路面用普通瀝青溫度敏感性評價指標選擇與分析

張宏宇

(山西省交通建設工程質量檢測中心(有限公司) 太原市 030032)

瀝青路面用瀝青隨溫度的變化其稠度、勁度、粘性均發生變化，最終表現為路面高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性能、抗疲勞性能的改變，合理選擇瀝青溫度敏感性指標就顯得非常重要[1]。

研究人員對溫度敏感性提出了很多評價方法，如針入度指數[2]、針入度-粘度指數[3]、粘溫指數[4]、等級指數[5]，以上溫度敏感性指標為窄域溫度條件下的針入度、軟化點外延性指標。目前采用的針入度指數，溫度針入度關系簡化為一條線性關系，而溫度繼續外延時，會引起溫度敏感性誤導。同時，三個溫度測試結果的精密度對測試結果的影響非常大，對針入度指數PI的結果也有很大的影響，最終表現為對瀝青的分級有較大影響。另外，回歸計算相關系數大于0.997時，不能成為檢測數據是否可信的依據，所以不能保障針入度指數的可信。對于改性瀝青，由于改性瀝青在細觀上表現為均質體，但在微觀上表現為非均質體共混結構，用傳統的針入度指數不能很好地評價改性瀝青的寬域溫度范圍的溫度敏感性，部分研究人員采用稠度-溫度指數[6]及寬溫度范圍的粘溫指數[7]對瀝青的高低溫感溫性進行評價，但是這些指標在30～60℃的溫度范圍內不能有效地評價溫度敏感性。

普通瀝青在使用過程中，經歷的溫度區間約為-30～160℃,而瀝青在不同狀態下表現為不同的流變性質，所以應在不同的溫度區間選擇瀝青溫度敏感性評價指標，這樣才能合理地反映瀝青相應階段的性能。因此，本文選用6種普通瀝青，對瀝青使用溫度范圍內溫度敏感性的評價方法進行研究，提出合理的評價方法。

1 試驗

1.1 原材料

選用殼牌70號A級普通瀝青、殼牌90號A級普通瀝青、中海361 70號A級普通瀝青、中海361 90號A級普通瀝青、克拉瑪依70號A級普通瀝青、克拉瑪依90號A級普通瀝青。以上瀝青的三大指標試驗結果見表1。

表1 三大指標試驗結果

1.2 試驗方法

對低溫區域-30～0℃、中溫區0～70℃、高溫區70～160℃進行不同瀝青的溫度敏感性分析，提出合理評價指標。

低溫區-30～0℃，采用彎曲梁流變儀(BBR)測定6種瀝青的蠕變勁度模量S、蠕變應變速率m值，試驗溫度為-12～-27℃，間隔3℃。試驗方法采用AASHTO T313試驗。為了評價瀝青的原有流變性能，采用未短期、長期老化的瀝青進行試驗。

中溫區0～70℃，采用動態剪切流變儀(DSR)測定6種瀝青的G*(復數模量)、σ(相位角)，試驗所選溫度7～64℃，間隔6℃，試驗方法見 AASHTO T315。

高溫區70～160℃，采用布氏旋轉粘度計測定6種瀝青的旋轉粘度，試驗溫度為80～150℃，間隔10℃，試驗方法ASTM D4402-2006。

2 試驗結果與分析

2.1 瀝青低溫敏感性

目前常規試驗方法中，對瀝青低溫敏感性評價尚無明確的指標，常采用針入度指數推斷瀝青的低溫敏感性，而針入度指數是在15～30℃的范圍內測試計算所得，對低于其很多的低溫范圍溫度敏感性預測將會出現過大的誤差，對低溫范圍無法進行準確的評價。SHRP中的低溫彎曲流變儀為我們提供了良好的解決方案，從瀝青路面開裂的作用機理來看，瀝青低溫抵抗變形能力的高低是影響路面低溫開裂的主要因素。隨瀝青溫度的逐步降低，瀝青的勁度模量逐漸增加，但其內部產生的應力會通過瀝青的粘彈特性得到釋放，釋放后應力得到消解。瀝青在低溫情況下，是否會開裂與瀝青在低溫條件下勁度、應力是否會釋放、應力釋放速度有關，低的勁度模量和高的應力釋放速度對抗低溫開裂是有利的[8-9]，本文與其觀點是一致的。采用彎曲梁流變儀測試瀝青的蠕變勁度模量S、蠕變應變速率m，表征瀝青的感溫性能。對6種瀝青試驗回歸蠕變勁度、蠕變速率與溫度的關系，回歸線性關系見式(1)、式(2)。

對6種瀝青的蠕變勁度模量S、蠕變應變速率m值與溫度回歸分析表明，存在以下關系：

LgS=A·T+C

(1)

m=B·T+D

(2)

式(1)、式(2)中A和C分別為蠕變勁度模量與溫度的回歸系數，B和D分別為蠕變應變速率與溫度的回歸系數。

A、B可用于表征該溫度區域的感溫性能，A值越大，蠕變勁度模量隨溫度變化就越大,該瀝青低溫敏感性越大；B值越大，該瀝青低溫敏感性越大。

表2 各瀝青的回歸系數A值、B值及相關系數

從表2可知，蠕變勁度模量S、蠕變應變速率m值與溫度有非常高的相關性，但采用蠕變勁度模量S、蠕變應變速率m值用于評價瀝青的感溫性能時，出現排序不一致的現象，但勁度模量系數A值的絕對值遠大于m值系數B值，且A值相對B值區分度高、差別顯著，表明溫度對勁度模量的影響大于對m值的影響。所以，在-30℃～0℃低溫區域，選擇勁度模量系數A值表征瀝青的溫度敏感性較為合理，此時定義勁度模量系數A為評價瀝青低溫敏感性的低溫模量指數。

2.2 瀝青中溫敏感性

采用動態剪切流變儀(DSR)評價瀝青的中溫敏感性能，此設備采用交變應力作用下動態扭轉力，把瀝青性能中的粘性性能及彈性性能分解開來，同時采用扭動頻率代替靜態蠕變等試驗過程中的時間變量，使瀝青的高溫性能評價更為準確。試驗時，采用復數模量G*、相位角表征，存儲模量G′和損耗模量G″復合形成復數模量G*，其中存儲模量G′表征瀝青的彈性成分性能，損耗模量G″表征瀝青的粘性成分性能。

復數模量 G*、存儲模量G′、損耗模量G″以及車轍因子G*/sinσ均反映了瀝青材料隨溫度變化的敏感性能。對6種瀝青進行動態剪切流變試驗和回歸分析，其測試結果均較好地符合式(3)的關系。

lgX=E·T+F

(3)

式中: X表示G*、G′、G″、G*/sinσ中任意一個，T為溫度，E、F為回歸系數。

LgX與溫度T呈直線關系，其斜率反映了每個參數隨溫度的變化規律，可用來表征瀝青在中溫區間的溫度敏感性，定義E值作為瀝青的中溫模量指數，E值越大，以上幾種模量隨溫度變化越大，表明該瀝青的感溫性能越大。以式(3)為回歸模型，對6種瀝青的復數模量G*、存儲模量G′、損耗模量G″以及車轍因子G*/sinσ進行回歸，計算其中溫模量指數E，結果見表3及圖1。

表3 瀝青不同模量、車轍因子與溫度的斜率關系

圖1 不同瀝青模量、車轍因子與溫度的斜率關系

從表3可知，采用以上評價參數除“克拉瑪依90”和“中海70”兩個瀝青順序不一致外，其它瀝青順序均一致，表明采用復數模量、存儲模量、損耗模量、車轍因子用于瀝青溫度敏感性評價均較為可靠。同時從圖1可知，用于評價瀝青彈性性能的存儲模量溫感系數明顯高于其他溫感系數，且對溫度的變化存儲模量溫感系數變化更為明顯，區分度更高，表明存儲模量溫感系數相對其它溫感系數更敏感，可作為瀝青中溫性能評價的中溫模量指數。另外，每種瀝青中，存儲模量溫感系數最大，損耗模量溫感系數最小，表明溫度對瀝青的彈性部分影響最大，而對瀝青的粘性部分影響最小。

2.3 瀝青高溫敏感性

高溫階段70～160℃，此階段的溫度主要用于反映施工階段的瀝青粘度變化，但普通瀝青在160℃以上已為牛頓流體，所以本試驗主要用于160℃以下試驗。選擇布洛克菲爾德粘度計測試6種瀝青的高溫粘度,同時采用Walther與Saal粘溫曲線關系,回歸布氏粘度與開爾文溫度的關系，見式(4)，用粘溫曲線斜率n表征瀝青的高溫敏感性能。n值越大，瀝青的布氏粘度隨溫度的變化則越大。

lglg(η×103)=m-n×lgT

(4)

式(4)中:η為粘度(Pa·s), T為開爾文溫度。

圖2 不同瀝青粘溫曲線斜率柱狀圖

通過對測試粘度數據回歸，相關系數均在0.99以上，相關性均很高。從粘溫曲線斜率n可以看出，殼牌70號普通瀝青的感溫性最高，克拉瑪依90號普通瀝青感溫性最弱，且采用粘溫曲線斜率n可明顯地區分不同瀝青在高溫區的溫度敏感性，所以采用粘溫曲線斜率n可用于表征高溫區不同瀝青的高溫敏感性能。

3 結論

通過對不同瀝青低溫區、中溫區、高溫區瀝青溫度敏感性能評價指標的分析，分別提出了各個溫度區域敏感性強、區分度高的評價標準，可實現寬域溫度范圍內評價瀝青的敏感性能，具有較高的使用價值。

(1)在-30～0℃低溫區，選擇低溫模量指數，即勁度模量與溫度回歸系數A值，表征瀝青的溫度敏感性較為合理。

(2)在0～70℃中溫區，復數模量、存儲模量、損失模量、車轍因子中，中溫模量指數E，即存儲模量對數值與溫度回歸系數E，用于表征瀝青的中溫溫度敏感性能更為顯著。所以，選擇中溫模量指數E作為瀝青中溫區溫度敏感性評價指標較為合理。

(3)在70～160℃高溫區，粘溫曲線斜率n用于瀝青溫度敏感性評價時，區分度高。所以，粘溫曲線斜率n用于表征高溫區瀝青的高溫敏感性能較為合理。

(4)以上評價指標的提出，為確定不同溫度區間溫度敏感性控制標準奠定了基礎，也為延伸到改性瀝青、長短期老化后瀝青的溫度敏感性控制提供了方向。