SBS改性瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)及與混合料關(guān)聯(lián)性分析

李卓琳，付興勝，任俊達(dá)，張茁峰

(1.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015； 2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽市 110015)

※基金項(xiàng)目：遼寧省交通科技項(xiàng)目(201708)

改性瀝青是一個(gè)復(fù)雜的體系，基質(zhì)瀝青性能、改性劑類型、改性劑摻量以及改性工藝等的綜合作用決定了改性瀝青的低溫性能[1]。為了分析SBS改性瀝青的影響因素，首先必須確定能夠客觀反映改性瀝青低溫性能、并可以充分體現(xiàn)各種因素影響力大小的低溫指標(biāo)。與此同時(shí)，瀝青是一種典型的流變材料，具有流動(dòng)性的本質(zhì)，要想真實(shí)地描述改性瀝青的低溫性能，必須從其流變性入手[2]。低溫流變性主要研究瀝青在低溫條件下的流動(dòng)變形的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。同時(shí)，一些室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)體均表明瀝青低溫流變性在很大程度上反映了瀝青混合料或?yàn)r青路面的低溫抗裂性，進(jìn)一步說明了以流變學(xué)方法分析瀝青低溫性能的合理性[3]。因此，本研究采用流變學(xué)的方法來描述改性瀝青的低溫性能，并對瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)與瀝青混合料低溫性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。

1 材料選擇

為了使研究對象具有代表性，選擇三種具有不同PG分級(jí)和較好穩(wěn)定性的SBS改性瀝青，分別標(biāo)記為1#、2 # 和3#，其基本性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果

2 SBS改性瀝青低溫流變性能試驗(yàn)

以試驗(yàn)的方法考察其滯后角δ、動(dòng)粘度η′ 、復(fù)數(shù)模量G*及損失模量G″ 和動(dòng)粘彈指標(biāo)Dvi隨溫度的變化情況，進(jìn)行分析、比較，從中選出最佳的低溫評價(jià)指標(biāo)。所選頻率為f=0.1Hz，溫度條件為-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、20℃、30℃，加載模式為單應(yīng)力式加載，為保證試驗(yàn)在各個(gè)溫度下處于線粘彈性區(qū)域[4-5]，所選用的各個(gè)溫度下的應(yīng)力如表2所示。

表2 不同溫度下的應(yīng)力水平

經(jīng)過測試，不同溫度條件下的各參量隨溫度變化數(shù)據(jù)如表3、表4所示，各參量隨溫度的變化曲線如圖1～圖5所示。

由表3、表4及圖1～圖5可以看出，隨著溫度的降低，三種SBS改性瀝青的相位角也隨著降低。溫度在-10～10℃范圍時(shí)相位角降低很快，而當(dāng)溫度在10～30℃范圍內(nèi)時(shí)，變化緩慢。1#和2#改性瀝青的曲線在低溫區(qū)域比較接近。

表3 隨溫度變化的相位角、動(dòng)粘度、復(fù)數(shù)模量

表4 隨溫度變化的損失模量、動(dòng)粘彈指標(biāo)

圖1 相位角δ隨溫度變化曲線

圖2 動(dòng)粘度logη′隨溫度變化曲線

圖3 復(fù)數(shù)模量logG*隨溫度變化曲線

圖4 損失模量logG″隨溫度變化曲線

圖5 動(dòng)粘彈指標(biāo)logDvi隨溫度變化曲線

動(dòng)粘度、復(fù)數(shù)模量、動(dòng)粘彈指標(biāo)Dvi隨溫度變化的趨勢基本一致，都是隨著溫度的降低而增大，在0～-10℃時(shí)基本上變化很小，三種改性瀝青在此范圍內(nèi)的區(qū)別很小，而0～20℃范圍內(nèi)1#與2#接近，兩者的低溫流變性能接近，20℃以后2#向3#靠攏，說明兩者的高溫性能接近。

損失模量的變化規(guī)律與上述幾種參數(shù)有所不同，在0～5℃范圍內(nèi)，三種改性瀝青都達(dá)到了各自的最大值，在此溫度以下0～-10℃范圍內(nèi)，1#的損失模量最大，2#與1#接近，都大于3#改性瀝青；在此溫度以上5～30℃范圍內(nèi)則恰恰相反。當(dāng)溫度為30℃時(shí)，對于各種指標(biāo)，2#都與3#接近，遠(yuǎn)離了1#，這說明2#與3#在高溫區(qū)的性能相近。

從上述分析可以看出，各種流變學(xué)指標(biāo)的溫度變化曲線大致相同，均能反映改性瀝青性能隨溫度的變化趨勢。在低溫范圍內(nèi)，不同改性瀝青的相位角與損失模量的差別較明顯，能較好地區(qū)分其低溫性能。

3 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)

相關(guān)研究表明，瀝青的低溫性能對混合料低溫性能的貢獻(xiàn)率為80%左右，同時(shí)，瀝青混合料的低溫性能也反映了瀝青的低溫性能[6-8]。因此，本研究考察了改性瀝青低溫流變指標(biāo)與混合料低溫性能的對應(yīng)關(guān)系，以數(shù)學(xué)方法分析各個(gè)指標(biāo)與混合料低溫性能的關(guān)聯(lián)度。

研究采用具有遼寧地區(qū)特色的SMA-13L瀝青混合料，礦料級(jí)配組成如表5所示，為便于比較不同改性瀝青在混合料低溫性能中的作用，三種混合料試件均采用相同級(jí)配和相同用油量。經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)得到最佳油石比為7.0%。選取-10℃的小梁彎曲破壞應(yīng)變作為參考數(shù)列，低溫彎曲試驗(yàn)的結(jié)果如表6和圖6所示。

表5 礦料級(jí)配表

圖6 三種瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變

由上述試驗(yàn)可以看出，不同改性瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變存在著明顯的差別。三種瀝青混合料的低溫性能排序?yàn)?#>2#>3#，與瀝青結(jié)合料的PG分級(jí)結(jié)果一致，即：低溫彎曲破壞應(yīng)變能夠很好地表征混合料的低溫性能，因此可以采用小梁低溫彎曲破壞應(yīng)變作為混合料低溫性能的評價(jià)指標(biāo)，并具有較好的代表性。

4 流變學(xué)指標(biāo)與混合料低溫性能的關(guān)聯(lián)性分析

為進(jìn)一步評價(jià)瀝青流變學(xué)指標(biāo)與瀝青混合料低溫性能的相關(guān)性，采用了灰關(guān)聯(lián)理論，分析在-10℃下SBS改性瀝青不同評價(jià)指標(biāo)與小梁彎曲破壞應(yīng)變關(guān)聯(lián)的程度。

灰關(guān)聯(lián)因子空間是灰關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)。灰關(guān)聯(lián)因子空間是由具備“可比性”、“可接近性”、“極性一致性”的序列構(gòu)成的[9]。以瀝青混合料小梁低溫彎曲破壞應(yīng)變作為系統(tǒng)行為的主數(shù)列，{x0(k)|k=1,2,3}，實(shí)測的瀝青相位角為因子序列x1(k)，以動(dòng)粘度為因子序列x2(k)，以復(fù)數(shù)模量為因子序列x3(k)，以損失模量為因子序列x4(k)，以動(dòng)粘彈指標(biāo)為因子序列x5(k)，以5℃延度為因子序列x6(k)。對上述指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表7～表10所示。

表8 原始數(shù)據(jù)初值處理

表9 原始數(shù)據(jù)差序列表

表10 關(guān)聯(lián)系數(shù)表

求兩極差：

取關(guān)聯(lián)度中的分辨系數(shù)ξ=0.5，將兩級(jí)最大差和最小差之值代入，得出各個(gè)因子數(shù)列與行為主數(shù)列的關(guān)于每個(gè)數(shù)據(jù)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)：

i=1,2, …6

根據(jù)表10各個(gè)因子的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，由關(guān)聯(lián)度計(jì)算式得出各因子序列與主數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度分別為：

可知，關(guān)聯(lián)度的排序如下：

γ02>γ03>γ05>γ04>γ01>γ06

由上述灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可知，流變學(xué)的低溫評價(jià)指標(biāo)與瀝青混合料低溫評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性均較好，關(guān)聯(lián)度水平較高。其中，-10℃的動(dòng)粘度和復(fù)數(shù)模量與彎曲破壞應(yīng)變的關(guān)聯(lián)度明顯大于其它流變指標(biāo)和常規(guī)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。動(dòng)粘度能夠反映瀝青的粘彈比例，體現(xiàn)了瀝青的流動(dòng)性，低溫下的動(dòng)粘度越小，瀝青的低溫流變性能越好；復(fù)數(shù)模量體現(xiàn)了瀝青用于流動(dòng)的能量，低溫時(shí)，復(fù)數(shù)模量越小，則低溫流變性能越好。

以上試驗(yàn)研究及分析表明，流變學(xué)指標(biāo)動(dòng)粘度和復(fù)數(shù)模量能夠較好地區(qū)分不同改性瀝青的低溫性能，并與混合料的低溫性能之間存在很好的相關(guān)性，而常規(guī)測試指標(biāo)5℃延度與混合料低溫性能相關(guān)性較弱。因此，確定采用動(dòng)粘度和復(fù)數(shù)模量兩個(gè)指標(biāo)衡量對瀝青混合料低溫性能的改善效果具有較好的代表性。

5 結(jié)論

(1)采用流變學(xué)指標(biāo)能較好地評價(jià)SBS改性瀝青的低溫性能，不同改性瀝青的相位角與損失模量的差別較明顯，能較好地區(qū)分其低溫性能。

(2)不同改性瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變存在著明顯的差別。與瀝青結(jié)合料的PG分級(jí)結(jié)果一致，即：低溫彎曲破壞應(yīng)變能夠很好地表征混合料的低溫性能，因此可以采用小梁低溫彎曲破壞應(yīng)變作為混合料低溫性能的評價(jià)指標(biāo)，并具有較好的代表性。

(3)流變學(xué)的低溫評價(jià)指標(biāo)與瀝青混合料低溫評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性均較好，關(guān)聯(lián)度水平較高。動(dòng)粘度和復(fù)數(shù)模量與彎曲破壞應(yīng)變的關(guān)聯(lián)度明顯大于其它流變指標(biāo)和常規(guī)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。