硬质沥青温度敏感性与混合料高温性能研究

黄婉利，何文华，吕卫兵，杨 华

(1.中国石化炼油销售有限公司，上海 200050，2.中南安全环境技术研究院股份有限公司，武汉 430071;3.恩施土家族苗族自治州公路管理局，恩施 445000)

近些年来，为提高沥青中、下面层的抗高温车辙能力，国际上使用的沥青在向低标号发展。硬质沥青作为低标号沥青在法国、日本、美国等国家应用较多[1]。对比国际上气候条件相当的地区，我国使用的沥青也在向低标号发展，如我国现在主要使用70号沥青，甚至在南方部分地区逐步使用50号硬质沥青，不再像20世纪使用90号甚至110号沥青。这主要得益于硬质沥青的温度敏感性小、高温稳定性优[2]。

论文通过采用60 ℃粘度、针入度指数PI、车辙因子G*/sinδ评价70号沥青、50号、30号硬质沥青的温度敏感性，同时制备相应的硬质沥青混合料，测试其高温稳定性，研究硬质沥青温度敏感性指标及其混合料的高温稳定性。

1 沥青温度敏感性指标

1.1 60 ℃粘度

在我国，夏季沥青路面温度可达50～70 ℃，采用60 ℃粘度能反映路面在高温下的实际使用情况。60 ℃粘度测试方法较多，该文采用布洛克菲尔德粘度计法[3]。试验结果见表1。

表1 硬质沥青60 ℃粘度

从上述试验结果可以看出：60 ℃粘度的排序为：30号>50号沥青>70号沥青。粘度大的沥青在荷载作用下产生较小的剪切变形，弹性恢复性能好，残留的塑性变形小，高温性能好。

1.2 针入度指数

针入度指数是描述沥青针入度随温度变化而变化快慢的指标，采用三个不同温度下(通常为15 ℃、25 ℃、30 ℃)的针入度的对数为纵坐标，温度为横坐标，线性回归计算温度-针入度对数的斜率，再计算针入度指数。斜率越小，由此计算出的针入度指数越大，说明随着温度的变化，沥青的针入度变化较慢，沥青对温度变化较不敏感。不同沥青在各温度下针入度及针入度指数PI值结果如表2所示。

表2 不同沥青在各温度下针入度及针入度指数PI值

从表2数据可知，30号沥青相较于70号、50号沥青对温度变化不敏感，但是50号沥青却较70号沥青对温度的变化更敏感一些。

1.3 车辙因子

动态剪切流变试验[4]是在交变应力(或应变)下进行动态试验，试验的结果为沥青的动态剪切模量G*和相位角δ。G*是材料重复剪切变形时总阻力的度量，包括弹性部分和粘性部分；δ是可恢复和不可恢复变形数量的相对指标。其中G*/sinδ表征沥青材料抵抗永久变形的能力，称为车辙因子，其值在高温下越大则沥青的流动变形愈小，相应混合料的抗车辙能力也愈佳。该文按照《沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T0628的方法[5]进行沥青流变性质试验，试验采用应变控制模式，各沥青试验结果见表3。

表3 硬质沥青车辙因子G*/sin δ试验结果

从表3可知，在相同温度下，30号、50号原样沥青和老化后残留沥青的车辙因子G*/sinδ要高于70号沥青，车辙因子G*/sinδ的排序为30号沥青>50号沥青>70号沥青。在SHRP沥青分级的PG标准中，动态剪切流变实验主要用于评价老化前后的高温性能。高温特性根据G*/sinδ超过1.0 kPa(原样沥青)和2.2 kPa (经老化后)的临界温度将沥青分成不同的等级。临界温度越高，表明该种沥青能够抵抗高温流动变形的温度越高。实验结果表明，50号、30号硬质沥青均属于PG70沥青等级，其临界温度要高于70号沥青，抗高温变形能力明显大于70号沥青。

2 混合料高温稳定性

由于60 ℃粘度、针入度指数PI反映的是沥青材料的温度敏感性，车辙因子G*/sinδ在理论层面上表征沥青材料抵抗车辙性能的能力，但这三个指标均不能直接反映用该沥青材料制备的混合料的高温稳定性，而动稳定度可以直接反映沥青路面在高温季节抵抗永久变形的指标。因此，很有必要将60 ℃粘度、针入度指数PI、车辙因子G*/sinδ与相应沥青混合料的高温稳定性联系起来分析。

将70号、50号、30号硬质沥青用于沥青路面下面层AC-25C，分别采用3.9%、3.9%、4.1%的油石比制备沥青混合料，级配曲线见图1，车辙动稳定度试验结果见表4。

表4 沥青混合料车辙试验结果

由表4可以看出，上述沥青的混合料车辙试验结果均值大于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)对夏炎热地区改性沥青混合料车辙试验动稳定度AC-25C不小于1 000次/mm的技术要求。

从动稳定度结果可以看出，采用AC-25C的30号沥青混合料动稳定度约为50号沥青混合料的2倍，约为70号沥青混合料的3倍。对相同级配的沥青混合料，采用的沥青标号越低，动稳定度越高，表明硬质沥青混合料具有良好的高温稳定性，更适合于我国高温炎热的南方地区以及重载交通路段。

3 沥青温度敏感性和混合料高温稳定性相关性分析

将沥青温度敏感性和混合料高温稳定性指标列于表5，并按大小排序。

表5 硬质沥青温度敏感性和混合料高温稳定性指标及大小排序

从表5可以看出，除针入度指数排序出现异常外，其他的沥青温度敏感性和混合料高温稳定性指标排序基本一致，二者的相关性较好。对动稳定度与上述各指标进行线性回归，如图2所示。

从图2看出，沥青混合料的动稳定度与沥青温度敏感性各指标进行回归，动稳定度与沥青60 ℃粘度指数相关性最好，达到了0.975 0；其次，动稳定度与70 ℃原样沥青的车辙因子指数相关系数达到了0.955 7，而动稳定度与针入度指数相关性为0.581 0，相关性最差。通过上述分析，60 ℃粘度与动稳定度之间的关系密切，表明60 ℃粘度越大的沥青材料其高温抗车辙性能就越好。

4 结 论

a.硬质沥青(50号和30号沥青)相较于常用的70号沥青温度敏感性更小，其沥青混合料的高温稳定性更优，更适合于我国高温炎热的南方地区。

b.60 ℃粘度、针入度指数PI、车辙因子都能表征硬质沥青的温度敏感性，且三者的整体趋势差别不大。

c.硬质沥青的60 ℃粘度与沥青混合料动稳定度相关性最大，可以用硬质沥青60 ℃粘度定性反映混合料抗高温车辙能力。

[1] 樊 亮,樊秀芝,李永镇.硬质沥青的发展及性能比较[J].石油沥青,2015,29(1):16-20.

[2] 陈晓瑛.石油沥青材料的感温性研究[D]. 西安：长安大学,2006.

[3] 杨建新,梅李贵子,卢 健,等. 沥青60 ℃动力粘度的试验方法比较研究[J].石油沥青,2010,24(1):15-20.

[4] 沈金安.沥青材料的流变学(一)[J].石油沥青,1988(4):27-38.

[5] 中华人民共和国行业标准.JTG 052—2011 公路沥青及沥青混合料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2003.