瀝青混合料不同高溫性能指標相關性的試驗研究

趙 東，趙 歡

（陜西鐵路工程職業技術學院， 陜西 渭南 714000）

瀝青混合料不同高溫性能指標相關性的試驗研究

趙 東，趙 歡

（陜西鐵路工程職業技術學院， 陜西 渭南 714000）

高溫穩定性是瀝青混合料的一項重要指標，我國用軟化點和60 ℃動力粘度反映，國際上用復數勁度模量和相位角表示。通過對瀝青常規指標檢測、動態剪切流變試驗和重復蠕變試驗，發現選用60 ℃動力粘度較大、累積應變越小的石油瀝青能有效提高混合料高溫穩定性，累積應變和動穩定度的相關性很好，可作為改性瀝青高溫特性的控制指標。

瀝青混合料；高溫性能；相關性

我國現行的瀝青標準中，通常用軟化點和 60℃動力粘度來反映瀝青高溫性能。同時，針入度與瀝青路面的高溫使用性也有密切關系。在美國 SHRP瀝青結合料使用性能規范中，瀝青結合料的高溫穩定性是由瀝青的動態剪切試驗得到的復數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。而重復蠕變試驗中得到的累計應變和蠕變勁度代表了瀝青在重復加載卸載過程中產生的變形特性。本文通過室內試驗，采用四種不同品牌的瀝青：A、B、C、D，其中品牌D中分別取四個生產批次：D-1、D-2、D-3、D-4，測試其常規試驗指標、美國SHRP性能分級指標和重復蠕變試驗，對瀝青的不同高溫性能指標進行分析，進一步研究各個指標之間的相關性。

1 瀝青常規指標測試

對選定的瀝青，按照《瀝青與瀝青混合料試驗規程》對常規性能指標進行測試［2］。瀝青A、B、C分別選用基質、改性瀝青，瀝青D只選用基質瀝青。測試結果如表1、表2所示。

表1 常規指標檢測結果（90號石油瀝青）Table 1 Regular index test results (No. 90 petroleum asphalt)

表2 常規指標檢測結果（SBS改性瀝青）Table 2 Conventional index test results (SBS modified asphalt)

2 動態剪切流變試驗

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

表3 動態剪切流變試驗結果（90號石油瀝青）Table 3 Dynamic shear rheological test results (No. 90 petroleum asphalt)

表4 動態剪切流變試驗結果（SBS改性瀝青）Table 4 Dynamic shear rheological test results (SBS modified asphalt)

在瀝青常規指標檢測中，所選瀝青試驗結果均符合《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40-2004的要求，但在SHRP性能指標檢測中，根據SHRP指標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“瀝青D”，原樣動態剪切高溫均為PG64，但短期老化后“瀝青D-4” 高溫為PG58，當在不同溫度下施加荷載時，該瀝青的溫度敏感性更大，粘度也較小。說明用針入度在規定溫度、荷載和作用時間的條件下分級時，反映的瀝青變形能力有一定的局限性，不能準確反映瀝青的流變特性。

圖1 瀝青粘彈性復數模量的極坐標表達式Fig.1 Polar coordinate expression of viscoelastic complex modulus of asphalt

為了研究軟化點、60 ℃動力粘度等與動態剪切之間的關系，對表3、表4的試驗數據進行回歸分析，如表5所示。從相互之間的相關系數可以看出，基質瀝青 60 ℃動力粘度與原樣瀝青動態剪切流變性、布氏旋轉粘度之間的線性相關性最好，與短期老化后瀝青的動態剪切流變性的線性相關性次之；軟化點與原樣瀝青動態剪切流變性有較好的相關性，但與短期老化后的動態剪切流變性之間基本沒有線性相關性。但 60 ℃動力粘度與軟軟化點之間有較好的線性相關性。

表5 石油瀝青60℃動力粘度、軟化點與動態剪切試驗的相關性Table 5 Asphalt 60 ℃ dynamic viscosity, softening point and the correlation of dynamic shear test

表明 60 ℃動力粘度越大，原樣動態剪切及RTFOT后的動態剪切越大，其抗車轍性能越好，軟化點也較高。所以為了提高瀝青穩定碎石的抗車轍性能，應該選擇60 ℃動力粘度較大的石油瀝青。

改性瀝青的常規指標與動態剪切試驗結果表明，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瀝青。但動態剪切試驗的車轍因子G*/sinδ的問題在于這一指標未能區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］。

而有關研究也表明 DSR試驗中采用的控制應變小于膠結料的真實應變，致使路面混合料的車轍和DSR試驗之間的相關性并不是很好。所以本研究對以上石油瀝青、改性瀝青進行重復蠕變試驗。

3 重復蠕變試驗

重復蠕變試驗采用應力控制的模式，本試驗采用的應力水平為60 Pa，試驗溫度采用60 ℃。每個蠕變周期加載1 s，卸載9 s，重復次數為100次［5］，為了與現場混合料中的瀝青膠結料相近，采用RTFOT后的瀝青試樣。試驗結果如表6所示。

表6 重復蠕變試驗結果Table 6 Repeated creep test results

3.1 數值分析

重復蠕變試驗可以反映膠結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特性，圖2為重復蠕變試驗1個周期后的累計變形曲線圖。

圖2 瀝青蠕變恢復曲線Fig.2 Asphalt creep recovery curve

圖中可以看出兩種瀝青變形趨勢呈現的顯著差別。SBS改性瀝青在卸載后變形產生恢復，一個周期結束后的殘留變形很小，而普通石油瀝青恢復能力較小，殘留變形很大［6］。因此，僅僅用 DSR車轍因子評價SBS改性瀝青時無法較準確的反映出滯后彈性恢復能力，而需要重復蠕變試驗作為補充。

3.2 重復蠕變試驗與混合料動穩定度的關系

為了驗證重復蠕變試驗與混合料車轍之間的關系，進行了動穩定度試驗。混合料采用瀝青穩定碎石ATB-30，級配選用以上研究中所用的級配3。保持級配、油石比不變試驗表明軟化點越高，動穩定度越大［7］，試件相對變形量也減少。從圖3、圖4可以看出，蠕變試驗中的累積應變和SBS改性瀝青的相關性都很好。而蠕變試驗中的粘性成分 Gv與改性瀝青動穩定度存在一定的相關性，在與普通瀝青回歸時相關性較差［8］。

圖3 瀝青膠結料累計應變與混合料動穩定度的關系圖Fig.3 Accumulated strain of asphalt cement and mixture of dynamic stability diagram

圖4 瀝青膠結料Gv與混合料動穩定度的關系圖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特性的不同，高溫評價指標也有所差異。石油瀝青可采用 60 ℃動力粘度和累計應變作為高溫評價指標，且 60 ℃動力粘度在規范中已有明確的規定，推廣較容易。而改性瀝青采用累計應變作為高溫評價指標，與動穩定度具有良好的相關性，該指標評價目的直觀，具有明顯的優點。

4 結 論

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

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

（3）石油瀝青在重復蠕變試驗中，累積應變與動穩定度具有較好的相關性。表明石油瀝青 60 ℃動力粘度越大、累積應變越小，其抗車轍性能越好，軟化點也較高。所以為了提高瀝青穩定碎石的抗車轍性能，應該選擇 60 ℃動力粘度較大、累積應變越小的石油瀝青。

（4）由于動態剪切試驗中車轍因子只能反映瀝青流變行為中的彈性和粘性部分，忽略了可恢復變形的部分，因此在評價改性瀝青高溫性能時有一定誤差。但SBS改性瀝青重復蠕變試驗中累積應變和動穩定度的相關性很好，充分反映了改性瀝青延遲彈性恢復的特性，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，工學碩士，2006年畢業于蘭州交通大學土木工程專業，研究方向：道路橋梁工程施工技術。E-m ail：zhd0719@163.com。