公路面層瀝青材料在低溫條件下的性能分析與評價

吳凱

（贛州市公路發(fā)展中心瑞金分中心，江西 贛州 342500）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國內(nèi)建設(shè)需求急劇上升。面對國際化的建設(shè)目標(biāo)，國內(nèi)公路建設(shè)面臨許多問題，例如天氣、溫度、環(huán)境、技術(shù)、材料選擇等[1]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，目前我國公路面層材料大部分選擇的是瀝青材料，但瀝青材料種類繁多，市場價格不一，性能各不相同[2]。我國的公路建設(shè)需要跨過多個低溫區(qū)域，材料使用不當(dāng)容易造成人力、物力以及經(jīng)濟(jì)的損失[3]。

1964年，美國研究員Monismith[4]首次提出了瀝青材料以及瀝青材料性能鑒定手段，包括蠕變試驗、低溫收縮系數(shù)試驗以及瀝青材料溫度應(yīng)力試驗。接著，國外眾多學(xué)者以及國際研究員紛紛開始進(jìn)行瀝青材料的研究和改進(jìn)工作，通過試驗陸續(xù)提出了瀝青低溫性能評價指標(biāo)、試驗方法、瀝青斷裂性能以及瀝青抗開裂性能試驗[5-6]。瀝青材料低溫性能研究一直是我國學(xué)者的熱門研究課題，例如低溫狀態(tài)下瀝青材料配合比設(shè)計及技術(shù)[7]、瀝青低溫性能試驗方法和評價指標(biāo)[8]。冉松林[9]等通過采取瀝青材料低溫條件下進(jìn)行彎曲試驗，測試其破壞狀態(tài)，得出低瀝青材料低溫性能具有較好的規(guī)律性。李曉娟[10]等通過低溫蠕變試驗測試瀝青材料的低溫性能和應(yīng)力水平。

綜上所述，瀝青材料的研究方法種類繁多，試驗方法和評價體系各不相同，但從總體上看卻相近[11]。本文在國內(nèi)外的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行國內(nèi)五種常用的瀝青材料低溫性能試驗研究，調(diào)查市場價格水平，評價五種常用瀝青材料的性價比以及適用性，旨在避免國內(nèi)公路建設(shè)盲目使用瀝青材料，造成經(jīng)濟(jì)損失，希望對公路建設(shè)具有一定的參考價值。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗采用全國市場常用的五種瀝青材料，分別為：高黏高彈瀝青、Ⅰ-C改性瀝青、TPE改性瀝青、橡膠瀝青、Ⅰ-D改性瀝青，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青材料技術(shù)指標(biāo)

瀝青基本低溫性能通常以5℃延度、老化后延度作為技術(shù)指標(biāo)，將25℃針入度作為中溫性指標(biāo)和低溫性能參考技術(shù)指標(biāo)。通過表1數(shù)據(jù)以及三種指標(biāo)下，可獲得五種常用瀝青在低溫條件下性能的優(yōu)劣，即高黏高彈瀝青＞Ⅰ-C改性瀝青＞TPE改性瀝青＞橡膠瀝青＞Ⅰ-D改性瀝青。

通過市場調(diào)研獲得五種瀝青市面價格分別是：高黏高彈瀝青（6 500～7 500元/t）、Ⅰ-C改性瀝青（3 800～4 200元/t）、TPE改性瀝青（3 400～4 000元/t）、橡膠瀝青（1 800～3 000元/t）、Ⅰ-D改性瀝青（3 800～4 200元/t），為更好地進(jìn)行對比分析，本文采用價格區(qū)間中值進(jìn)行比較?？砂l(fā)現(xiàn)高黏高彈瀝青在市場價格最為昂貴，為7 000元/t；Ⅰ-C改性瀝青、Ⅰ-D改性瀝青兩者價格相近為4 000元/t；TPE改性瀝青較少于前兩者，價格為3 700元/t；橡膠瀝青最為便宜，價格為2 400元/t。

1.2 試驗儀器

本次試驗采用TE-BBR-F彎曲梁流變儀（如圖1所示），通過彎曲梁流變儀進(jìn)行BBR試驗，測定瀝青材料在低溫環(huán)境以及恒定荷載（0.98N）作用下的彎曲變形情況，判斷瀝青的低溫性能。

1.3 試驗方案

實驗采用五種恒定溫度-27℃、-17℃、-12℃、-7℃以及0℃進(jìn)行試驗。將五種樣品制作為127mm×6.35mm×12.70mm的小梁試件，通過PAV老化后，在試件上施加0.980N恒載。施加荷載過程中利用系統(tǒng)的位移傳感器測定試件的變形撓度，每個試樣施加240s后再進(jìn)行卸載，最后采集數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析。通過試驗采集的數(shù)據(jù)，讀取60s時的勁度模量S以及蠕變速率m，最終以這兩種數(shù)據(jù)評價瀝青的低溫性能。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 勁度模量變化分析

將五種瀝青小梁試件采用彎曲梁流變儀，通過恒定荷載0.980N加壓240s，當(dāng)加壓60s時記錄勁度模量變化，每組試樣的加壓環(huán)境溫度不同，獲得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 瀝青勁度模量與溫度變化關(guān)系

由表2可知，在低溫條件下，瀝青勁度模量隨著溫度的提升，而隨著減小。在瀝青勁度模量評價標(biāo)準(zhǔn)中，是以瀝青的勁度模量增長速率來衡量的，勁度模量增長越慢，瀝青產(chǎn)生的應(yīng)力釋放就越快，瀝青的低溫性能也就越好。隨著溫度由0℃降至-27℃，高黏高彈瀝青勁度模量由5.5MPa升至500MPa，增長速率為8.24MPa/s。同理，Ⅰ-C改性瀝青增長速率為13.93MPa/s，TPE改性瀝青9.785MPa/s，橡膠瀝青8.73MPa/s，Ⅰ-D改性瀝青14.71MPa/s，可以看出，高黏高彈瀝青增長速率最慢，其低溫性能最好，而Ⅰ-C改性瀝青和Ⅰ-D改性瀝青增長速率接近，低溫性能最差。對這五種瀝青繪制勁度模量變化圖，如圖2所示。

圖2 瀝青勁度模量變化圖

如圖2所示，Ⅰ-D改性瀝青和Ⅰ-C改性瀝青變化曲線相似，且高于其他三種瀝青，由此可得這兩種低溫性能較差。TPE改性瀝青低溫性能處于中等位置，高黏高彈瀝青和橡膠瀝青低溫性能最佳。因此，五種瀝青的低溫性能由優(yōu)到劣分別是：高黏高彈瀝青＞橡膠瀝青＞TPE改性瀝青＞Ⅰ-C改性瀝青＞Ⅰ-D改性瀝青。

2.2 蠕變速率變化分析

將五種瀝青小梁試件采用彎曲梁流變儀，通過恒定荷載0.980N加壓240s，當(dāng)加壓60s時記錄蠕變速率變化，每組試樣的加壓環(huán)境溫度不同，獲得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 蠕變速率試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)瀝青低溫性能指標(biāo)，瀝青的蠕變速率越大，瀝青內(nèi)部收縮應(yīng)力釋放得越快，瀝青的低溫性能越好。由表2可知，溫度從-27℃升至0℃，其蠕變速率逐漸增大。為更好地進(jìn)行分析，繪制蠕變速率與溫度變化關(guān)系曲線圖，如圖3所示。

圖3 瀝青蠕變速率變化圖

根據(jù)圖3可知，高黏高彈瀝青在個低溫條件下，蠕變速率都高于其他四種瀝青，也就是高黏高彈瀝青的低溫性能優(yōu)于其他四種，次之為橡膠瀝青。TPE改性瀝青其低溫性能處于中間位置，屬于中等。Ⅰ-C改性瀝青與Ⅰ-D改性瀝青低溫性能相仿，都相對較差。因此，五種瀝青的低溫性能由優(yōu)到劣分別是：高黏高彈瀝青＞橡膠瀝青＞TPE改性瀝青＞Ⅰ-C改性瀝青＞Ⅰ-D改性瀝青。

通過市場調(diào)查可知，高黏高彈瀝青價格較為昂貴，但其性能優(yōu)于其他四種瀝青材料，若在公路建設(shè)中，考慮性能可選擇高黏高彈瀝青材料；Ⅰ-C改性瀝青與Ⅰ-D改性瀝青價格其次，但其低溫性能較為不好，性價比不高；TPE改性瀝青價格較為便宜，其低溫性能處于中等層次；橡膠瀝青價格最為便宜，性能僅次于高黏高彈瀝青材料，性價比最高。

3 結(jié)論

（1）瀝青材料低溫性能勁度模量指標(biāo)中，Ⅰ-D改性瀝青和Ⅰ-C改性瀝青變化曲線相似，TPE改性瀝青低溫性能處于中等位置，高黏高彈瀝青和橡膠瀝青低溫性能最佳。

（2）瀝青材料低溫性能蠕變速率指標(biāo)中，高黏高彈瀝青的低溫性能優(yōu)于其他四種，次之為橡膠瀝青。TPE改性瀝青其低溫性能處于中間位置，屬于中等。Ⅰ-C改性瀝青與Ⅰ-D改性瀝青低溫性能相仿，都相對較差。

（3）高黏高彈瀝青價格較為昂貴，考慮性能可選擇高黏高彈瀝青材料；Ⅰ-C改性瀝青與Ⅰ-D改性瀝低溫性能較差，性價比不高；TPE改性瀝青價格低溫性能處于中等層次；橡膠瀝青價格最為便宜，性價比最高。