趙 東，趙 歡

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000）

瀝青混合料不同高溫性能指標(biāo)相關(guān)性的試驗(yàn)研究

趙 東，趙 歡

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000）

高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，我國用軟化點(diǎn)和60 ℃動(dòng)力粘度反映，國際上用復(fù)數(shù)勁度模量和相位角表示。通過對瀝青常規(guī)指標(biāo)檢測、動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)和重復(fù)蠕變試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)選用60 ℃動(dòng)力粘度較大、累積應(yīng)變越小的石油瀝青能有效提高混合料高溫穩(wěn)定性，累積應(yīng)變和動(dòng)穩(wěn)定度的相關(guān)性很好，可作為改性瀝青高溫特性的控制指標(biāo)。

瀝青混合料；高溫性能；相關(guān)性

我國現(xiàn)行的瀝青標(biāo)準(zhǔn)中，通常用軟化點(diǎn)和 60℃動(dòng)力粘度來反映瀝青高溫性能。同時(shí)，針入度與瀝青路面的高溫使用性也有密切關(guān)系。在美國 SHRP瀝青結(jié)合料使用性能規(guī)范中，瀝青結(jié)合料的高溫穩(wěn)定性是由瀝青的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)得到的復(fù)數(shù)勁度模量和相位角描述［1］，用 DSR抗車轍因子表示 SHRP中的高溫特性指標(biāo)。而重復(fù)蠕變試驗(yàn)中得到的累計(jì)應(yīng)變和蠕變勁度代表了瀝青在重復(fù)加載卸載過程中產(chǎn)生的變形特性。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，采用四種不同品牌的瀝青：A、B、C、D，其中品牌D中分別取四個(gè)生產(chǎn)批次：D-1、D-2、D-3、D-4，測試其常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)、美國SHRP性能分級指標(biāo)和重復(fù)蠕變試驗(yàn)，對瀝青的不同高溫性能指標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)一步研究各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性。

1 瀝青常規(guī)指標(biāo)測試

對選定的瀝青，按照《瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對常規(guī)性能指標(biāo)進(jìn)行測試［2］。瀝青A、B、C分別選用基質(zhì)、改性瀝青，瀝青D只選用基質(zhì)瀝青。測試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 常規(guī)指標(biāo)檢測結(jié)果（90號石油瀝青）Table 1 Regular index test results (No. 90 petroleum asphalt)

表2 常規(guī)指標(biāo)檢測結(jié)果（SBS改性瀝青）Table 2 Conventional index test results (SBS modified asphalt)

2 動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)

試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀1500ex，采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變值為γ=12%，試驗(yàn)頻率ω=10 rad/s，約1.59 Hz。按照SHRP瀝青膠結(jié)料試驗(yàn)規(guī)范的要求，本文對原樣瀝青和旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）老化后的瀝青進(jìn)行車轍因子G*/sin(δ) 的測試，確定每種瀝青的車轍因子［3］，測試結(jié)果見表3和表4。其中G*是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量，它由彈性（可恢復(fù)）部分G′和粘性（不可恢復(fù)）部分G″組成；而δ是彈性和粘性變形數(shù)量的相對指標(biāo)，δ越小，材料越接近于彈性體，其關(guān)系如圖1。

表3 動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)結(jié)果（90號石油瀝青）Table 3 Dynamic shear rheological test results (No. 90 petroleum asphalt)

表4 動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)結(jié)果（SBS改性瀝青）Table 4 Dynamic shear rheological test results (SBS modified asphalt)

在瀝青常規(guī)指標(biāo)檢測中，所選瀝青試驗(yàn)結(jié)果均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004的要求，但在SHRP性能指標(biāo)檢測中，根據(jù)SHRP指標(biāo)PG分級，改性“瀝青B”高溫為PG70，而改性“瀝青A、C” 高溫為PG76。對同一品牌的90號基質(zhì)“瀝青D”，原樣動(dòng)態(tài)剪切高溫均為PG64，但短期老化后“瀝青D-4” 高溫為PG58，當(dāng)在不同溫度下施加荷載時(shí)，該瀝青的溫度敏感性更大，粘度也較小。說明用針入度在規(guī)定溫度、荷載和作用時(shí)間的條件下分級時(shí)，反映的瀝青變形能力有一定的局限性，不能準(zhǔn)確反映瀝青的流變特性。

圖1 瀝青粘彈性復(fù)數(shù)模量的極坐標(biāo)表達(dá)式Fig.1 Polar coordinate expression of viscoelastic complex modulus of asphalt

為了研究軟化點(diǎn)、60 ℃動(dòng)力粘度等與動(dòng)態(tài)剪切之間的關(guān)系，對表3、表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，如表5所示。從相互之間的相關(guān)系數(shù)可以看出，基質(zhì)瀝青 60 ℃動(dòng)力粘度與原樣瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變性、布氏旋轉(zhuǎn)粘度之間的線性相關(guān)性最好，與短期老化后瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變性的線性相關(guān)性次之；軟化點(diǎn)與原樣瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變性有較好的相關(guān)性，但與短期老化后的動(dòng)態(tài)剪切流變性之間基本沒有線性相關(guān)性。但 60 ℃動(dòng)力粘度與軟軟化點(diǎn)之間有較好的線性相關(guān)性。

表5 石油瀝青60℃動(dòng)力粘度、軟化點(diǎn)與動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)的相關(guān)性Table 5 Asphalt 60 ℃ dynamic viscosity, softening point and the correlation of dynamic shear test

表明 60 ℃動(dòng)力粘度越大，原樣動(dòng)態(tài)剪切及RTFOT后的動(dòng)態(tài)剪切越大，其抗車轍性能越好，軟化點(diǎn)也較高。所以為了提高瀝青穩(wěn)定碎石的抗車轍性能，應(yīng)該選擇60 ℃動(dòng)力粘度較大的石油瀝青。

改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)與動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，加入改性劑后瀝青粘度增大，提高了瀝青的車轍因子，改性瀝青抗車轍能力明顯高于基質(zhì)瀝青。但動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)的車轍因子G*/sinδ的問題在于這一指標(biāo)未能區(qū)分改性瀝青混合料的延遲彈性變形和粘性變形，而降延遲彈性變形部分也納入了粘性變形，致使延遲彈性大的瀝青（如SBS改性瀝青）的高溫PG被低估了［4］。

而有關(guān)研究也表明 DSR試驗(yàn)中采用的控制應(yīng)變小于膠結(jié)料的真實(shí)應(yīng)變，致使路面混合料的車轍和DSR試驗(yàn)之間的相關(guān)性并不是很好。所以本研究對以上石油瀝青、改性瀝青進(jìn)行重復(fù)蠕變試驗(yàn)。

3 重復(fù)蠕變試驗(yàn)

重復(fù)蠕變試驗(yàn)采用應(yīng)力控制的模式，本試驗(yàn)采用的應(yīng)力水平為60 Pa，試驗(yàn)溫度采用60 ℃。每個(gè)蠕變周期加載1 s，卸載9 s，重復(fù)次數(shù)為100次［5］，為了與現(xiàn)場混合料中的瀝青膠結(jié)料相近，采用RTFOT后的瀝青試樣。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 重復(fù)蠕變試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Repeated creep test results

3.1 數(shù)值分析

重復(fù)蠕變試驗(yàn)可以反映膠結(jié)料延遲彈性變形的特性，由于改性瀝青具有較好的延遲彈性恢復(fù)特性，圖2為重復(fù)蠕變試驗(yàn)1個(gè)周期后的累計(jì)變形曲線圖。

圖2 瀝青蠕變恢復(fù)曲線Fig.2 Asphalt creep recovery curve

圖中可以看出兩種瀝青變形趨勢呈現(xiàn)的顯著差別。SBS改性瀝青在卸載后變形產(chǎn)生恢復(fù)，一個(gè)周期結(jié)束后的殘留變形很小，而普通石油瀝青恢復(fù)能力較小，殘留變形很大［6］。因此，僅僅用 DSR車轍因子評價(jià)SBS改性瀝青時(shí)無法較準(zhǔn)確的反映出滯后彈性恢復(fù)能力，而需要重復(fù)蠕變試驗(yàn)作為補(bǔ)充。

3.2 重復(fù)蠕變試驗(yàn)與混合料動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

為了驗(yàn)證重復(fù)蠕變試驗(yàn)與混合料車轍之間的關(guān)系，進(jìn)行了動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)?；旌狭喜捎脼r青穩(wěn)定碎石ATB-30，級配選用以上研究中所用的級配3。保持級配、油石比不變試驗(yàn)表明軟化點(diǎn)越高，動(dòng)穩(wěn)定度越大［7］，試件相對變形量也減少。從圖3、圖4可以看出，蠕變試驗(yàn)中的累積應(yīng)變和SBS改性瀝青的相關(guān)性都很好。而蠕變試驗(yàn)中的粘性成分 Gv與改性瀝青動(dòng)穩(wěn)定度存在一定的相關(guān)性，在與普通瀝青回歸時(shí)相關(guān)性較差［8］。

圖3 瀝青膠結(jié)料累計(jì)應(yīng)變與混合料動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系圖Fig.3 Accumulated strain of asphalt cement and mixture of dynamic stability diagram

圖4 瀝青膠結(jié)料Gv與混合料動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系圖Fig.4 Asphalt cement mixture Gvand moving stability diagram

綜合以上的分析，由于普通石油瀝青與SBS改性瀝青在延遲彈性恢復(fù)特性的不同，高溫評價(jià)指標(biāo)也有所差異。石油瀝青可采用 60 ℃動(dòng)力粘度和累計(jì)應(yīng)變作為高溫評價(jià)指標(biāo)，且 60 ℃動(dòng)力粘度在規(guī)范中已有明確的規(guī)定，推廣較容易。而改性瀝青采用累計(jì)應(yīng)變作為高溫評價(jià)指標(biāo)，與動(dòng)穩(wěn)定度具有良好的相關(guān)性，該指標(biāo)評價(jià)目的直觀，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 論

（1）從同品牌的改性瀝青與石油瀝青的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)對比中可以看出，改性瀝青車轍因子明顯大于基質(zhì)瀝青，說明使用改性瀝青可以提高混合料的抗車轍性能。

（2）針入度指標(biāo)是在規(guī)定溫度、荷載和作用時(shí)間的條件下分級的，其反映瀝青變形能力有一定的局限性，不能準(zhǔn)確反映瀝青的流變特性。

（3）石油瀝青在重復(fù)蠕變試驗(yàn)中，累積應(yīng)變與動(dòng)穩(wěn)定度具有較好的相關(guān)性。表明石油瀝青 60 ℃動(dòng)力粘度越大、累積應(yīng)變越小，其抗車轍性能越好，軟化點(diǎn)也較高。所以為了提高瀝青穩(wěn)定碎石的抗車轍性能，應(yīng)該選擇 60 ℃動(dòng)力粘度較大、累積應(yīng)變越小的石油瀝青。

（4）由于動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)中車轍因子只能反映瀝青流變行為中的彈性和粘性部分，忽略了可恢復(fù)變形的部分，因此在評價(jià)改性瀝青高溫性能時(shí)有一定誤差。但SBS改性瀝青重復(fù)蠕變試驗(yàn)中累積應(yīng)變和動(dòng)穩(wěn)定度的相關(guān)性很好，充分反映了改性瀝青延遲彈性恢復(fù)的特性，可作為改性瀝青高溫特性的控制。

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Experiment Research on Performance Indexes Correlation of Asphalt Mixture Under Different High Temperature

ZHAO Dong，ZHAO Huan
（Shanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714000，China）

High temperature stability is an important index of the asphalt mixture. In our country the softening point and dynamic viscosity at 60 ℃ are used to reflect the high temperature stability of the asphalt mixture; in foreign countries it is expressed by using complex stiffness modulus and phase angle. In this article, through conventional index test, dynamic shear rheological test and repeated creep test of asphalt, it's found that using asphalt with bigger dynamic viscosity at 60 ℃ and smaller cumulative strain can effectively improve the high temperature stability of the mixture, the accumulated strain has very good correlation with the dynamic stability, so it can be used as the property control index of modified asphalt at high temperature.

asphalt mixture; high-temperature behavior; correlation

U416.2

A

1671-0460（2016）11-2527-04

2016-05-11

趙東（1984-），男，甘肅寧縣人，講師，工學(xué)碩士，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè)，研究方向：道路橋梁工程施工技術(shù)。E-m ail：zhd0719@163.com。