韓 良

(湘潭市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站,湖南 湘潭 411100)

1 原材料試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次選用兩種基質(zhì)70#瀝青A和B和改性瀝青SBS(A)和SBS(B)。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTD E20—2011)》[4]中相關(guān)試驗(yàn)要求測(cè)試四種瀝青技術(shù)指標(biāo),由表1可知,兩種70#基質(zhì)瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTD F40—2004)》[5]對(duì)1區(qū)A級(jí)瀝青技術(shù)要求和兩種改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均符合SBS類(Ⅰ—D)技術(shù)要求。

表1 四種瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 原材料試驗(yàn)

(1)針入度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充試驗(yàn)

25 ℃針入度并不能直接衡量瀝青膠結(jié)料高溫性能,雖然有軟化點(diǎn)指標(biāo)綜合控制,但是因?yàn)r青中蠟含量的影響,在環(huán)球法軟化點(diǎn)試驗(yàn)中,蠟會(huì)吸收部分熱量,出現(xiàn)軟化點(diǎn)虛高的情況,蠟含量越高,軟化點(diǎn)虛高的程度越大,因不同品種的瀝青蠟含量都不同,單一軟化點(diǎn)指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青膠結(jié)料高溫穩(wěn)定性。

對(duì)于改性瀝青而言,軟化點(diǎn)也無(wú)法與瀝青膠結(jié)料高溫性能指標(biāo)直接關(guān)聯(lián),如表1所示,SBS(B)老化前軟化點(diǎn)達(dá)到74.5 ℃,老化后軟化點(diǎn)75.4 ℃高于老化前,為排除試驗(yàn)誤差,對(duì)兩種SBS改性瀝青進(jìn)行三次軟化點(diǎn)平行試驗(yàn),如下表2所示,軟化點(diǎn)數(shù)值差距最大是原樣SBS(B)改性瀝青3.8 ℃,但發(fā)SBS(B)改性瀝青老化前后軟化點(diǎn)變化規(guī)律相同。

表2 試驗(yàn)誤差對(duì)軟化點(diǎn)的影響

SBS改性瀝青短期RTFOT老化85 min后,會(huì)出現(xiàn)軟化點(diǎn)比老化前高或低的現(xiàn)象,原健安、張爭(zhēng)奇等[6-7]認(rèn)為這是SBS改性劑與基質(zhì)瀝青相互作用的原因或者是不同改性劑的影響。不同的改性劑SBS改性瀝由基質(zhì)瀝青和改性劑組成,RTFOT老化85 min后,不僅“老化”基質(zhì)瀝青也“老化”改性劑,這種“老化”影響了基質(zhì)瀝青與改性劑的相互作用[8]。在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法條件下,SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)與瀝青膠結(jié)料高溫性能關(guān)聯(lián)不大,甚至?xí)霈F(xiàn)SBS改性瀝青軟化點(diǎn)高而混合料高溫性能較差的現(xiàn)象,為更好研究針入度分級(jí)體系中瀝青高溫性能指標(biāo),本次試驗(yàn)中增加15 ℃針入度、30 ℃針入度試驗(yàn)用來(lái)計(jì)算針入度指數(shù)PI和當(dāng)量軟化點(diǎn)T800。

針入度計(jì)算PI

(1)

式中:Algpen表示采用15 ℃、25 ℃、30 ℃針入度經(jīng)回歸計(jì)算求得的斜率。

針入度計(jì)算當(dāng)量軟化點(diǎn)T800。

通過(guò)在15 ℃、25 ℃、30 ℃針入度值,取對(duì)數(shù)后,回歸得到針入度回歸系數(shù)A和K,T800可以直接通過(guò)以下公式求得

(2)

(3)

沈金安等[9]認(rèn)為公式(2)計(jì)算當(dāng)量軟化點(diǎn)T800能避免25 ℃針入度測(cè)定不精確帶來(lái)的誤差,故本文采用公式(2)計(jì)算當(dāng)量軟化點(diǎn)T800。

DSR試驗(yàn)測(cè)定G*/sinδ車轍因子

PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,瀝青的高溫穩(wěn)定性是通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)得瀝青的復(fù)數(shù)剪切勁度模量G*和相位角δ來(lái)綜合評(píng)價(jià)。G*定義為瀝青最大應(yīng)力與最大應(yīng)變之比,用于體現(xiàn)瀝青膠結(jié)料抵抗變形的能力;δ定義為彈性成分與粘性成分之比,δ越大說(shuō)明粘性性能比例越高,越不利于其抗高溫變形能力;G*/sinδ抗變形車轍因子用于衡量瀝青膠結(jié)料在高溫條件下抗變形能力,G*/sinδ越大,瀝青流動(dòng)變形越小,抵抗變形能力越強(qiáng)[10]。

瀝青膠結(jié)料的老化主要分為短期老化和長(zhǎng)期老化。短期老化是指瀝青膠結(jié)料與集料等攪拌前后的老化,稱為熱老化,與溫度相關(guān);長(zhǎng)期老化是主要是指瀝青在水、紫外線、溫度和荷載多重耦合作用下與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng),稱為氧化老化。SHRP研究認(rèn)為,瀝青路面高溫變形主要是因?yàn)闉r青膠結(jié)料的“熱老化”,為使試驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)據(jù)能實(shí)際指導(dǎo)工程實(shí)踐,動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)定不僅要測(cè)原樣瀝青的復(fù)數(shù)剪切勁度模量G*和相位角δ,還需測(cè)短期老化85 min后(RTFOT)的瀝青。

本次試驗(yàn)對(duì)于四種瀝青試樣的測(cè)試溫度從58 ℃開始,每間隔6 ℃提升一個(gè)溫度等級(jí),剪切速率10 ad/s。瀝青的車轍因子G*/sinδ要求大于1.0 kPa短期老化后瀝青的抗變形車轍因子G*/sinδ要求大于2.2 kPa,當(dāng)瀝青G*/sinδ=1.0 kPa(短期老化瀝青G*/sinδ=2.2 kPa)時(shí)瀝青試驗(yàn)所處的溫度就是失效溫度。結(jié)合普通瀝青和旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果,可以得出瀝青膠結(jié)料PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的高溫等級(jí)。

如表3所示,在同一溫度條件下,基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)剪切勁度模量G*小于SBS改性瀝青而相位角δ大于改性瀝青,基質(zhì)瀝青抗變形車轍因子小于SBS改性瀝青抗變形車轍因子,這說(shuō)明相同溫度下,SBS改性瀝青比原基質(zhì)瀝青高溫性能優(yōu)越。根據(jù)PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求,如表3和表4所示,A基質(zhì)瀝青和B基質(zhì)瀝青的PG高溫等級(jí)是64;SBS(A)和SBS(B)高溫等級(jí)是70,添加改性劑后提高了瀝青抵抗高溫變形的能力。相同試驗(yàn)溫度下,短期化前G*比老化后小,而短期老化前δ比老化后大,與車轍因子G*/sinδ老化前后變化規(guī)律統(tǒng)一。

表3 四種瀝青G*,δ和G*/sinδ指標(biāo)

表4 四種瀝青短期老化后G*、δ和G*/sinδ指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 分析方法

PG分級(jí)試驗(yàn)設(shè)備費(fèi)用較大且試驗(yàn)方法相對(duì)于針入度分級(jí)復(fù)雜,目前只有各大科研院校和機(jī)構(gòu)購(gòu)買整套設(shè)備,無(wú)法在項(xiàng)目工地試驗(yàn)室甚至是母體試驗(yàn)室普及,所以在項(xiàng)目工程實(shí)際中應(yīng)用不多,但是因其是建立在瀝青結(jié)合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞性和耐久性(抗老化性)等各項(xiàng)路用性能基礎(chǔ)上提出的指標(biāo),依據(jù)工程項(xiàng)目所在的環(huán)境溫度和交通量等情況選擇瀝青等級(jí),國(guó)內(nèi)越大越多研究者都關(guān)注著如何建立起兩大標(biāo)準(zhǔn)兩膠結(jié)料評(píng)價(jià)指標(biāo)建的聯(lián)系。為研究瀝青高溫變形評(píng)價(jià)指標(biāo),本文通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)法,分析兩大標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于高溫穩(wěn)抗變形指標(biāo)間的聯(lián)系。

灰色關(guān)聯(lián)法源于鄧聚龍?zhí)岢龅幕疑P(guān)聯(lián)理論[11-13],是通過(guò)已知因素(針入度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)指標(biāo))研究與目標(biāo)因素(G*/sinδ)最相關(guān)的因素。考慮到針入度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,與瀝青高溫性能相關(guān)性比較大的是軟化點(diǎn)、T800、60 ℃動(dòng)力粘度和135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度、PI等,因60 ℃動(dòng)力粘度和135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度數(shù)據(jù)是其它指標(biāo)一半,在同一情況下進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)法分析,會(huì)造成關(guān)聯(lián)度虛高或虛低的情況,所以此次不關(guān)聯(lián)粘度指標(biāo)。出于整體考慮,25 ℃針入度、殘留針入度比也作為比較數(shù)列(Xk)。以G*/sinδ為目標(biāo)數(shù)列(X0),分析我國(guó)針入度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,瀝青高溫指標(biāo)的相關(guān)性。

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)法無(wú)量綱均值計(jì)算我國(guó)針入度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中瀝青高溫抗變形指標(biāo)的相關(guān)性,如表5所示。

表5 四種瀝青各指標(biāo)高溫性能關(guān)聯(lián)度分析

瀝青短期老化RTFOT前,64 ℃(改性瀝青是70 ℃)G*/sinδ與25 ℃針入度、針入度指數(shù)PI、軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和殘留針入度比分別是0.615 2(r1)、0.8516(r2)、0.8349(r3)、0.8691(r4)和0.7901(r5)。r4>r2>r3>r5>r1,即與目標(biāo)因素關(guān)聯(lián)度從大到小的排列是:當(dāng)量軟化點(diǎn)T800>針入度指數(shù)PI>軟化點(diǎn)>殘留針入度比>25 ℃針入度。瀝青短期老化RTFOT后,64 ℃(改性瀝青是70 ℃)G*/sinδ與25 ℃針入度、針入度指數(shù)PI、軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和殘留針入度比分別是0.7800(r1)、0.8636(r2)、0.7507(r3)、0.8785(r4)和0.7521(r5)。r4>r2>r1>r5>r3,即與目標(biāo)因素關(guān)聯(lián)度從大到小的排列是:當(dāng)量軟化點(diǎn)T800>針入度指數(shù)PI>25 ℃針入度>殘留針入度比>軟化點(diǎn)。軟化點(diǎn)和25 ℃針入度前后順序相反,造成這種情況的原因,一方面是基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青短期老化RTFOT前后軟化點(diǎn)變化規(guī)律成相反關(guān)系;另一方面是因?yàn)槎唐诶匣疪TFOT前后針入度變化程度,基質(zhì)瀝青要大于SBS改性瀝青,造成軟化點(diǎn)和25 ℃針入度兩個(gè)比較因素?cái)?shù)據(jù)“中和”。為消除數(shù)據(jù)“中和”影響,將基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分開考慮,通過(guò)數(shù)據(jù)整理分析能得出與目標(biāo)因素最相關(guān)的仍是當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和針入度指數(shù)PI。

3 結(jié) 論

當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和針入度指數(shù)PI相關(guān)性非常好,都是由三個(gè)不同溫度針入度計(jì)算得出,且當(dāng)量軟化點(diǎn)T800與目標(biāo)因素G*/sinδ關(guān)聯(lián)程度要大于針入度指數(shù)PI,得出針入度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中當(dāng)量軟化點(diǎn)T800指標(biāo)與PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中高溫性能指標(biāo)抗變形車轍因子G*/sinδ關(guān)聯(lián)程度最高;

通過(guò)DSR試驗(yàn)可知,改性瀝青高溫性能要優(yōu)于原基質(zhì)瀝青;

SBS改性瀝青短期RTFOT老化85 min后,SBS(B)老化前軟化點(diǎn)低于老化后軟化點(diǎn)而SBS(A)老化前軟化點(diǎn)高于老化后,軟化點(diǎn)變化規(guī)律復(fù)雜,這是受改性劑與基質(zhì)瀝青相互作用的原因或者是不同改性劑的影響。