生物瀝青、巖瀝青及復合改性瀝青常規性能與流變性能的相關性

曾夢瀾　夏穎林　祝文強　周杰

摘? ?要：為探討生物瀝青改性瀝青和巖瀝青改性瀝青及其復合改性瀝青常規性能和流變性能的相關性，對不同摻量的3種改性瀝青進行常規使用性能和流變性能試驗，并從高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍和感溫性能等方面進行相關性分析. 試驗結果與分析表明：3種改性瀝青的軟化點和當量軟化點之間相關性較好，且當量軟化點與高溫連續分級溫度呈顯著線性相關;生物瀝青改性瀝青的當量脆點與低溫連續分級溫度呈線性相關，另外兩種改性瀝青則為復雜拋物線關系，應結合兩種性能指標綜合評價瀝青低溫性能;3種改性瀝青的當量軟化點與當量脆點之差和高低溫連續分級溫度之差之間呈顯著線性相關，對瀝青可使用溫度范圍的評價具有一致性;3種改性瀝青的針入度指數和復數模量指數之間相關性較好，對感溫性能的評價具有一致性. 可以通過常規性能指標來合理預估流變性能.

關鍵詞：生物瀝青;巖瀝青;使用性能;相關性

中圖分類號：U416.217? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Correlation between Conventional Performance and Rheological

Performance of Bio-asphalt， Rock Asphalt and Composite Modified Asphalt

ZENG Menglan，XIA Yinglin，ZHU Wenqiang，ZHOU Jie

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：In order to explore the correlation of the evaluation index between the conventional and rheological performance of bio-asphalt modified asphalt， rock asphalt modifier asphalt and its composite modified asphalt binder， the conventional and rheological properties of three kinds of modified asphalts were tested. The correlation analysis was conducted from the aspects of high temperature property， low temperature property， service temperature range and temperature susceptibility. The test results and analyses indicate that the correlation between the softening point and the equivalent softening point of the three kinds of modified asphalt is conspicuous， and the equivalent softening point has a significant linear correlation with the high continuous grading temperature. The linear correlativity between the bio-asphalt modified asphalt's equivalent breaking point and low continuous grading temperature of bio-asphalt modified asphalt is prominent， while the other two kinds of modified asphalts show complex parabola relation. It is necessary to evaluate the low temperature performance of asphalt comprehensively by combining these two indexes. The difference between the equivalent softening point and equivalent breaking point has a significant linear correlation with that between high continuous grading temperature minus and low continuous grading temperature， and the evaluation of service temperature range of asphalt is consistent. The correlation between penetration index and complex modulus index of three kinds of modified asphalts is noteworthy， and the evaluation of temperature susceptibility performance is consistent. The rheological performance can be estimated reasonably through the conventional performance index.

Key words： bio-asphalt;rock asphalt;performance;correlation

在我國瀝青路面的發展進程中，通過不斷自我摸索和吸收借鑒國外性能分級標準，形成了以針入度為分級標準的評價體系，并綜合考慮了道路實際工作中氣候分區情況和瀝青對溫度的敏感程度[1]. 然而，作為經驗型評價體系，存在以下缺陷：1）未考慮長期老化，試驗溫度區間狹窄，與實際道路工作環境不符;2）試驗結果離散性較大，精度不高;3）同一針入度等級的瀝青在使用性能方面可能存在巨大差異;4）大部分經驗指標物理意義模糊，難以與瀝青具體使用性能明確相關[2-4]. 另一方面，基于瀝青流變性能提出的PG（Performance Grade）性能分級體系則具有切合瀝青實際工作環境、精度高、各指標與使用性能直接相關的優點，但試驗儀器價格高，實際推廣難度較大.

瀝青的常規性能與流變性能均為材料性能，二者之間應存在某一聯系. 若可用瀝青常規性能來預估流變性能，則能在節省大量人力物力的同時，通過結合兩種指標提升瀝青評價的準確性. 但瀝青為粘彈性材料，流變性能相當復雜，其變形兼有彈性體瞬時響應的可恢復變形和粘性流體耗散能量的永久變形[5]. 此外，受瀝青品種、制備工藝、內部結構等多種因素影響，難以建立完全統一的常規性能與流變性能的相關性.

生物瀝青為新型綠色可再生材料，具有來源廣泛、原材料儲備豐富、環保可再生和價格低廉等顯著優勢. 采用其替代石油瀝青能緩解石油資源逐步枯竭的趨勢，同時降低道路成本，但摻入過量的生物瀝青會顯著降低瀝青高溫性能[6].如何推廣使用生物瀝青受到越來越多國內外學者的關注. 巖瀝青為天然瀝青，常作為改性劑摻入基質瀝青中，改性技術較為成熟，能顯著提高瀝青高溫性能、水穩性能和抗老化性能，國內外均已有研究應用[7]. 在生物瀝青改性瀝青中摻入巖瀝青能提升瀝青高溫性能，降低生物瀝青的不利影響，從而大幅提高生物瀝青摻量.

本研究通過對給定的生物瀝青、巖瀝青及復合改性瀝青進行常規使用性能試驗和流變性能試驗，從高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍和感溫性能等方面綜合探討了3種改性瀝青的常規使用性能指標和流變性能指標的相關性，為建立瀝青常規性能與流變性能統一關系提供參考依據，并為應用生物瀝青、巖瀝青及復合改性瀝青奠定基礎.

1? ?試驗材料

1.1? ?原材料

本研究中生物瀝青為蓖麻油生物瀝青，由蓖麻子提煉蓖麻油后剩余腳料加工而成，在常溫下呈固態，色澤暗淡，外觀與普通瀝青相似. 巖瀝青為產于歐洲巴爾干半島的天然巖瀝青，經破碎處理后呈黑色顆粒狀. 生物瀝青和巖瀝青的技術指標分別見表1和表2.

其中，生物瀝青改性瀝青采用50號基質瀝青，巖瀝青改性瀝青和復合改性瀝青采用70號基質瀝青. 兩種基質瀝青的技術標準[8]見表3.

1.2? ?改性瀝青的制備

將一定比例的生物瀝青直接摻入到50號基質瀝青中，在105 ℃條件下以1 500 r/min轉速攪拌均勻后，即可制得生物瀝青占瀝青總量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%的生物瀝青改性瀝青. 將巖瀝青與70號基質瀝青按比例混合并在烘箱中發育一段時間后，在150～160 ℃條件下以3 000 r/min轉速剪切均勻后，即可制得巖瀝青占瀝青總量分別為0%、5%、10%、15%、20%和25%的巖瀝青改性瀝青. 復合改性瀝青則是先將巖瀝青摻入到70號基質瀝青中，在160 ℃條件下攪拌均勻并剪切發育后，再摻入生物瀝青在145 ℃的條件下以1 500 r/min轉速剪切均勻后制得.

針入度作為我國現行規范中瀝青性能評價的核心指標，可以直觀反映瀝青粘稠度的大小[9]，故通過保證不同摻量的復合改性瀝青25 ℃針入度基本一致，即復合改性瀝青標號不變，從而確定復合改性劑摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%和50%的復合改性瀝青中生物瀝青和巖瀝青各自所占比例. 摻配比例見表4.

另外，按與改性瀝青相同的制備工序對基質瀝青進行處理，獲得對比用零摻量試樣.

2? ?實驗室試驗與性能指標

2.1? ?改性瀝青的性能試驗

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，分別進行瀝青針入度、軟化點、彎曲蠕變勁度和流變性質試驗[8]. 按照試驗規程T0604—2011進行針入度試驗;按照試驗規程T0606—2011進行軟化點試驗;按照試驗規程T06027—2011進行彎曲蠕變勁度試驗;按照試驗規程T06028—2011進行流變性質試驗.

2.2? ?常規性能指標

由于我國瀝青蠟含量普遍偏高，軟化點難以準確評價瀝青高溫性能，故采用當量軟化點T800和當量脆點T1.2作為常規性能指標. T800為針入度外延至800（0.1 mm）時所對應的溫度，T1.2則為針入度外延至1.2（0.1 mm）時所對應的溫度.

另外，根據不同溫度下瀝青的針入度值，按式（1）和式（2）回歸計算得到PI值.

式中：T為針入度試驗溫度，℃;lgP為針入度的對數;K為回歸方程常數項a;Alg Pen為回歸方程常數

項b.

2.3? ?流變性能指標

基于瀝青流變性能提出的瀝青PG性能分級體系以高溫連續分級溫度HT和低溫連續分級溫度LT來直觀反映瀝青在道路合理服務的溫度上限值和下限值[10-11]. 其中，按式（3）計算RTFO老化前后瀝青的車轍因子G*/sin δ所對應的分級溫度，取溫度較低值作為HT;按式（3）和式（4）分別計算在低溫彎曲梁流變試驗中，PAV老化后瀝青的蠕變勁度S和勁度變化率m值各自對應的分級溫度，取溫度較高值作為LT[12-13].

式中：TC為連續分級溫度，℃;T1、T2為試驗溫度，且T2比T1高6 ℃;PS，原狀瀝青PS = 1.0，RTFO老化瀝青PS = 2.2，S對應的PS = 300，m對應的PS = 0.3;P1、P2分別為試驗溫度T1、T2所對應的不同指標值.

3? ?試驗結果分析

3.1? ?高溫性能相關性分析

軟化點和當量軟化點T800是我國瀝青高溫性能評價的重要指標. 對3種改性瀝青的軟化點與T800分別進行相關性分析，如圖1所示. 生物瀝青改性瀝青和巖瀝青改性瀝青的軟化點與當量軟化點均呈明顯的正相關，線性相關系數R2分別達到了0.993 9和0.982 6. 復合改性瀝青的相關性相對較低，相關系數R2為0.759 2，這主要是由于復合改性劑的摻量較大，軟化點的增長速度略大于T800的增長速度，軟化點和T800準確度不夠，不適用于高摻量的改性瀝青.

通常軟化點越高的瀝青，當量軟化點和PG高溫連續分級溫度也越高，高溫性能越好. 對3種改性瀝青的當量軟化點T800和PG高溫連續分級溫度HT進行相關性分析，如圖2所示. 3種改性瀝青的HT均隨著T800的增大而有不同幅度的提升，生物瀝青、巖瀝青和復合改性瀝青的T800與HT的相關系數R2分別高達0.995 1、0.987 6和0.960 7，這表明3種改性瀝青的常規試驗指標T800與流變性能指標HT呈顯著線性相關. 另外，軟化點與T800也具有一定的相關性，表明軟化點、T800和HT對3種改性瀝青高溫性能的評價基本一致，可以通過軟化點和T800來合理預估PG高溫連續分級溫度HT.

3.2? ?低溫性能相關性分析

我國目前通常采用延度指標并結合當量脆點T1.2對瀝青的低溫性能進行分析. 由于生物瀝青和巖瀝青均含較多雜質，在瀝青拉伸過程中易造成應力集中，影響延度試驗結果[14-15]，故本研究采用當量脆點T1.2與PG低溫連續分級溫度LT進行相關性分析. 當量脆點T1.2和LT的相關性分析見圖3.

由圖3可知，隨著當量脆點T1.2的增大，生物瀝青改性瀝青和巖瀝青改性瀝青的PG低溫連續分級溫度LT均有不同幅度的增大，復合改性瀝青則呈先減小后增大的趨勢. 其中，生物瀝青改性瀝青的T1.2與LT之間呈線性相關，相關系數R2為0.981 6，巖瀝青改性瀝青和復合改性瀝青的T1.2與LT則呈二次相關，相關系數R2分別為0.992和0.974 1. 表明T1.2和LT對生物瀝青改性瀝青低溫性能的評價具有一致性，可以通過當量脆點T1.2來預估生物瀝青改性瀝青的PG低溫連續分級溫度LT. 而巖瀝青改性瀝青的T1.2變化速度大于LT的變化速度，復合改性瀝青的T1.2與LT則為更復雜的拋物線關系，難以建立統一的線性模型. 對巖瀝青改性瀝青和復合改性瀝青的低溫性能，應結合常規性能和流變性能指標，并參考瀝青混合料相關試驗結果來綜合評價.

3.3? ?可使用溫度范圍相關性分析

瀝青當量軟化點T800與當量脆點T1.2之差T800-T1.2與PG高低溫連續分級溫度之差HT-LT類似，均表示瀝青的可使用溫度范圍，即實際道路中瀝青能正常工作的溫度的上下限差值. 對3種改性瀝青的溫差T800-T1.2與HT-LT進行相關性分析，結果如圖4所示. 由圖4可知，3種改性瀝青的溫差T800-

T1.2與HT-LT呈正相關，溫差HT-LT隨著T800-T1.2的增大而增大. 生物瀝青、巖瀝青和復合改性瀝青的溫差T800-T1.2與HT-LT擬合后的線性相關系數R2分別高達0.976 1、0.977 7和0.978 9. 表明盡管3種改性瀝青的T1.2與LT的相關性較復雜，但常規指標溫差T800 - T1.2與流變指標溫差HT-LT相關性顯著，均為線性相關模型，二者在表征瀝青可使用溫度范圍上基本一致.

3.4? ?感溫性能相關性分析

我國現行規范中采用針入度指數PI值作為瀝青溫度敏感程度的評價指標，但PI值易受針入度試驗精度的影響，且對有較寬使用溫度范圍的改性瀝青則準確度不夠. PG性能分級評價體系則采用復數剪切模量指數GTS值[16]，GTS值按式（5）由復數剪切模量G*與溫度相關性計算得到.

式中：G*為復數剪切模量，Pa;T為試驗溫度（絕對溫度），K;C為常數;GTS為復數模量指數.

復數剪切模量G*精度高，是瀝青材料內在力學性質的定量指標，因而得到的GTS值精確，更能合理評價改性瀝青的感溫性能. 通常PI值越大的瀝青，GTS值也越大，感溫性能越好. 對PI值和GTS值進行相關性分析，結果見圖5.

由圖5可知，3種改性瀝青的PI值和GTS值呈正相關，GTS值隨著PI值的增大而增大. 生物瀝青改性瀝青和復合改性瀝青的PI值和GTS值為線性相關，相關系數R2分別為0.980 5和0.972 2，巖瀝青改性瀝青則呈二次相關，PI值增大速度略大于GTS值增大速度，相關系數R2為0.939 9. 表明瀝青常規試驗指標PI值和流變性能指標GTS值對3種改性瀝青感溫性能的評價具有一致性.

4? ?結? ?論

本研究分別以生物瀝青、巖瀝青及其復合改性瀝青作為改性劑，制備了不同摻量的3種改性瀝青. 采用不同試驗評價體系測試了高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍和感溫性能，分析確立了3種改性瀝青的常規性能與流變性能的相關性. 結論如下：

1）3種改性瀝青各常規性能與流變性能的回歸方程均不一樣，表明難以建立完全統一的回歸方程. 但對于同一品種的瀝青，其常規性能與流變性能存在顯著相關性.

2）軟化點、當量軟化點T800和PG高溫連續分級溫度HT對3種改性瀝青高溫性能的評價基本一致，可以通過常規性能指標軟化點和T800來預估流變指標PG高溫連續分級溫度HT.

3）生物瀝青改性瀝青的當量脆點T1.2和PG低

溫連續分級溫度LT呈顯著線性相關，但巖瀝青改性瀝青和復合改性瀝青為二次相關. 表明T1.2和LT相關性較復雜，對低溫性能評價不完全一致，應結合兩種指標并參考混合料相關試驗來綜合評價瀝青低溫性能.

4）3種瀝青的當量軟化點與當量脆點之差和PG高低溫連續分級溫度之差之間線性擬合較好，采用針入度常規評價體系和流變評價體系均能合理描述3種改性瀝青的可使用溫度范圍.

5）3種改性瀝青的針入度指數PI值和復數剪切模量指數GTS值之間相關性較好，常規指標和流變指標對瀝青感溫性能的評價基本一致.

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