瀝青道路材料指標(biāo)性能分析

喬相榮，包賢珍，鞏舜妹，楊祥一

（1深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518000；2宿州學(xué)院，安徽宿州234000）

改革開放后我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)了我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，并將該事業(yè)作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一[1]。高速公路的快速發(fā)展，彌補(bǔ)了起步晚的劣勢(shì)，1988年底通車的滬嘉高速公路，是國(guó)內(nèi)先例。“十五”期間，國(guó)內(nèi)建成高速公路總里程數(shù)達(dá)到2.47萬公里，到2011年年底，通車的高速公路里程數(shù)達(dá)到8萬公里以上，僅次于美國(guó)，排位世界第二位。瀝青路面的主要材料是道路瀝青，其路面的使用性能和壽命跟瀝青性能指標(biāo)和瀝青混合料的質(zhì)量有很大關(guān)聯(lián)[2]。瀝青材料不同的性能，會(huì)直接導(dǎo)致道路路面的利弊表現(xiàn)，比如：冬天氣溫太低路面開裂、夏天溫度高泛油發(fā)軟、雨季坑槽等現(xiàn)象[3]。瀝青材料的感溫性能分別對(duì)高溫和低溫的要求，其PI、PVN、CI三個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)幾乎沒有差別，我國(guó)采用的環(huán)與球法是研究瀝青材料軟化點(diǎn)的普遍方法[4]；其老化性能的研究又分短期老化以及長(zhǎng)期老化兩個(gè)階段。本文在國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青材料性能的研究成果之上，結(jié)合國(guó)內(nèi)的瀝青材料的特點(diǎn)，通過對(duì)不同種類的瀝青的性能進(jìn)行研究，并綜合評(píng)價(jià)分析，為以后評(píng)判瀝青材料的性能方法做更好的鋪墊。

1 道路瀝青的性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法

為了有針對(duì)性地區(qū)別不同道路瀝青性能的優(yōu)良以及完全準(zhǔn)確地表示瀝青的路用性能，我國(guó)推薦使用針入度指數(shù)PI、軟化點(diǎn)等指標(biāo)對(duì)瀝青性能進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)，而歐美等國(guó)家也加入其他的指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青的性能。

1.1 瀝青指標(biāo)性能

本文將對(duì)瀝青感溫性能研究、瀝青的高溫和低溫性能研究、彈性回復(fù)性能研究、老化性能研究進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。感溫性能研究中具有針對(duì)性的性能指標(biāo)針入度指數(shù)PI，其能更好地反應(yīng)瀝青的感溫度[5-8]。PI值的大小由針入度值和溫度的對(duì)數(shù)關(guān)系確定，如公式（1）所示：

式（1）中：T1、T2表示的是兩個(gè)不同的試驗(yàn)溫度（℃）；PT1、PT2分別為這兩個(gè)溫度下測(cè)得的針入度（0.1mm）。

PI值越大，表示瀝青材料的感溫度越低。瀝青的高溫性能指標(biāo)有軟化點(diǎn)和60℃粘度，其中軟化點(diǎn)定義為針入度為800時(shí)的軟化點(diǎn)，其表達(dá)式如公式（2）所示：

低溫性能指標(biāo)通常采用延度、脆點(diǎn)以及當(dāng)量脆點(diǎn)表示；瀝青的彈性性能由彈性回復(fù)率表達(dá)，其表達(dá)式如公式（3）所示，

式（3）中，X表示實(shí)驗(yàn)材料的殘留長(zhǎng)度。

瀝青的老化性能直接決定了瀝青路面的使用年限，其在材料的運(yùn)輸、貯存、鋪筑以及使用過程中都會(huì)產(chǎn)生一定程度的老化現(xiàn)象[9-12]。

1.2 瀝青性能試驗(yàn)方法

瀝青材料的高溫性能試驗(yàn)通常采用傳統(tǒng)的實(shí)測(cè)軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)外，還有當(dāng)量軟化點(diǎn)、60℃粘度以及針入度指數(shù)PI試驗(yàn)等[13]。瀝青低溫性能的試驗(yàn)研究大致分為傳統(tǒng)方法和以瀝青性能等級(jí)為指導(dǎo)的兩種方法。分別有針入度試驗(yàn)、脆點(diǎn)試驗(yàn)和低溫直接拉伸試驗(yàn)以及小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)等[14]。

瀝青老化又分為短期老化和長(zhǎng)期老化兩種過程，因?qū)嶒?yàn)過程不同，其研究老化方法也不同[15]。短期老化的試驗(yàn)方法此前采用的是國(guó)際通用的瀝青蒸發(fā)前后損失量試驗(yàn)（LOH），目前所采用的是薄膜烘箱（TFOT）方法，該方法是通過采用老化前后的指標(biāo)變化程度來描述瀝青材料的老化程度，我國(guó)目前也采用此種方法（163℃，5h）；長(zhǎng)期老化的試驗(yàn)方法早期是通過模擬自然環(huán)境條件下的老化程度，目前采用壓力容器下的PAV以模擬瀝青材料在真實(shí)的使用環(huán)境中使用5年的變化[16]。

2 瀝青道路材料綜合性能分析

本文采用四種基本材料的瀝青，分別為中海、鎮(zhèn)海、盤錦、殼牌，其標(biāo)號(hào)為70#。建設(shè)高速路面時(shí)，采用的瀝青材料通常面臨不同指標(biāo)對(duì)比之間的差異，以及采用的標(biāo)準(zhǔn)，選取瀝青材料優(yōu)良直接關(guān)系道路的質(zhì)量以及使用壽命問題。因此本文也將提出一種綜合的分析方法，將不同的指標(biāo)配比上不同的權(quán)重質(zhì)量比，最后得出一個(gè)總分，依據(jù)總分的高低來判斷瀝青材料性能的好壞。

在此次綜合性能分析中，所采用的性能指標(biāo)為針入度指數(shù)PI（感溫性能指標(biāo)）、軟化點(diǎn)（高溫性能指標(biāo)）、延度（低溫性能指標(biāo)）以及瀝青材料老化后的質(zhì)量變化（老化性能指標(biāo)）。本實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)1-3區(qū)的氣溫為例，氣溫特點(diǎn)為夏季非常炎熱，冬天不太冷，溫度跨度不大，最高氣溫沒有達(dá)到瀝青老化的溫度臨界點(diǎn)。本文依據(jù)氣候特點(diǎn)將實(shí)驗(yàn)中采用的四種指標(biāo)的權(quán)重比分別設(shè)置為25%、30%、20%以及25%。

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），基礎(chǔ)材質(zhì)的瀝青材料的針入度指數(shù)PI的標(biāo)準(zhǔn)范圍為-1.5～+1.0。當(dāng)數(shù)值為零時(shí)，瀝青的感溫性能處于最佳的狀態(tài)，針入度指數(shù)為1.5時(shí)，其性能分值距離0最遠(yuǎn)，分?jǐn)?shù)指定為60；針入度指數(shù)為零時(shí)，分?jǐn)?shù)指定為100；針入度指數(shù)為+1時(shí)，分?jǐn)?shù)指定為73，根據(jù)針入度指數(shù)得分標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中4種瀝青的得分情況，其分值見表1。

表1 基礎(chǔ)材料瀝青的感溫性能分值表Table 1 Table of temperature-sensitive performance scores of base material asphalt

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），基礎(chǔ)材質(zhì)的瀝青材料的軟化點(diǎn)（高溫性能指標(biāo)）的標(biāo)準(zhǔn)范圍為大于等于46。根據(jù)瀝青材料的軟化值越大，其高溫性能越好的特點(diǎn)，制定當(dāng)軟化點(diǎn)為46時(shí)，分值規(guī)定為60，軟化點(diǎn)的最高點(diǎn)規(guī)定的分值為100。根據(jù)軟化點(diǎn)的得分標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中4種瀝青的得分情況，其分值見表2。

表2 基礎(chǔ)材料瀝青的軟化點(diǎn)（高溫性能）分值表Table 2 Softening point of base material asphalt (high temperature performance) score table

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），基礎(chǔ)材質(zhì)的瀝青材料的延度（低溫性能指標(biāo)）的標(biāo)準(zhǔn)范圍大于等于100。根據(jù)瀝青材料的延度值越大，其瀝青材料的低溫抗裂性能越好的特點(diǎn)，制定當(dāng)瀝青材料延度值為100時(shí)，分值規(guī)定為60，延度值達(dá)到最高的臨界點(diǎn)時(shí)，分值規(guī)定為100。根據(jù)延度值的得分標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中4種瀝青材料的得分情況，其分值見表3。

表3 基礎(chǔ)材料瀝青的延度值（低溫性能）分值表Table 3 Ductility value of base material asphalt (low temperature performance) score table

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），基礎(chǔ)材質(zhì)的瀝青材料老化以后的質(zhì)量變化百分比的范圍是大于等于0.5，根據(jù)老化后質(zhì)量百分比變化越小，其瀝青材料的性能越好的特點(diǎn)，制定當(dāng)瀝青老化質(zhì)量變化百分比為0時(shí)，分值規(guī)定為100，百分比變化幅度為0.5時(shí)，分值規(guī)定為60。根據(jù)老化后質(zhì)量百分比變化的得分標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中4種瀝青材料的得分情況，其分值見表4。

表4 基礎(chǔ)材料瀝青的老化性能分值表Table 4 Aging performance score of base material asphalt

3 改性瀝青道路材料綜合性能分析

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），SBS改性瀝青材料的針入度指數(shù)PI的標(biāo)準(zhǔn)為大于等于-0.4。當(dāng)數(shù)值為零時(shí)，瀝青的感溫性能處于最佳的狀態(tài)，針入度指數(shù)為-0.4時(shí)，分?jǐn)?shù)指定為60；針入度指數(shù)為零時(shí)，分?jǐn)?shù)指定為100；針入度指數(shù)為2時(shí)，分?jǐn)?shù)指定為60，根據(jù)針入度指數(shù)得分標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中4種瀝青的得分情況，其分值見表5。

表5 改性瀝青材料的感溫性能分值表Table 5 Temperature performance score table of modified asphalt material

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），改性瀝青材料的軟化點(diǎn)（高溫性能指標(biāo)）的標(biāo)準(zhǔn)范圍為大于等于55。根據(jù)瀝青材料的軟化值越大，其高溫性能越好的特點(diǎn)，制定當(dāng)軟化點(diǎn)為55時(shí)，分值規(guī)定為60，軟化點(diǎn)的最高點(diǎn)規(guī)定的分值為100。根據(jù)軟化點(diǎn)的得分標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中4種瀝青的得分情況，其分值見表6。

表6 改性瀝青的軟化點(diǎn)（高溫性能）分值表Table 6 Softening point of modified asphalt (high temperature performance) score table

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），改性瀝青材料的延度（低溫性能指標(biāo)）的標(biāo)準(zhǔn)范圍大于等于30。根據(jù)瀝青材料的延度值越大，其瀝青材料的低溫抗裂性能越好的特點(diǎn)，制定當(dāng)瀝青材料延度值為30時(shí)，分值規(guī)定為60，延度值達(dá)到最高的臨界點(diǎn)時(shí)，分值規(guī)定為100。根據(jù)延度值的得分標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中4種瀝青材料的得分情況，其分值見表7。

表7 改性瀝青的延度值（低溫性能）分值表Table 7 Ductility value of modified asphalt (low temperature performance) score table

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），改性瀝青材料老化以后的質(zhì)量變化百分比的范圍是大于等于0.6，根據(jù)老化后質(zhì)量百分比變化越小，其瀝青材料的性能越好的特點(diǎn)，制定當(dāng)瀝青老化質(zhì)量變化百分比為0時(shí)，分值規(guī)定為100，百分比變化幅度為±0.6時(shí)，分值規(guī)定為60。根據(jù)老化后質(zhì)量百分比變化的得分標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中4種瀝青材料的得分情況，其分值見表8。

表8 改性瀝青的老化性能分值表Table 8 Score table of aging performance of modified asphalt

4 基質(zhì)瀝青和改性瀝青材料綜合分析結(jié)果

依據(jù)公式(4)，計(jì)算瀝青材料的綜合性能得分，可以得到本實(shí)驗(yàn)中所選取的4種瀝青材料和改性瀝青材料的綜合性能分值。其結(jié)果見表9。

瀝青材料綜合性能分值(s)=Σ瀝青材料的每一項(xiàng)指標(biāo)分值×相應(yīng)的權(quán)重比例(k) (4)

表9 4種基礎(chǔ)材質(zhì)瀝青和改性瀝青的綜合性能分值表Table 9 Table of comprehensive performance scores of four basic materials asphalt and modified asphalt

依據(jù)綜合得分分值越高，其瀝青材料的綜合性能越好，由表9可以看出，這4種基礎(chǔ)材料瀝青中，盤錦瀝青材料綜合性能最高，中海瀝青材料綜合性能最差；而這四種改性瀝青材料中，殼牌的綜合性能最高，盤錦的綜合性能最差；同時(shí)也可以得出改性前和改性后的瀝青材料的綜合性能優(yōu)劣情況，從而得出是否選擇改性的瀝青材料。

5 結(jié)論

瀝青材料的性能可以通過單一的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可以通過幾個(gè)性能指標(biāo)的不同組合進(jìn)行評(píng)價(jià)，工程用料的瀝青材料的選擇往往會(huì)面對(duì)瀝青選擇的難題，因此可以采用本文提出的綜合性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行選擇。可以根據(jù)不同的氣候地區(qū)制定不同的權(quán)重比例進(jìn)行計(jì)算，這種方法不僅可以判斷不同品牌、不同材料的瀝青材料的性能，也可以同時(shí)判斷同一種瀝青材料的改性后的材料性能，從而選擇出更適合當(dāng)?shù)氐臑r青材料，使得高速路面的質(zhì)量更好，使用壽命更長(zhǎng)。