系：

LgS=A·T+C

(1)

m=B·T+D

(2)

式(1)、式(2)中A和C分別為蠕變勁度模量與溫度的回歸系數(shù)，B和D分別為蠕變應(yīng)變速率與溫度的回歸系數(shù)。

A、B可用于表征該溫度區(qū)域的感溫性能，A值越大，蠕變勁度模量隨溫度變化就越大,該瀝青低溫敏感性越大；B值越大，該瀝青低溫敏感性越大。

表2 各瀝青的回歸系數(shù)A值、B值及相關(guān)系數(shù)

從表2可知，蠕變勁度模量S、蠕變應(yīng)變速率m值與溫度有非常高的相關(guān)性，但采用蠕變勁度模量S、蠕變應(yīng)變速率m值用于評(píng)價(jià)瀝青的感溫性能時(shí)，出現(xiàn)排序不一致的現(xiàn)象，但勁度模量系數(shù)A值的絕對(duì)值遠(yuǎn)大于m值系數(shù)B值，且A值相對(duì)B值區(qū)分度高、差別顯著，表明溫度對(duì)勁度模量的影響大于對(duì)m值的影響。所以，在-30℃～0℃低溫區(qū)域，選擇勁度模量系數(shù)A值表征瀝青的溫度敏感性較為合理，此時(shí)定義勁度模量系數(shù)A為評(píng)價(jià)瀝青低溫敏感性的低溫模量指數(shù)。

2.2 瀝青中溫敏感性

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)評(píng)價(jià)瀝青的中溫敏感性能，此設(shè)備采用交變應(yīng)力作用下動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)力，把瀝青性能中的粘性性能及彈性性能分解開來，同時(shí)采用扭動(dòng)頻率代替靜態(tài)蠕變等試驗(yàn)過程中的時(shí)間變量，使瀝青的高溫性能評(píng)價(jià)更為準(zhǔn)確。試驗(yàn)時(shí)，采用復(fù)數(shù)模量G*、相位角表征，存儲(chǔ)模量G′和損耗模量G″復(fù)合形成復(fù)數(shù)模量G*，其中存儲(chǔ)模量G′表征瀝青的彈性成分性能，損耗模量G″表征瀝青的粘性成分性能。

復(fù)數(shù)模量 G*、存儲(chǔ)模量G′、損耗模量G″以及車轍因子G*/sinσ均反映了瀝青材料隨溫度變化的敏感性能。對(duì)6種瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和回歸分析，其測(cè)試結(jié)果均較好地符合式(3)的關(guān)系。

lgX=E·T+F

(3)

式中: X表示G*、G′、G″、G*/sinσ中任意一個(gè)，T為溫度，E、F為回歸系數(shù)。

LgX與溫度T呈直線關(guān)系，其斜率反映了每個(gè)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，可用來表征瀝青在中溫區(qū)間的溫度敏感性，定義E值作為瀝青的中溫模量指數(shù)，E值越大，以上幾種模量隨溫度變化越大，表明該瀝青的感溫性能越大。以式(3)為回歸模型，對(duì)6種瀝青的復(fù)數(shù)模量G*、存儲(chǔ)模量G′、損耗模量G″以及車轍因子G*/sinσ進(jìn)行回歸，計(jì)算其中溫模量指數(shù)E，結(jié)果見表3及圖1。

表3 瀝青不同模量、車轍因子與溫度的斜率關(guān)系

圖1 不同瀝青模量、車轍因子與溫度的斜率關(guān)系

從表3可知，采用以上評(píng)價(jià)參數(shù)除“克拉瑪依90”和“中海70”兩個(gè)瀝青順序不一致外，其它瀝青順序均一致，表明采用復(fù)數(shù)模量、存儲(chǔ)模量、損耗模量、車轍因子用于瀝青溫度敏感性評(píng)價(jià)均較為可靠。同時(shí)從圖1可知，用于評(píng)價(jià)瀝青彈性性能的存儲(chǔ)模量溫感系數(shù)明顯高于其他溫感系數(shù)，且對(duì)溫度的變化存儲(chǔ)模量溫感系數(shù)變化更為明顯，區(qū)分度更高，表明存儲(chǔ)模量溫感系數(shù)相對(duì)其它溫感系數(shù)更敏感，可作為瀝青中溫性能評(píng)價(jià)的中溫模量指數(shù)。另外，每種瀝青中，存儲(chǔ)模量溫感系數(shù)最大，損耗模量溫感系數(shù)最小，表明溫度對(duì)瀝青的彈性部分影響最大，而對(duì)瀝青的粘性部分影響最小。

2.3 瀝青高溫敏感性

高溫階段70～160℃，此階段的溫度主要用于反映施工階段的瀝青粘度變化，但普通瀝青在160℃以上已為牛頓流體，所以本試驗(yàn)主要用于160℃以下試驗(yàn)。選擇布洛克菲爾德粘度計(jì)測(cè)試6種瀝青的高溫粘度,同時(shí)采用Walther與Saal粘溫曲線關(guān)系,回歸布氏粘度與開爾文溫度的關(guān)系，見式(4)，用粘溫曲線斜率n表征瀝青的高溫敏感性能。n值越大，瀝青的布氏粘度隨溫度的變化則越大。

lglg(η×103)=m-n×lgT

(4)

式(4)中:η為粘度(Pa·s), T為開爾文溫度。

圖2 不同瀝青粘溫曲線斜率柱狀圖

通過對(duì)測(cè)試粘度數(shù)據(jù)回歸，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，相關(guān)性均很高。從粘溫曲線斜率n可以看出，殼牌70號(hào)普通瀝青的感溫性最高，克拉瑪依90號(hào)普通瀝青感溫性最弱，且采用粘溫曲線斜率n可明顯地區(qū)分不同瀝青在高溫區(qū)的溫度敏感性，所以采用粘溫曲線斜率n可用于表征高溫區(qū)不同瀝青的高溫敏感性能。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同瀝青低溫區(qū)、中溫區(qū)、高溫區(qū)瀝青溫度敏感性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，分別提出了各個(gè)溫度區(qū)域敏感性強(qiáng)、區(qū)分度高的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)寬域溫度范圍內(nèi)評(píng)價(jià)瀝青的敏感性能，具有較高的使用價(jià)值。

(1)在-30～0℃低溫區(qū)，選擇低溫模量指數(shù)，即勁度模量與溫度回歸系數(shù)A值，表征瀝青的溫度敏感性較為合理。

(2)在0～70℃中溫區(qū)，復(fù)數(shù)模量、存儲(chǔ)模量、損失模量、車轍因子中，中溫模量指數(shù)E，即存儲(chǔ)模量對(duì)數(shù)值與溫度回歸系數(shù)E，用于表征瀝青的中溫溫度敏感性能更為顯著。所以，選擇中溫模量指數(shù)E作為瀝青中溫區(qū)溫度敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)較為合理。

(3)在70～160℃高溫區(qū)，粘溫曲線斜率n用于瀝青溫度敏感性評(píng)價(jià)時(shí)，區(qū)分度高。所以，粘溫曲線斜率n用于表征高溫區(qū)瀝青的高溫敏感性能較為合理。

(4)以上評(píng)價(jià)指標(biāo)的提出，為確定不同溫度區(qū)間溫度敏感性控制標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，也為延伸到改性瀝青、長(zhǎng)短期老化后瀝青的溫度敏感性控制提供了方向。