东北地区公路常用沥青的使用性能研究

岳 宗 豪

(中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100080)

0 引言

沥青作为沥青混合料中胶结材料，其性质是影响沥青路面使用性能及寿命的一个主要因素，沥青材料对沥青混合料的路用性能的贡献作用占据70%～80%[1-3]。沥青混合料强度一旦不足，则很容易出现诸如车辙、低温开裂及水损等病害。目前，大量研究聚焦于矿料级配、关键筛孔、空隙率以及油石比等宏观性参数[4,5]，而对原材料只是工程经验或简单的指标判断，缺乏系统的使用性能相关研究。东北地区公路具有独特的自然环境。在寒冷的气候条件下容易出现低温开裂病害。关于沥青混合料低温开裂的相关研究，早在20世纪60年代，加拿大研究者就开始对沥青路面冬季寒冷条件下产生收缩裂缝进行调查研究。研究指出路面低温开裂的原因是沥青延展性不足，因此选用流动性能较好的沥青将有望改善路面的抗裂性能[6]。张海涛等[7]针对黑龙江夏热冬冷的气候特征指出，惯用的针入度系列性能参数已不适用于评价沥青材料的高低温性能，采用Superpave的PG分级可以更好地指导寒区沥青(路面)的高温车辙和低温开裂等问题。除此之外，东北地区沥青路面也存在明显的水损害现象[8]。伴随着这些病害的出现，各种各样的改性沥青应运而生，沥青材料的使用性能越显重要。在实际工程中，应根据使用性能选取符合道路等级、自然环境以及工程造价要求的沥青材料，才能合理保证路面的使用寿命。因此，系统性对比研究沥青材料的使用性能能够为后续道路工程建设提供先验的指导意义。

1 试验方法

本文共测试了7种常用沥青，包括LH类(30号、70号、90号)3种、HY类(70号、90号)2种、改性沥青(SBS改性沥青和高粘高弹沥青)2种。这些沥青在东北地区应用较为广泛，涵盖了常用的基质沥青和改性沥青，因此，有必要对这7种沥青的使用性能进行深入对比分析。针对以上7种沥青，按照规范JTG E20(2011)以及AASHTO相关试验技术规范分别测试了7种沥青短期老化前后的三大常用性能指标以及路用性能指标(高、低温及疲劳性能)。

2 试验结果及分析

2.1 短期老化前后沥青性能对比分析

为了研究沥青的针入度指标的变化规律，通过对LH类、HY类基质沥青以及改性沥青的三大指标进行了研究，测得其针入度(25 ℃)、软化点TR & B，10 ℃延度。同时，记录沥青在短期老化(旋转薄膜烘箱试验RTFOT温度为163 ℃，时间为85 min)后的三大指标的变化，从而得到短期老化对于基质沥青性能的影响。7种基质沥青在短期老化前后的针入度、软化点TR & B，10 ℃延度分别绘制如图1～图3所示。

从图1～图3中可分析得到，无论沥青种类如何，短期老化(RTFOT试验)会使沥青针入度系列指标明显降低，但不同沥青种类，老化前后其变化并不一致。

1)LH类及HY类原样基质沥青，随着沥青标号的增大，沥青的针入度逐渐变小、软化点相应增加、延度相应减小。相同标号下，LH类沥青的软化点都比HY类沥青的软化点、延度值高，说明LH类原样沥青高低温稳定性均更好，粘度更高，温度敏感性相对低一些。2)通过老化前后沥青残留物针入度比大小排序：LH类70号(68.9%)>90号(65.8%)>30号(58.1%)>HY类90号(52.5%)>70号(48.7%)，LH类基质沥青的针入度损失比HY类基质沥青要小，即在沥青的稠度方面，LH类基质沥青的抗短期老化性能要优于HY类基质沥青。同理，LH类基质沥青的软化点增量以及延度损失率比HY类基质沥青均要小，由此可见，LH类基质沥青高低温性能的抗短期老化性能也要优于HY类基质沥青。3)两种改性沥青中，老化前SBS沥青针入度比高粘高弹沥青针入度高、软化点低，说明前者比后者硬度小，黏稠度小，热稳定性弱；短期老化后两种沥青的针入度均减小，硬度增大，黏稠度增加；但SBS短期老化前后针入度变化幅度更大，两者残留物针入度比分别为60.5%和92.5%，高粘高弹沥青老化前后针入度变化较小。同时，SBS改性沥青高温抗老化能力更优。老化前改性沥青延度远小于基质沥青(除低标号LH30号之外)，LH90号沥青延度最大，是改性沥青的4倍左右，说明改性沥青改善了高温性能的同时也牺牲了部分低温性能；老化后改性沥青延度减小量略小，而基质沥青老化后延度减少量很大，这说明改性沥青相比于基质沥青延度对老化的敏感性更低。

2.2 沥青的路用性能对比分析

2.2.1高温性能

为研究沥青的高温性能，首先对原样基质沥青的沥青分别进行了动态剪切试验(Dynamic Shear Rheometer，DSR)，通过计算车辙因子G*/sinδ来分别确定它们的PG分级中的高温等级，然后根据确定的高温等级进行了重复蠕变试验(MSCR)，从而进一步研究比较不同沥青的高温性能。本文确定某一沥青的PG分级中的高温等级试验方法：选取试验温度58 ℃,64 ℃,70 ℃,76 ℃,82 ℃进行动态剪切流变实验，根据测得的动态剪切模量G*和相位角δ，计算车辙因子(G*/sinδ)。然后根据规范T0628—2011要求，原样沥青的车辙因子要大于1.0 kPa，可以在温度—车辙因子曲线图中得到沥青所对应的高温等级。将不同沥青的高温等级汇总为表1。

表1 不同沥青PG高温分级

规范AASHTO T350-14所提出的重复蠕变恢复试验(Multi-Stress Creep and Recovery，MSCR)可以较为真实地反映出路面被反复施加荷载及卸载。首先在0.1 kPa的恒定应力状态下将沥青试件“蠕变1 s，恢复9 s”重复10个循环，然后将应力换成3.2 kPa继续10个循环，其次分别对不同沥青在PG高温下经过两个大小的应力的蠕变恢复率，不可恢复蠕变柔量进行测定比较。试验结果如图4所示。

在重复应力加载的条件下，沥青的蠕变恢复率越大，不可恢复蠕变柔量越小，代表着沥青的高温性能越良好。由图4可知，不同沥青在3.2 kPa应力条件下的蠕变恢复率均大于0.1 kPa应力条件下的蠕变恢复率；而3.2 kPa应力条件下的蠕变柔量均小于0.1 kPa应力条件下的蠕变柔量，由此可知应力水平越大沥青恢复能力越强。

基质沥青中，LH30号沥青在两种应力水平下其蠕变恢复率均最大，不可恢复蠕变柔量均最小，其变形恢复能力较强。此外，相比于基质沥青，改性沥青的蠕变恢复率较大，不可恢复蠕变柔量较小，变形恢复能力较强。其中，高粘高弹沥青变形恢复能力最强。

2.2.2低温性能

依据JTG E20—2011 T0627规范要求，对7种沥青胶结料进行低温条件下的弯曲梁流变试验，选取试验温度-6 ℃，-12 ℃，-18 ℃，-24 ℃，不同种类沥青小梁弯曲流变试验60 s的弯曲流变参数见表2。为防止低温开裂，蠕变劲度模量的最大限值为300 MPa。由表2中数据分析可知，在-12 ℃试验温度下，除LH30号沥青外的其他种类沥青的蠕变劲度模量均小于300 MPa；在-6 ℃试验温度下，LH30号沥青的劲度模量为293 MPa，满足规范要求；在-18 ℃试验温度下，LH70号和LH90号沥青劲度模量超过300 MPa；HY(70号、90号)和改性沥青在-18 ℃试验温度下劲度模量分别为213，218，287，在-24 ℃试验温度下的劲度模量均大于300 MPa。

表2 弯曲蠕变参数(60 s)

2.2.3疲劳性能

本部分将研究长期老化(PAV法)后各种沥青的疲劳性能。按照规范AASHTO TP101-14(2015)，通过线性幅度扫描(Linear Amplitude Sweep，LAS)试验，7种沥青的疲劳指标计算结果如表3所示。经分析可以发现，SBS和高粘高弹沥青的疲劳参数A远远大于其他基质沥青，改性沥青的参数B明显大于正常的基质沥青。参数B反映了材料疲劳性能对应变的敏感性。参数B越小，其对应变的敏感性越高。通过疲劳寿命进行对比，改性沥青SBS和高粘高弹沥青的疲劳寿命无论在应力为2.5%还是5.0%时都相对较大，说明其抗疲劳性能相对较好。

表3 不同种类沥青疲劳指标计算结果

3 结语

本文研究了东北地区沥青路面中7种常见沥青，对比分析了沥青短期老化前后的三大性能指标(针入度、软化点以及延度)的变化，并通过MSCR,BBR以及LAS试验分别研究了沥青的路用性能(高、低温以及疲劳性能)。主要结论如下：

1)LH类基质沥青短期老化前后的常规三大性能(针入度、软化点以及延度)普遍优于HY类，其高、低温性能比HY类更佳。2)改性沥青SBS以及高粘高弹沥青的高温、低温以及疲劳性能更优于基质沥青。但考虑道路等级以及实际的自然气候，可以合理选择性价比高的沥青种类。3)基于区域道路所处的公路自然环境，极有必要建立相应的沥青使用性能数据库，从而能更快捷、更信息化地指导当地道路工程建设。