硬質瀝青溫度敏感性與混合料高溫性能研究

黃婉利，何文華，呂衛兵，楊 華

(1.中國石化煉油銷售有限公司，上海 200050，2.中南安全環境技術研究院股份有限公司，武漢 430071;3.恩施土家族苗族自治州公路管理局，恩施 445000)

近些年來，為提高瀝青中、下面層的抗高溫車轍能力，國際上使用的瀝青在向低標號發展。硬質瀝青作為低標號瀝青在法國、日本、美國等國家應用較多[1]。對比國際上氣候條件相當的地區，我國使用的瀝青也在向低標號發展，如我國現在主要使用70號瀝青，甚至在南方部分地區逐步使用50號硬質瀝青，不再像20世紀使用90號甚至110號瀝青。這主要得益于硬質瀝青的溫度敏感性小、高溫穩定性優[2]。

論文通過采用60 ℃粘度、針入度指數PI、車轍因子G*/sinδ評價70號瀝青、50號、30號硬質瀝青的溫度敏感性，同時制備相應的硬質瀝青混合料，測試其高溫穩定性，研究硬質瀝青溫度敏感性指標及其混合料的高溫穩定性。

1 瀝青溫度敏感性指標

1.1 60 ℃粘度

在我國，夏季瀝青路面溫度可達50～70 ℃，采用60 ℃粘度能反映路面在高溫下的實際使用情況。60 ℃粘度測試方法較多，該文采用布洛克菲爾德粘度計法[3]。試驗結果見表1。

表1 硬質瀝青60 ℃粘度

從上述試驗結果可以看出：60 ℃粘度的排序為：30號>50號瀝青>70號瀝青。粘度大的瀝青在荷載作用下產生較小的剪切變形，彈性恢復性能好，殘留的塑性變形小，高溫性能好。

1.2 針入度指數

針入度指數是描述瀝青針入度隨溫度變化而變化快慢的指標，采用三個不同溫度下(通常為15 ℃、25 ℃、30 ℃)的針入度的對數為縱坐標，溫度為橫坐標，線性回歸計算溫度-針入度對數的斜率，再計算針入度指數。斜率越小，由此計算出的針入度指數越大，說明隨著溫度的變化，瀝青的針入度變化較慢，瀝青對溫度變化較不敏感。不同瀝青在各溫度下針入度及針入度指數PI值結果如表2所示。

表2 不同瀝青在各溫度下針入度及針入度指數PI值

從表2數據可知，30號瀝青相較于70號、50號瀝青對溫度變化不敏感，但是50號瀝青卻較70號瀝青對溫度的變化更敏感一些。

1.3 車轍因子

動態剪切流變試驗[4]是在交變應力(或應變)下進行動態試驗，試驗的結果為瀝青的動態剪切模量G*和相位角δ。G*是材料重復剪切變形時總阻力的度量，包括彈性部分和粘性部分；δ是可恢復和不可恢復變形數量的相對指標。其中G*/sinδ表征瀝青材料抵抗永久變形的能力，稱為車轍因子，其值在高溫下越大則瀝青的流動變形愈小，相應混合料的抗車轍能力也愈佳。該文按照《瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T0628的方法[5]進行瀝青流變性質試驗，試驗采用應變控制模式，各瀝青試驗結果見表3。

表3 硬質瀝青車轍因子G*/sin δ試驗結果

從表3可知，在相同溫度下，30號、50號原樣瀝青和老化后殘留瀝青的車轍因子G*/sinδ要高于70號瀝青，車轍因子G*/sinδ的排序為30號瀝青>50號瀝青>70號瀝青。在SHRP瀝青分級的PG標準中，動態剪切流變實驗主要用于評價老化前后的高溫性能。高溫特性根據G*/sinδ超過1.0 kPa(原樣瀝青)和2.2 kPa (經老化后)的臨界溫度將瀝青分成不同的等級。臨界溫度越高，表明該種瀝青能夠抵抗高溫流動變形的溫度越高。實驗結果表明，50號、30號硬質瀝青均屬于PG70瀝青等級，其臨界溫度要高于70號瀝青，抗高溫變形能力明顯大于70號瀝青。

2 混合料高溫穩定性

由于60 ℃粘度、針入度指數PI反映的是瀝青材料的溫度敏感性，車轍因子G*/sinδ在理論層面上表征瀝青材料抵抗車轍性能的能力，但這三個指標均不能直接反映用該瀝青材料制備的混合料的高溫穩定性，而動穩定度可以直接反映瀝青路面在高溫季節抵抗永久變形的指標。因此，很有必要將60 ℃粘度、針入度指數PI、車轍因子G*/sinδ與相應瀝青混合料的高溫穩定性聯系起來分析。

將70號、50號、30號硬質瀝青用于瀝青路面下面層AC-25C，分別采用3.9%、3.9%、4.1%的油石比制備瀝青混合料，級配曲線見圖1，車轍動穩定度試驗結果見表4。

表4 瀝青混合料車轍試驗結果

由表4可以看出，上述瀝青的混合料車轍試驗結果均值大于《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)對夏炎熱地區改性瀝青混合料車轍試驗動穩定度AC-25C不小于1 000次/mm的技術要求。

從動穩定度結果可以看出，采用AC-25C的30號瀝青混合料動穩定度約為50號瀝青混合料的2倍，約為70號瀝青混合料的3倍。對相同級配的瀝青混合料，采用的瀝青標號越低，動穩定度越高，表明硬質瀝青混合料具有良好的高溫穩定性，更適合于我國高溫炎熱的南方地區以及重載交通路段。

3 瀝青溫度敏感性和混合料高溫穩定性相關性分析

將瀝青溫度敏感性和混合料高溫穩定性指標列于表5，并按大小排序。

表5 硬質瀝青溫度敏感性和混合料高溫穩定性指標及大小排序

從表5可以看出，除針入度指數排序出現異常外，其他的瀝青溫度敏感性和混合料高溫穩定性指標排序基本一致，二者的相關性較好。對動穩定度與上述各指標進行線性回歸，如圖2所示。

從圖2看出，瀝青混合料的動穩定度與瀝青溫度敏感性各指標進行回歸，動穩定度與瀝青60 ℃粘度指數相關性最好，達到了0.975 0；其次，動穩定度與70 ℃原樣瀝青的車轍因子指數相關系數達到了0.955 7，而動穩定度與針入度指數相關性為0.581 0，相關性最差。通過上述分析，60 ℃粘度與動穩定度之間的關系密切，表明60 ℃粘度越大的瀝青材料其高溫抗車轍性能就越好。

4 結 論

a.硬質瀝青(50號和30號瀝青)相較于常用的70號瀝青溫度敏感性更小，其瀝青混合料的高溫穩定性更優，更適合于我國高溫炎熱的南方地區。

b.60 ℃粘度、針入度指數PI、車轍因子都能表征硬質瀝青的溫度敏感性，且三者的整體趨勢差別不大。

c.硬質瀝青的60 ℃粘度與瀝青混合料動穩定度相關性最大，可以用硬質瀝青60 ℃粘度定性反映混合料抗高溫車轍能力。

[1] 樊 亮,樊秀芝,李永鎮.硬質瀝青的發展及性能比較[J].石油瀝青,2015,29(1):16-20.

[2] 陳曉瑛.石油瀝青材料的感溫性研究[D]. 西安：長安大學,2006.

[3] 楊建新,梅李貴子,盧 健,等. 瀝青60 ℃動力粘度的試驗方法比較研究[J].石油瀝青,2010,24(1):15-20.

[4] 沈金安.瀝青材料的流變學(一)[J].石油瀝青,1988(4):27-38.

[5] 中華人民共和國行業標準.JTG 052—2011 公路瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2003.