高黏改性瀝青常規(guī)性能與流變性能相關(guān)性分析

王鵬 呂大春 潘昊宇

摘要：為研究高黏改性瀝青常規(guī)性能與流變性能的相關(guān)性，文章從高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍及溫度敏感性四個(gè)方面，對(duì)摻量分別為0%、6%、8%、10%及12%的高黏改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：高黏改性瀝青的軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)分別與HT呈線性關(guān)系、多項(xiàng)式關(guān)系，隨HT的增加而不斷上升;高黏改性瀝青LT與5℃延度、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2均呈多項(xiàng)式回歸關(guān)系，使用當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2比5℃延度更能準(zhǔn)確地表達(dá)高黏改性瀝青的低溫性能;高黏改性瀝青的塑性溫度范圍與可使用溫度、針入度指數(shù)|PI|值與復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|均具有良好的相關(guān)性，表現(xiàn)出規(guī)律一致性;當(dāng)缺少動(dòng)態(tài)剪切流變儀時(shí)，可分別采用塑性溫度和針入度指數(shù)評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的可使用溫度范圍和感溫性能。

關(guān)鍵詞：瀝青結(jié)合料;高黏改性瀝青;常規(guī)性能;流變性能;相關(guān)性

0 引言

瀝青及瀝青混合料的路用性能受諸多因素影響，但原材料的性能質(zhì)量影響最大。目前，世界各國(guó)基本都形成了自己國(guó)家的瀝青及瀝青混合料評(píng)價(jià)技術(shù)，主要分為三種：（1）以針入度為劃分等級(jí)的評(píng)價(jià)體系;（2）以60℃黏度為劃分等級(jí)的評(píng)價(jià)體系;（3）基于瀝青流變學(xué)原理開發(fā)的PG分級(jí)體系。

我國(guó)目前主要采用的是針入度等級(jí)評(píng)價(jià)體系，屬于經(jīng)驗(yàn)性評(píng)價(jià)體系，優(yōu)點(diǎn)是儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、人員操作要求較低且易推廣。但缺點(diǎn)也很明顯：（1）儀器設(shè)備精度不高，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性較差;（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)物理力學(xué)意義模糊，不能很好地反映瀝青的性能;（3）同一針入度等級(jí)瀝青使用性能存在差異性顯著，不能很好地控制瀝青的使用性能;（4）未考慮長(zhǎng)期老化的影響。而瀝青PG分級(jí)體系是專門針對(duì)瀝青的粘彈特性開發(fā)出來的評(píng)價(jià)體系，具有精度高、可重復(fù)性好等特點(diǎn)，但因儀器價(jià)格較高導(dǎo)致普及率較低。

建立瀝青的常規(guī)性能指標(biāo)和流變性能指標(biāo)之間的聯(lián)系，既可提高瀝青評(píng)價(jià)性能的準(zhǔn)確度，又可降低性能評(píng)價(jià)的使用成本。但由于瀝青自身粘彈形變隨溫度不斷變化的特點(diǎn)，之前很多研究嘗試建立廣泛的常規(guī)性能指標(biāo)和流變性能指標(biāo)之間的相關(guān)性，但效果不理想，沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。究其原因，主要是不同基質(zhì)瀝青和改性瀝青的制備工藝不同、油源不同及內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異等因素造成。但如果單純對(duì)某種改性瀝青的常規(guī)性能指標(biāo)和流變性能指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析[1]，那么二者的定量關(guān)系的可靠度就會(huì)得到大幅提高，

這可為將來建立常規(guī)性能指標(biāo)和流變性能指標(biāo)的關(guān)系提供新思路。

本研究通過高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍和溫度敏感性四個(gè)方面，對(duì)不同摻量的高黏改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)和流變指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)及分析，旨在建立其相關(guān)性。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)對(duì)70#A級(jí)道路石油瀝青加入意大利Ⅰ型高黏改性劑進(jìn)行改性，基質(zhì)瀝青滿足現(xiàn)行規(guī)范[2]要求，技術(shù)指標(biāo)見表1。

高黏改性劑外觀為淺黃色顆粒狀（見圖1），改性試驗(yàn)采用外摻法（分別為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的0%、6%、8%、10%及12%）。

1.2 高黏改性瀝青的制備

基質(zhì)瀝青在135℃下加熱1h后，摻入相應(yīng)比例的高黏改性劑并拌勻，發(fā)育（155℃±5℃）2h后，用高速剪切儀以4000r/min的轉(zhuǎn)速剪切1h（165℃±5℃），直至改性劑全部溶解且分散均勻于瀝青中，高黏改性瀝青制備完成[3]。

1.3 常規(guī)性能試驗(yàn)

對(duì)5種不同摻量高黏改性瀝青分別按照規(guī)范JTGE20-2011中T0604-2011、T0606-2011及T0605-2011進(jìn)行不同溫度下針入度、軟化點(diǎn)及延度試驗(yàn)。

由于我國(guó)基質(zhì)瀝青蠟含量普遍偏高，為更準(zhǔn)確地表達(dá)瀝青的溫度敏感性及高低溫性能，采用針入度指數(shù)PI作為瀝青溫度敏感性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]，見式（1）和式（2）;T800和T1.2作為評(píng)價(jià)瀝青高低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，見式（3）和式（4）;瀝青的塑性溫度區(qū)間則采用T800-T1.2，表示瀝青的可使用溫度范圍見式（5）。

1.4 流變性能試驗(yàn)

對(duì)5種不同摻量高黏改性瀝青分別按照規(guī)范JTGE20-2011中T06027-2011、T06028-2011進(jìn)行彎曲梁流變儀試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)。

瀝青是一種感溫性能材料，其溫度敏感性可采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS來評(píng)價(jià)。復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS通過lglgG*-lgT數(shù)據(jù)回歸分析得到，如式（6）所示：

瀝青的PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度（HT）代表瀝青在正常服役過程中可承受的最高工作溫度，見式（7）;PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度（LT）代表瀝青在正常服役過程中可承受的最低工作溫度，見式（8）：

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫性能相關(guān)性分析

在SHRP的流變性能評(píng)價(jià)體系中，PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度是評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的重要指標(biāo)，而在我國(guó)的瀝青評(píng)價(jià)體系中，軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)是評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的重要常規(guī)指標(biāo)。若可以將這兩種不同體系中評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo)聯(lián)系在一起，得出它們之間的相關(guān)性，那么這對(duì)快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的高溫性能大有裨益。

由圖2可知，高黏改性瀝青PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度與當(dāng)量軟化點(diǎn)呈二次多項(xiàng)式回歸關(guān)系，回歸決定系數(shù)達(dá)到0.9949。隨著高黏改性瀝青PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度不斷增加，當(dāng)量軟化點(diǎn)也隨之上升，但升高速度不斷減緩。

由圖3可知，高黏改性瀝青PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度與軟化點(diǎn)呈線性關(guān)系，回歸決定系數(shù)達(dá)到0.99以上。隨著高黏改性瀝青PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度不斷增加，軟化點(diǎn)也隨之上升。通過以上分析表明，當(dāng)無法采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀評(píng)價(jià)高黏改性瀝青結(jié)合料的高溫性能時(shí)，可以通過常規(guī)性能中的軟化點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，并可以根據(jù)換算公式，較為精確地計(jì)算出高黏瀝青的PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度。

2.2 低溫性能相關(guān)性分析

PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度是基于流變學(xué)理論推導(dǎo)出來以評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的指標(biāo)，其力學(xué)指標(biāo)比較明確，而低溫延度和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2指標(biāo)雖然經(jīng)驗(yàn)性比較強(qiáng)，但卻是我國(guó)評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的常用指標(biāo)。因此，分析兩者之間的相關(guān)性具有重要意義。

從圖4和圖5可知，PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度與5℃延度、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2的回歸決定系數(shù)均可達(dá)到0.97以上，表明它們之間的相關(guān)性非常好。隨著PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度不斷增加，高黏改性瀝青的5℃延度不斷降低，當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2不斷增加。從圖4和圖5還可以得知，PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度與當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2的回歸決定系數(shù)比PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度與5℃延度的回歸決定系數(shù)高，這表明在常規(guī)指標(biāo)中，使用當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2比5℃延度更能準(zhǔn)確地表達(dá)高黏改性瀝青的低溫性能。

2.3 使用溫度區(qū)間相關(guān)性分析

可使用溫度范圍和塑性溫度均代表瀝青的服務(wù)溫度范圍，表征瀝青在外界環(huán)境的服務(wù)溫度區(qū)間。可使用溫度范圍是通過PG連續(xù)分級(jí)的高溫和低溫差值計(jì)算出來的，力學(xué)性質(zhì)更加明確，而塑性溫度是通過當(dāng)量軟化點(diǎn)和當(dāng)量脆點(diǎn)的差值計(jì)算出來的，經(jīng)驗(yàn)性更強(qiáng)一些。故這兩者之間既有密切的聯(lián)系又有些許區(qū)別。

從圖6可知，高黏改性瀝青的塑性溫度范圍隨著可使用溫度范圍的增加而增大，并表現(xiàn)出良好的多項(xiàng)式關(guān)系。這表明兩者評(píng)價(jià)高黏改性瀝青服務(wù)溫度范圍具有一致性，當(dāng)缺少高黏改性瀝青的可使用溫度范圍測(cè)量手段時(shí)，可通過塑性溫度范圍進(jìn)行公式換算得出。

2.4 溫度敏感性相關(guān)性分析

瀝青是一種粘彈性材料，具有較強(qiáng)的溫度敏感性，在我國(guó)采用針入度指數(shù)PI來評(píng)價(jià)瀝青的這種性能，但是其本身是一種經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)的導(dǎo)出值，故精確性不及復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|。若能找出這兩者之間的聯(lián)系，通過換算確定復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|值，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

從圖7可知，高黏改性瀝青的復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|與針入度指數(shù)|PI|值的相關(guān)性非常好，回歸決定系數(shù)達(dá)到0.96以上，表明兩者在評(píng)價(jià)高黏改性瀝青溫度敏感性時(shí)具有一致性，當(dāng)缺少動(dòng)態(tài)剪切流變儀時(shí)，可采用針入度指數(shù)評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的感溫性能。

3 結(jié)語

（1）高黏改性瀝青軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)分別與HT呈線性關(guān)系、多項(xiàng)式關(guān)系，回歸決定系數(shù)均達(dá)到0.99以上。隨著高黏改性瀝青HT的不斷增加，軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)也隨之上升。

（2）高黏改性瀝青LT與5℃延度、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2均呈多項(xiàng)式回歸關(guān)系，但與當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2的回歸決定系數(shù)更高，使用當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2比5℃延度更能準(zhǔn)確地表達(dá)高黏改性瀝青的低溫性能。

（3）高黏改性瀝青的塑性溫度范圍與可使用溫度、針入度指數(shù)|PI|值與復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|均具有良好的相關(guān)性，表現(xiàn)出規(guī)律一致性。當(dāng)缺少動(dòng)態(tài)剪切流變儀時(shí)，可分別采用塑性溫度和針入度指數(shù)評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的可使用溫度范圍和感溫性能。

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