瀝青高溫性能指標和混合料貫入強度相關性分析

劉黎萍， 張曉英

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

瀝青在瀝青混合料抵抗高溫變形中起重要作用。根據美國公路戰略研究計劃(strategic highway research program，簡稱為SHRP)，瀝青的性能提供了40%的抗車轍能力，因此，良好的瀝青高溫穩定性是改善瀝青路面高溫穩定性的關鍵。目前，評價瀝青的指標很多，在中國《公路瀝青路面施工技術規范(JTGF40-2004)》[1]的瀝青技術要求中，表征瀝青高溫性能的指標有實測軟化點TR&B和針入度指數PI等，中國“八五”研究中建議了當量軟化點T800的使用[2]；中國的瀝青試驗規范[3]也引入了美國高溫分級(peformance grade，簡稱為PG)指標車轍因子G*/sinδ的試驗方法。此外，還有美國提出的粘性蠕變勁度Gv[4]和不可恢復柔量Jnr[5]以及歐洲比較重視的零剪切粘度ZSV[6]等指標。這些指標的試驗方法和指標的含義各不相同，哪種指標能直接反映瀝青的高溫路用性能，作為評價瀝青結合料的高溫性能目前尚沒有統一的定論。

本研究選用6種不同標號的瀝青，包括4種基質瀝青和2種改性瀝青，采用不同的試驗方法和指標進行瀝青高溫性能評價，研究各項高溫指標與瀝青混合料單軸貫入試驗獲得的貫入強度之間的關系。根據瀝青指標與混合料性能的聯系密切程度，確定合適的瀝青高溫性能指標。

1 不同方法瀝青高溫性能評價

1.1 瀝青材料

選用中石化基質瀝青(30#,50#,70#和90#)、SBS改性瀝青及橡膠粉改性瀝青6種瀝青。各試驗瀝青的基本性能見表1。

表1 試驗瀝青的基本性能Table 1 Test results of the asphalts

1.2 瀝青高溫性能評價試驗方法與指標

瀝青高溫指標包括《公路瀝青路面施工技術規范(JTGF40-2004)》[1]要求的實測軟化點TR&B和“八五”研究提出的當量軟化點T800；PG的高溫性能分級指標車轍因子G*/sinδ，并采用等抗車轍因子臨界溫度TG*/sin δ和改進車轍因子G*/sin9δ等改進指標；美國的PG+規范中的新試驗方法及相應指標，包括重復蠕變恢復(repeated creep recovery，簡稱為RCR)試驗的粘性蠕變勁度Gv，多級應力蠕變恢復(muti-stress creep and recovery,簡稱為MSCR)試驗的不可恢復蠕變柔量Jnr和恢復率R，以及歐洲重視使用的零剪切粘度ZSV。

1) 軟化點TR&B和當量軟化點T800。軟化點是普遍使用的瀝青高溫性能指標之一，采用“環球法”測得，試驗方法簡單，數值表達直觀。但中國的瀝青多屬于多蠟瀝青，往往會出現實測軟化點高于實際軟化點的假象。中國“八五”研究提出采用當量軟化點代替實測軟化點，當量軟化點T800是基于等粘溫度原則提出的，定義為針入度為800(0.1 mm)時的溫度，既能發揮軟化點表征高溫性能的功能，又能克服瀝青含蠟量的影響。

2) 基于動態剪切流變(dynamic shear rheometer，簡稱為DSR)試驗的指標。PG以車轍因子G*/sinδ作為反映瀝青混合料高溫抗車轍性能的指標[7]，DSR試驗儀器的精度高、科學性強，其結果可信度高。但研究[8]表明：車轍因子G*/sinδ與瀝青路面抗車轍性能的關聯性小。PG釆用6 ℃為一個高溫等級量度，通常認為等級高的瀝青高溫性能優于等級低的，而同等級的不同瀝青比較時，則認為車轍因子G*/sinδ大者性能更好，但考慮不同瀝青的感溫性不同，這種比較不能真正地區分瀝青性能的優、劣。等抗車轍因子臨界溫度TG*/sin δ(即車轍因子G*/sinδ達到規范值時所對應的溫度，由G*/sinδ與溫度回歸曲線計算得出)可以解決不同瀝青高溫性能比較的問題。改進車轍因子G*/sin9δ是Shenoy[9]等人針對車轍因子評價改性瀝青效果不佳的局限性，基于應變響應分析對車轍因子G*/sinδ提出的改進指標。該指標考慮了瀝青的延遲彈性，以不可恢復變形表征瀝青的高溫性能。

3) 粘性蠕變勁度Gv。美國國家合作公路研究計劃(National Cooperative Highway Research Program，簡稱為NCHRP)中指出，采用RCR試驗來評價瀝青的高溫性能[4]，使用粘性蠕變勁度Gv作為新的評價指標。重復蠕變恢復過程以10 s為一個周期，包含1 s加載蠕變和9 s的卸載恢復。與DSR試驗相比，RCR試驗的加載模式更接近實際的交通荷載；該試驗能夠將粘性恒定流動造成的實際永久變形的耗散能與延遲粘彈性應變響應的阻尼進行分離，從而更好地反映改性瀝青的非線性粘彈性響應[4]。本試驗采用30 Pa的應力水平，蠕變恢復循環100次，以第50,51次蠕變加載的數據進行Burgers模型擬合，計算粘性蠕變勁度。

4) 不可恢復蠕變柔量Jnr。美國聯邦公路局D’Angelo[5]等人在RCR試驗的基礎上提出了更簡單、快速的MSCR試驗方法，并以不可恢復蠕變柔量Jnr和蠕變恢復率R及相應的應力敏感性作為瀝青結合料高溫性能的評價指標。研究[9]表明：不可恢復蠕變柔量與美國聯邦公路管理局(Federal Highway Administration，簡稱為FHWA)的路面快速加載試驗機(acceierated loading facility，簡稱為ALF)的車轍深度存在良好的相關性，其關聯性明顯高于車轍因子的。本試驗采用0.1 kPa和3.2 kPa 2種應力水平進行連續測試，每個水平進行10個周期的蠕變恢復，以3.2 kPa應力水平下的不可恢復蠕變柔量作為評價指標。

5) 零剪切粘度ZSV。瀝青材料在大多路面溫度環境下屬于假塑性非牛頓流體，剪切速率接近于零時，流體變形達到穩定狀態，其粘度趨近于最大值，即為零剪切粘度ZSV，它引起的不可恢復變形與車轍相關。歐洲及其他許多國家都非常重視這個指標，并提出用零剪切粘度評價改性瀝青的高溫性能[6]。本試驗采用0.01～100 Hz的粘度頻率進行掃描。采用Carreau模型，對不同剪切速率的粘度進行非線性擬合，計算零剪切粘度。

1.3 試驗結果

流變試驗采用TA的AR1500型號DSR流變儀進行，試驗在64 ℃的溫度中進行，試驗樣品為原樣和RTFOT短期老化后瀝青。6種瀝青的各項高溫指標試驗結果見表2,3。

表2 原樣瀝青各高溫指標測試結果Table 2 High-temperature performance tests results

表3 RTFOT后瀝青各高溫指標測試結果Table 3 High-temperature performance tests results after RTFOT

從表2，3中可以看出，不同的瀝青高溫指標對瀝青的評價結果存在矛盾，例如：原樣SBS瀝青的實測軟化點最高，但當量軟化點低于30#基質瀝青和橡膠粉改性瀝青的；原樣30#基質瀝青的64 ℃的車轍因子高于橡膠粉改性瀝青的，但其臨界溫度低于橡膠粉改性瀝青的。表明：兩者具有不同的感溫性。此外，在RTFOT短期老化后，各瀝青不同指標的排序也發生了一定的變化，如：原樣SBS瀝青的粘性蠕變勁度高于橡膠粉改性瀝青的；而RTFOT后，原樣SBS的粘性蠕變勁度卻低于橡膠粉改性瀝青的。因此，需要結合瀝青混合料的高溫穩定性做進一步分析，以準確評價瀝青高溫性能的指標。

2 瀝青混合料高溫單軸貫入強度評價

2.1 材料與方法

瀝青混合料的集料均采用石灰巖，填料采用石灰巖礦粉。級配選擇密級配瀝青混合料AC-20。采用增大壓實功、降低空隙率的設計原則，以空隙率3%對應的油量為最佳油量，得到不同瀝青在不同壓實功下的最佳油石比，最終得到旋轉次數為100次的試件相關體積參數，見表4。

表4 混合料體積參數Table 4 Volumeteric parameter of asphalt mixtures

瀝青高溫性能的優、劣是通過混合料路用性能來體現的，因此，瀝青高溫性能指標的有效性有必要依據混合料高溫抗車轍性能評價指標來評價，不同指標與混合料性能的相關性能反映該指標對混合料性能的關聯程度。目前，檢驗混合料高溫抗車轍性能的方法有動穩定度試驗、漢堡車轍試驗及單軸貫入試驗等。車轍變形主要是路面剪切變形的結果，車轍的大小與路面材料的抗剪強度和路面結構承受的剪應力有關。孫立軍[10]等人提出使用單軸貫入試驗測試混合料的抗剪強度，可以有效地評價瀝青混合料的抗剪性能，作為瀝青混合料車轍性能的評價指標。單軸貫入試驗具有操作簡單、數據離散性小等優點，逐漸受到道路工作者的歡迎，并納入中國《公路瀝青路面設計規范(JTG D50-2017)》[11]。本試驗采用單軸貫入試驗進行混合料車轍性能評價，比較其與瀝青混合料抗剪強度相關性的大小，評價瀝青高溫指標的優、劣。試驗程序遵循《公路瀝青路面設計規范(JTG D50-2017)》[11]。

試驗試件采用SGC旋轉壓實儀進行試件成型，試件直徑為150 mm。將試件置于環境箱中，在(64±0.5) ℃下保溫5 h。試驗加載設備采用萬能材料試驗機。

2.2 試驗結果

試驗測得的各種瀝青對應的混合料貫入強度見表5。其中，2種改性瀝青和30#基質瀝青的混合料貫入強度比較高，而90#基質瀝青的混合料貫入強度最低。

表5 瀝青混合料單軸貫入強度Table 5 Shear resistance of asphalt mixtures

3 相關性分析

軟化點、車轍因子、改進車轍因子、粘性蠕變勁度、不可恢復柔量及零剪切粘度都可以用于評價瀝青的高溫性能，對短期老化前、后的各項指標與混合料貫入強度進行了相關性分析，其結果如圖1所示。

從圖1中可以看出，在短期老化前、后，不可恢復柔量與混合料貫入強度的相關系數在所有指標中均為最高，等抗車轍因子臨界溫度次之；而在短期老化前、后，其他指標相關系數的大小排序發生了一定的變化。MSCR試驗本身加載模式與實際交通荷載接近，可以將延遲彈性變形從永久變形中分離，更有效地反映改性瀝青的彈性特點。不可恢復柔量指標表現出與貫入強度具有良好的相關性，而軋制薄膜烘箱試驗(rolling thin film oven test，簡稱為RTFOT)后不可恢復柔量的相關系數比原樣的要高，因此，使用RTFOT后，不可恢復柔量可以作為評價瀝青高溫性能指標。

不可恢復柔量和粘性蠕變勁度的倒數本質上屬于同一個參數，即材料蠕變柔量中的粘性(不可恢復)部分，二者的區別只在于試驗的應力水平與程序和計算方法。粘性蠕變勁度與貫入強度的相關性略低于不可恢復柔量的，且RCR試驗耗時長，指標擬合計算復雜。相比之下，MSCR試驗方法更為簡便合理。

原樣瀝青的車轍因子與貫入強度的相關系數最低，之后是其實測軟化點、當量軟化點和零剪切粘度與貫入強度的相關系數相對較低；RTFOT瀝青的零剪切粘度與貫入強度的相關系數最低，之后是其當量軟化點、車轍因子和實測軟化點與貫入強度的相關系數相對較低。

DSR試驗本身的荷載模式與實際瀝青路面所受的荷載作用模式的差異較大，不能真實反映瀝青的應變響應；DSR試驗基于瀝青的線粘彈性，但改性瀝青往往在較低溫度時不符合，因此，車轍因子不能表征延遲的彈性變形和瀝青的恢復能力，有效表征改性瀝青的粘彈流變特性[4]。而改進車轍因子與貫入強度的相關系數比車轍因子與貫入強度的相關系數高。表明：該改進提高了與路用性能的關聯性。

圖1 各瀝青高溫指標與混合料貫入強度線性回歸分析Fig. 1 The correlation between high-temperature indicators and shear resistance

實測軟化點和當量軟化點均為經驗性指標，力學概念不明確，表征的路用性能復雜，但是在瀝青使用過程中的抗車轍路用性能要求缺乏相關性。零剪切粘度是通過流變模型擬合得到的，不同方法得到的數值會有明顯的差異。因此，這些指標不能非常準確地評價瀝青的高溫穩定性。MSCR試驗方法簡便，荷載模式與實際接近，測得RTFOT后的不可恢復柔量與混合料貫入強度的相關性最高。建議將MSCR試驗方法作為評價瀝青高溫性能的試驗方法，將不可恢復柔量作為評價瀝青高溫性能的指標。

4 結論

1) MSCR試驗得到的短期老化前、后64 ℃的不可恢復柔量與混合料貫入強度的相關性普遍高于其他指標，RTFOT后不可恢復柔量的相關系數最高，且該試驗方法的加載模式與實際路面交通荷載接近，可以實現粘彈分離，因此，RTFOT后不可恢復柔量可以作為推薦使用的瀝青高溫性能指標，有效評價瀝青與路用性能相關的高溫性能。

2) 改進車轍因子與貫入強度的相關性比車轍因子的高，表明：該改進車轍因子提高了與路用性能的聯系。實測軟化點、當量軟化點、車轍因子及零剪切粘度等指標與貫入強度相關性相對較差，結合其自身的一定局限性，若將它們作為瀝青高溫性能評價指標，會遜于不可恢復柔量。

3) 由于試驗條件所限，本研究選用的瀝青種類有限，且只采用一種混合料級配類型，該試驗結果有待使用更多瀝青及混合料級配種類做進一步驗證。