SBS改性瀝青低溫評價指標(biāo)及與混合料關(guān)聯(lián)性分析

李卓琳，付興勝，任俊達(dá)，張茁峰

(1.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015； 2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室 沈陽市 110015)

※基金項目：遼寧省交通科技項目(201708)

改性瀝青是一個復(fù)雜的體系，基質(zhì)瀝青性能、改性劑類型、改性劑摻量以及改性工藝等的綜合作用決定了改性瀝青的低溫性能[1]。為了分析SBS改性瀝青的影響因素，首先必須確定能夠客觀反映改性瀝青低溫性能、并可以充分體現(xiàn)各種因素影響力大小的低溫指標(biāo)。與此同時，瀝青是一種典型的流變材料，具有流動性的本質(zhì)，要想真實地描述改性瀝青的低溫性能，必須從其流變性入手[2]。低溫流變性主要研究瀝青在低溫條件下的流動變形的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。同時，一些室內(nèi)試驗和工程實體均表明瀝青低溫流變性在很大程度上反映了瀝青混合料或瀝青路面的低溫抗裂性，進(jìn)一步說明了以流變學(xué)方法分析瀝青低溫性能的合理性[3]。因此，本研究采用流變學(xué)的方法來描述改性瀝青的低溫性能，并對瀝青低溫評價指標(biāo)與瀝青混合料低溫性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。

1 材料選擇

為了使研究對象具有代表性，選擇三種具有不同PG分級和較好穩(wěn)定性的SBS改性瀝青，分別標(biāo)記為1#、2 # 和3#，其基本性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青常規(guī)試驗結(jié)果

2 SBS改性瀝青低溫流變性能試驗

以試驗的方法考察其滯后角δ、動粘度η′ 、復(fù)數(shù)模量G*及損失模量G″ 和動粘彈指標(biāo)Dvi隨溫度的變化情況，進(jìn)行分析、比較，從中選出最佳的低溫評價指標(biāo)。所選頻率為f=0.1Hz，溫度條件為-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、20℃、30℃，加載模式為單應(yīng)力式加載，為保證試驗在各個溫度下處于線粘彈性區(qū)域[4-5]，所選用的各個溫度下的應(yīng)力如表2所示。

表2 不同溫度下的應(yīng)力水平

經(jīng)過測試，不同溫度條件下的各參量隨溫度變化數(shù)據(jù)如表3、表4所示，各參量隨溫度的變化曲線如圖1～圖5所示。

由表3、表4及圖1～圖5可以看出，隨著溫度的降低，三種SBS改性瀝青的相位角也隨著降低。溫度在-10～10℃范圍時相位角降低很快，而當(dāng)溫度在10～30℃范圍內(nèi)時，變化緩慢。1#和2#改性瀝青的曲線在低溫區(qū)域比較接近。

表3 隨溫度變化的相位角、動粘度、復(fù)數(shù)模量

表4 隨溫度變化的損失模量、動粘彈指標(biāo)

圖1 相位角δ隨溫度變化曲線

圖2 動粘度logη′隨溫度變化曲線

圖3 復(fù)數(shù)模量logG*隨溫度變化曲線

圖4 損失模量logG″隨溫度變化曲線

圖5 動粘彈指標(biāo)logDvi隨溫度變化曲線

動粘度、復(fù)數(shù)模量、動粘彈指標(biāo)Dvi隨溫度變化的趨勢基本一致，都是隨著溫度的降低而增大，在0～-10℃時基本上變化很小，三種改性瀝青在此范圍內(nèi)的區(qū)別很小，而0～20℃范圍內(nèi)1#與2#接近，兩者的低溫流變性能接近，20℃以后2#向3#靠攏，說明兩者的高溫性能接近。

損失模量的變化規(guī)律與上述幾種參數(shù)有所不同，在0～5℃范圍內(nèi)，三種改性瀝青都達(dá)到了各自的最大值，在此溫度以下0～-10℃范圍內(nèi)，1#的損失模量最大，2#與1#接近，都大于3#改性瀝青；在此溫度以上5～30℃范圍內(nèi)則恰恰相反。當(dāng)溫度為30℃時，對于各種指標(biāo)，2#都與3#接近，遠(yuǎn)離了1#，這說明2#與3#在高溫區(qū)的性能相近。

從上述分析可以看出，各種流變學(xué)指標(biāo)的溫度變化曲線大致相同，均能反映改性瀝青性能隨溫度的變化趨勢。在低溫范圍內(nèi)，不同改性瀝青的相位角與損失模量的差別較明顯，能較好地區(qū)分其低溫性能。

3 瀝青混合料低溫彎曲試驗

相關(guān)研究表明，瀝青的低溫性能對混合料低溫性能的貢獻(xiàn)率為80%左右，同時，瀝青混合料的低溫性能也反映了瀝青的低溫性能[6-8]。因此，本研究考察了改性瀝青低溫流變指標(biāo)與混合料低溫性能的對應(yīng)關(guān)系，以數(shù)學(xué)方法分析各個指標(biāo)與混合料低溫性能的關(guān)聯(lián)度。

研究采用具有遼寧地區(qū)特色的SMA-13L瀝青混合料，礦料級配組成如表5所示，為便于比較不同改性瀝青在混合料低溫性能中的作用，三種混合料試件均采用相同級配和相同用油量。經(jīng)馬歇爾試驗得到最佳油石比為7.0%。選取-10℃的小梁彎曲破壞應(yīng)變作為參考數(shù)列，低溫彎曲試驗的結(jié)果如表6和圖6所示。

表5 礦料級配表

圖6 三種瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變

由上述試驗可以看出，不同改性瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變存在著明顯的差別。三種瀝青混合料的低溫性能排序為1#>2#>3#，與瀝青結(jié)合料的PG分級結(jié)果一致，即：低溫彎曲破壞應(yīng)變能夠很好地表征混合料的低溫性能，因此可以采用小梁低溫彎曲破壞應(yīng)變作為混合料低溫性能的評價指標(biāo)，并具有較好的代表性。

4 流變學(xué)指標(biāo)與混合料低溫性能的關(guān)聯(lián)性分析

為進(jìn)一步評價瀝青流變學(xué)指標(biāo)與瀝青混合料低溫性能的相關(guān)性，采用了灰關(guān)聯(lián)理論，分析在-10℃下SBS改性瀝青不同評價指標(biāo)與小梁彎曲破壞應(yīng)變關(guān)聯(lián)的程度。

灰關(guān)聯(lián)因子空間是灰關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)?；谊P(guān)聯(lián)因子空間是由具備“可比性”、“可接近性”、“極性一致性”的序列構(gòu)成的[9]。以瀝青混合料小梁低溫彎曲破壞應(yīng)變作為系統(tǒng)行為的主數(shù)列，{x0(k)|k=1,2,3}，實測的瀝青相位角為因子序列x1(k)，以動粘度為因子序列x2(k)，以復(fù)數(shù)模量為因子序列x3(k)，以損失模量為因子序列x4(k)，以動粘彈指標(biāo)為因子序列x5(k)，以5℃延度為因子序列x6(k)。對上述指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表7～表10所示。

表8 原始數(shù)據(jù)初值處理

表9 原始數(shù)據(jù)差序列表

表10 關(guān)聯(lián)系數(shù)表

求兩極差：

取關(guān)聯(lián)度中的分辨系數(shù)ξ=0.5，將兩級最大差和最小差之值代入，得出各個因子數(shù)列與行為主數(shù)列的關(guān)于每個數(shù)據(jù)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)：

i=1,2, …6

根據(jù)表10各個因子的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，由關(guān)聯(lián)度計算式得出各因子序列與主數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度分別為：

可知，關(guān)聯(lián)度的排序如下：

γ02>γ03>γ05>γ04>γ01>γ06

由上述灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可知，流變學(xué)的低溫評價指標(biāo)與瀝青混合料低溫評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性均較好，關(guān)聯(lián)度水平較高。其中，-10℃的動粘度和復(fù)數(shù)模量與彎曲破壞應(yīng)變的關(guān)聯(lián)度明顯大于其它流變指標(biāo)和常規(guī)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。動粘度能夠反映瀝青的粘彈比例，體現(xiàn)了瀝青的流動性，低溫下的動粘度越小，瀝青的低溫流變性能越好；復(fù)數(shù)模量體現(xiàn)了瀝青用于流動的能量，低溫時，復(fù)數(shù)模量越小，則低溫流變性能越好。

以上試驗研究及分析表明，流變學(xué)指標(biāo)動粘度和復(fù)數(shù)模量能夠較好地區(qū)分不同改性瀝青的低溫性能，并與混合料的低溫性能之間存在很好的相關(guān)性，而常規(guī)測試指標(biāo)5℃延度與混合料低溫性能相關(guān)性較弱。因此，確定采用動粘度和復(fù)數(shù)模量兩個指標(biāo)衡量對瀝青混合料低溫性能的改善效果具有較好的代表性。

5 結(jié)論

(1)采用流變學(xué)指標(biāo)能較好地評價SBS改性瀝青的低溫性能，不同改性瀝青的相位角與損失模量的差別較明顯，能較好地區(qū)分其低溫性能。

(2)不同改性瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變存在著明顯的差別。與瀝青結(jié)合料的PG分級結(jié)果一致，即：低溫彎曲破壞應(yīng)變能夠很好地表征混合料的低溫性能，因此可以采用小梁低溫彎曲破壞應(yīng)變作為混合料低溫性能的評價指標(biāo)，并具有較好的代表性。

(3)流變學(xué)的低溫評價指標(biāo)與瀝青混合料低溫評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性均較好，關(guān)聯(lián)度水平較高。動粘度和復(fù)數(shù)模量與彎曲破壞應(yīng)變的關(guān)聯(lián)度明顯大于其它流變指標(biāo)和常規(guī)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。