瀝青測(cè)力延度與黏韌性試驗(yàn)相關(guān)性分析

龍 花

（廣東盛翔交通工程檢測(cè)有限公司 廣州 511400）

0 引言

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程：JTG E20-2011》［1］中瀝青黏韌性試驗(yàn)：T0624-2011（下文簡(jiǎn)稱T0624 試驗(yàn)方法）用于評(píng)價(jià)瀝青摻加改性劑后的改性效果，其試驗(yàn)結(jié)果是用于評(píng)價(jià)SBR改性瀝青、橡膠瀝青及高黏改性瀝青改性效果的一種比較好的方法。其測(cè)試原理為監(jiān)測(cè)瀝青在25 ℃、50 cm/min 拉伸速率下荷載和變形的關(guān)系，來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的改性效果。

測(cè)力延度試驗(yàn)用于測(cè)定道路石油瀝青、聚合物改性瀝青的最大拉應(yīng)力值和最大拉力對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)變形值［2］。其測(cè)試結(jié)果為瀝青在5 ℃、15 ℃或25 ℃，5 cm/min拉伸速率下最大拉應(yīng)力值和最大拉力對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)變形值，并在測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄拉力和變形的關(guān)系。

對(duì)比瀝青黏韌性試驗(yàn)和測(cè)力延度試驗(yàn)，可以看出兩種試驗(yàn)方法共同之處在于試驗(yàn)過(guò)程都會(huì)記錄瀝青變形與拉力的關(guān)系，不同之處在于溫度、拉伸速率不同，此外，還有夾具、保溫方式等的區(qū)別。

兩種試驗(yàn)方法均是進(jìn)行簡(jiǎn)單拉伸條件下變形和荷載采集，并無(wú)顯著區(qū)別。經(jīng)多次室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用兩種不同試驗(yàn)方法得到的變形與荷載曲線型式較為接近，故容易想到，采用測(cè)力延度得到最大拉力和變形兩個(gè)指標(biāo)的同時(shí)，是否可以參照瀝青黏韌性試驗(yàn)方法數(shù)據(jù)處理方式，獲取黏韌性和韌性指標(biāo)呢？?jī)蓚€(gè)試驗(yàn)方法按照相同數(shù)據(jù)處理方式，得到的黏韌性指標(biāo)是否具有相關(guān)性？如果具有相關(guān)性，可否采用測(cè)力延度試驗(yàn)代替黏韌性試驗(yàn)？

針對(duì)此問(wèn)題，譚繼宗［3］分析測(cè)力延度拉伸曲線的形態(tài)，提出綜合指標(biāo)以分析測(cè)力延度，并依據(jù)測(cè)力延度指標(biāo)對(duì)比分析不同改性瀝青之間的性能；謝祥兵等人［4］開(kāi)展了瀝青膠漿測(cè)力延度試驗(yàn)，并提出了峰值力演化指數(shù)函數(shù)模型；劉成等人［5］采用測(cè)力延度試驗(yàn)分析不同性質(zhì)指標(biāo)與老化溫度之間的關(guān)系；吳曉強(qiáng)［6］采用黏韌性試驗(yàn)，基于黏韌性曲線形態(tài)，提出了粘性柔量等指標(biāo)評(píng)價(jià)SBS 改性再生效果；徐建國(guó)［7］根據(jù)不同類型瀝青的荷載-變形曲線形狀特點(diǎn)，提出了評(píng)價(jià)瀝青黏韌性的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，如黏結(jié)性、韌性比等；張志剛等人［8］將膠粉改性瀝青在不同條件下儲(chǔ)存，并研究?jī)?chǔ)存后高低溫性能和黏度；何亮等人［9］制作了普通橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青，并進(jìn)行了橡膠顆粒影響、測(cè)力延度和老化性能試驗(yàn)；祁文洋等人［10］分析針入度、軟化點(diǎn)、車轍因子及測(cè)力延度相關(guān)指標(biāo)與SBS 改性瀝青老化時(shí)間的相關(guān)性，同時(shí)分析與SBS 改性瀝青中SBS含量的相關(guān)性。

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于瀝青材料的評(píng)價(jià)，較多研究已采用測(cè)力延度和黏韌性試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但暫無(wú)涉及關(guān)于兩個(gè)試驗(yàn)方法相關(guān)性、利用測(cè)力延度試驗(yàn)開(kāi)展黏韌性及韌性的相關(guān)研究。因此，本文為探討測(cè)力延度試驗(yàn)和黏韌性試驗(yàn)之間的相關(guān)性，提出了復(fù)合改性橡膠瀝青拉伸變形與荷載曲線的黏韌性及韌性改進(jìn)計(jì)算方法，對(duì)不同溫度下的黏韌性試驗(yàn)和測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比分析結(jié)果可從多角度評(píng)價(jià)瀝青性能，豐富評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)手段。

1 問(wèn)題及解決思路

1.1 存在問(wèn)題

T0624 試驗(yàn)方法給出了單峰荷載-拉伸曲線的黏韌性和韌性計(jì)算方法。黏韌性試驗(yàn)荷載-變形曲線如圖1所示，當(dāng)BC段斜率較大時(shí)，BC 延長(zhǎng)線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)與橫坐標(biāo)的起始點(diǎn)能顯著區(qū)分，可以通過(guò)數(shù)學(xué)分析方法求得兩部分包絡(luò)面積。

圖1 復(fù)合改性瀝青黏韌性試驗(yàn)荷載-變形曲線Fig.1 Load-deformation Curve of Composite Modified Asphalt Viscosity Test

然而，復(fù)合改性橡膠瀝青的荷載-拉伸曲線存在雙峰，經(jīng)過(guò)第一個(gè)峰值點(diǎn)B后，會(huì)出現(xiàn)短暫下降，之后，CD 段曲線上升達(dá)到第二個(gè)峰值點(diǎn)D，仍按照T0624 試驗(yàn)方法計(jì)算，將取BC 段延長(zhǎng)線與橫坐標(biāo)相交。此時(shí)將出現(xiàn)兩種情況：交點(diǎn)G 位于AF 外側(cè)，若仍以第二部分的面積表示韌性時(shí)，數(shù)學(xué)意義上的計(jì)算值為負(fù)值；G點(diǎn)與F點(diǎn)接近，此時(shí)計(jì)算的韌性很小，如圖1所示。

可見(jiàn)，采用T0624 試驗(yàn)方法方法無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)合改性橡膠瀝青這類瀝青雙峰特征曲線的韌性，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其黏韌性與韌性。

1.2 解決思路

T0624 試驗(yàn)方法根據(jù)荷載-變形曲線計(jì)算SBR 改性瀝青的黏韌性和韌性指標(biāo)，其重要特點(diǎn)在于求出BC延長(zhǎng)段與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)。

復(fù)合改性橡膠瀝青中橡膠顆粒與聚合物改性劑的良好結(jié)構(gòu)組成，變形需要克服聚合物改性劑、橡膠顆粒、瀝青分子之間的交互作用力，復(fù)雜的交互作用在外部荷載作用下，交聯(lián)點(diǎn)可能會(huì)被破壞，破壞后可能產(chǎn)生新的交聯(lián)點(diǎn)，因此，BCD 段會(huì)出現(xiàn)荷載曲線上升或下降的現(xiàn)象。由上述分析可知，BCD 段的變形特征對(duì)評(píng)價(jià)改性瀝青的性質(zhì)十分重要，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)使改性瀝青在承受相同荷載的條件下允許發(fā)生更大的變形，路用性能更好。大變形BCD段受聚合物改性劑的種類、含量及與基質(zhì)瀝青的相容性等影響，在制作改性瀝青配方時(shí)，通過(guò)BCD段曲線變化特征的橫向?qū)Ρ龋梢詫?duì)比分析各配方的合理性。

分析3 個(gè)不同階段荷載作用下變形產(chǎn)生的原因，可以看出，前兩個(gè)階段的變形特征與瀝青試樣橫截面的變化及瀝青結(jié)構(gòu)、聚合物改性瀝青的特性有關(guān)。因此，T0624試驗(yàn)方法將BC段延長(zhǎng)，將BC延長(zhǎng)線區(qū)分的兩部分面積表征瀝青材料的黏結(jié)特性是合理的。針對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青雙峰特點(diǎn)，由B 點(diǎn)做橫坐標(biāo)的垂線，交點(diǎn)為G，取ABG 包絡(luò)面積的兩倍表征高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的黏結(jié)性，取BCDEFI 表征高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的韌性，如圖2 所示。以此思路來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合改性橡膠瀝青的黏韌性和韌性。

圖2 荷載-變形曲線區(qū)間劃分Fig.2 Section Division of Load-deformation Curve

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析可否通過(guò)測(cè)力延度試驗(yàn)來(lái)表征瀝青的黏韌性和韌性，本節(jié)以復(fù)合改性橡膠瀝青為研究對(duì)象，復(fù)合改性橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。開(kāi)展了5 ℃、15 ℃或25 ℃下橡膠瀝青測(cè)力延度試驗(yàn)，并同步開(kāi)展了5 ℃、15 ℃或25 ℃下橡膠瀝青黏韌性試驗(yàn)。

表1 復(fù)合改性橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical Index of Composite Modified Rubber Asphal

按照2.2 小節(jié)制定的數(shù)據(jù)處理辦法，將各區(qū)間進(jìn)行劃分，如圖2 所示。采用積分思想，利用MATLAB分別計(jì)算ABG 和ABCDEF 的包絡(luò)面積。分別計(jì)算不同溫度下兩種試驗(yàn)方法的黏韌性和韌性，以分析測(cè)力延度和黏韌性試驗(yàn)兩者相關(guān)性。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)，在開(kāi)展5 ℃和15 ℃橡膠瀝青黏韌性試驗(yàn)時(shí)，因溫度較低，瀝青較硬，所需要的拉力較大，剛開(kāi)始測(cè)試，瀝青與拉伸頭的粘結(jié)力不足以抵抗拉力，試件從粘結(jié)處發(fā)生破壞，如圖3 所示。故5 ℃和15 ℃橡膠瀝青黏韌性試驗(yàn)結(jié)果不能用于相關(guān)性分析。

圖3 5 ℃和15 ℃下界面破壞狀態(tài)Fig.3 Interface Failure State at 5 ℃and 15 ℃

復(fù)合改性橡膠瀝青在3 個(gè)溫度下測(cè)力延度試驗(yàn)中，最大拉力和對(duì)應(yīng)的變形及黏韌性試驗(yàn)中最大拉力和對(duì)應(yīng)的變形如表2所示。

表2 最大拉力和對(duì)應(yīng)的變形Tab.2 Maximum Tension and Corresponding Deformation

由表2 可得，因夾具、樣品及拉伸速率的不同，黏韌性試驗(yàn)的最大拉力和變形顯著大于測(cè)力延度試驗(yàn)。隨著溫度升高，最大拉力減小，最大變形增加。

5 ℃測(cè)力延度荷載-位移曲線如圖4所示。

由圖1和圖4可得，兩個(gè)試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線整體趨勢(shì)基本相同，曲線走勢(shì)都是第一階段迅速上升到達(dá)第一峰值點(diǎn)，再下降后上升到達(dá)第二峰值點(diǎn)，隨后斷裂。

將復(fù)合改性橡膠瀝青測(cè)力延度曲線采用積分法計(jì)算黏韌性和韌性，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。由表3 可得，在5 ℃、15 ℃、25 ℃這3 個(gè)溫度下的黏韌性分別為14.7 kN·m、0.64 kN·m、0.22 kN·m，韌 性 分 別 為13.9 kN·m、0.61 kN·m、0.61 kN·m，韌性與黏韌性的比值分別為94.6%、95.3%、95.0%，由此可見(jiàn)，隨著溫度的變化，韌性與黏韌性的比值均在95%左右。

表3 測(cè)力延度曲線積分計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation Results of Curve Integral of Force Ductility Measurement

將復(fù)合改性橡膠瀝青黏韌性曲線采用積分法計(jì)算黏韌性和韌性，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，25 ℃下的黏韌性為22.3 kN·m，韌性為19.3 kN·m，韌性與黏韌性的比值為84.7%。

表4 黏韌性曲線積分計(jì)算結(jié)果Tab.4 Results of Integral Calculation of Viscosivity Curve

可見(jiàn)，根據(jù)黏韌性曲線計(jì)算黏韌性和韌性均大于測(cè)力延度曲線計(jì)算值，韌性與黏韌性的比值均在95%左右。

由測(cè)力延度曲線計(jì)算得到的黏韌性和韌性均小于黏韌性曲線計(jì)算值。因?yàn)轲ろg性試驗(yàn)拉伸速率快，最大拉力大，整體積分面積大，所以黏韌性曲線積分得到的黏韌性大于測(cè)力延度試驗(yàn)。拉伸速率快，ABG的面積相對(duì)大，造成黏韌性曲線積分得到的韌性與黏韌性的比值小于測(cè)力延度試驗(yàn)。由測(cè)力延度曲線計(jì)算得到的韌性與黏韌性的比值穩(wěn)定，不隨溫度變化。

根據(jù)上述結(jié)果分析黏韌性試驗(yàn)和測(cè)力延度試驗(yàn)相關(guān)性可得，兩個(gè)試驗(yàn)的力學(xué)原理基本接近，試驗(yàn)過(guò)程獲取的荷載-變形曲線相似，黏韌性和韌性計(jì)算值大小規(guī)律符合試驗(yàn)現(xiàn)象。因此，通過(guò)大量試驗(yàn)必然可以建立起兩個(gè)試驗(yàn)的黏韌性和韌性關(guān)系。由測(cè)力延度試驗(yàn)曲線計(jì)算得到的黏韌性和韌性不隨溫度變化，進(jìn)一步說(shuō)明了通過(guò)測(cè)力延度試驗(yàn)得到的荷載-變形曲線計(jì)算黏韌性和韌性的有效性。

3 結(jié)論

測(cè)力延度試驗(yàn)和黏韌性試驗(yàn)原理接近，為探討兩試驗(yàn)之間的相關(guān)性，提出了復(fù)合改性橡膠瀝青拉伸變形與荷載曲線的黏韌性及韌性改進(jìn)計(jì)算方法，對(duì)不同溫度下的黏韌性試驗(yàn)和測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：

⑴黏韌性試驗(yàn)的最大拉力和變形顯著大于測(cè)力延度試驗(yàn)。由測(cè)力延度曲線計(jì)算得到的黏韌性和韌性均小于黏韌性曲線計(jì)算值。黏韌性曲線積分得到的韌性與黏韌性的比值小于測(cè)力延度試驗(yàn)。

⑵隨著溫度升高，最大拉力減小，最大變形增加。但由測(cè)力延度曲線計(jì)算得到的韌性與黏韌性的比值穩(wěn)定，不隨溫度變化。

⑶兩個(gè)試驗(yàn)的力學(xué)原理基本接近，試驗(yàn)過(guò)程獲取的荷載-變形曲線相似，黏韌性和韌性計(jì)算值大小規(guī)律符合試驗(yàn)現(xiàn)象。

⑷由兩個(gè)試驗(yàn)計(jì)算得到的黏韌性和韌性具有相關(guān)關(guān)系，通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系后，可采用測(cè)力延度試驗(yàn)代替黏韌性試驗(yàn)計(jì)算黏韌性和韌性指標(biāo)。測(cè)力延度曲線在獲取最大拉力和變形的同時(shí)，可按本文提出的計(jì)算方法獲取黏韌性和韌性指標(biāo)，從多角度評(píng)價(jià)瀝青性能。