非洲西部地区典型硬质沥青技术性能

束毅力， 田绍强， 张俊杰， 丛昕彧， 谭忆秋,3

(1.中国路桥工程有限责任公司， 北京 100011； 2.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院， 哈尔滨 150090; 3.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室， 哈尔滨 150090)

随着中国援助非洲国家的建设项目逐步增多，包含许多国家在内的非洲西部地区(以下简称西非)是中国工程项目的重要海外市场[1-2]。然而随着援建项目逐渐增多，中国企业以往低端、粗放的建设方式难以适应高层次、高技术含量的大型项目需求，在西非地区工程项目的建设中也遇到了许多突出问题。

西非地区终年气候炎热，交通重载比例高，超载现象严重，许多公路出现了不同类型的路面病害。在炎热气候和重载车辆的综合作用下，路面车辙病害尤其突出。由于西非地区经济发展受限，硬质沥青凭借成本优势和优异的抗车辙性能，在当地拥有良好的应用潜质。然而，由于国内针对硬质沥青专门的规范标准较少，对于低标号沥青使用经验停留在30#沥青上[3]，往下就少有研究分析。这限制了硬质沥青在当地应用推广。

硬质沥青作为解决车辙和耐久性不足的有效手段，在全世界范围内获得了广泛关注。法国最早使用硬质沥青并将其纳入高模量沥青混合料(enrobés á module elevé/high modulus asphalt，EME)成套技术，英国、芬兰等欧洲国家对硬质沥青相继展开研究，通过使用硬质沥青减少面层厚度并将其纳入耐久性研究项目体系。可以看出，欧洲针对硬质沥青的研究比较成熟并形成了系统的规范体系[4]。相较于国外，国内针对硬质沥青的研究虽然起步较晚，对硬质沥青路用性能[5-6]、黏弹响应[7-8]、配套设计方法[9-11]等方面同样进行了大量研究，并取得了一系列有益成果。然而，由于气候差异，国内规范中许多指标及方法难以同西非国家直接对接[12]。因此，针对西非地区的特殊气候条件展开研究，建立西非地区硬质沥青使用性能指标和气候分区方法具有十分重要的意义。

一般地，硬质沥青在高温和耐久性能方面有十分优异的表现[13]。针入度等级越低的硬质沥青，相应的高温性能也会越好[14]。硬质沥青模量高而脆性差[15]，其低温性能往往较差，相比欧洲的低温脆点指标，中国气候较为严苛，针对硬质沥青的低温性能更为关注[16-18]，硬质沥青低温延度往往不符合要求,过往研究采用美国战略公路研究计划(strategic highway research program，SHRP)方法评价30#硬质沥青表明其低温性能良好[19]。同时经验表明，有些硬质沥青延度不符合要求，但在实际使用时性能良好，过分强调延度指标往往会限制部分硬质沥青的使用潜力。另一方面，中国沿用低标号沥青习惯仍采用针入度对硬质沥青进行分级，相较于欧盟的针入度辅助分级，中国对针入度依赖性较强，标号与针入度等级均一一对应，划分标准过于绝对不利于性能区分。此外，部分研究指出，即使是针入度相近但不同油源的硬质沥青其性能差异也会非常巨大[20]。由此可见，建立适宜的硬质沥青评价指标及体系，对于选择和控制硬质沥青的质量是十分必要的。

基于上述分析可知，硬质沥青在西非地区有广阔的应用前景，然而由于中国尚无专门的硬质沥青技术标准体系。因此，针对西非地区建立相关硬质沥青性能控制指标和利用标准具有重要意义。为了探究西非典型硬质沥青性能特点，给出西非硬质沥青满足的气候分区建议，并提出适合评价西非硬质沥青低温性能的关键指标，现通过选择西非地区常用的3种典型硬质沥青，分别进行常规物理性能测试、化学组分测试、流变性能测试、疲劳性能测试、高低温性能测试，对包括硬质沥青蠕变劲度在内的5种低温性能指标进行统计分析，并给出评价西非典型硬质沥青适宜的低温性能指标。以期为制定硬质沥青质量评定标准给出建议，同时为中国在西非等地区工程项目属地化应用提供依据。

1 原材料

硬质沥青主要为3种：Termcotank、DHS、ERES。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对其进行检测，3种沥青的主要性能指标如表1所示。

表1 3种硬质沥青主要技术指标Table 1 The main index of three hard asphalts

可以看出，3种硬质沥青中，除了ERES外，其他两种的低温延度指标不符合要求，其他指标均能满足规范要求。同时为了后续比较不同指标，增加了欧洲规范中针对硬质沥青常用的弗拉斯脆点这一指标。

2 试验方法

2.1 动态剪切流变试验

动态剪切流变仪(dynamic shear rheometer，DSR)是评价高分子材料在一定温度或频率下流变特性的常用仪器，如图1所示。同时，也能在规定应变荷载作用的条件下，通过对沥青试件施加固定振幅的正弦位移形式的荷载，进行动态频率测试得到复数剪切模量和相位角等流变学参数。DSR测试的试验温度由DSR和水域控制单元共同控制，控制精度可达0.001 ℃。为保证在试样沥青的线性黏弹性范围内进行流变测试，本项目分别在低温和中温条件下(4、10、16、22、28、34 ℃)进行0.1～10 Hz范围内的频率扫描时，采用8 mm平行夹具和2 mm的平行板间隔，在高温条件下(40、46、52、58、64、70、76、82 ℃)进行0.1～10 Hz范围内的频率扫描时，采用25 mm平行夹具和1 mm的间隔。

图1 动态剪切流变仪Fig.1 Dynamic shear rheometer

2.2 重复蠕变恢复试验

重复蠕变恢复试验(multiple stress creep recovery，MSCR)反映的是在不同恒定应力下沥青的受力变形特性。该试验同样采用动态剪切流变仪测试。撤掉应力后，部分蠕变变形会逐渐恢复，而其未能恢复的变形将会被累加到下一个荷载循环过程中，可以反映出沥青路面重复荷载下的应变类型特性。具体为将样品在0.1 kPa应力水平下加载1 s，卸载9 s，重复20个循环；接着将样品在3.2 kPa应力水平下加载1 s，卸载9 s，重复10个循环。采用重复蠕变恢复试验对不同沥青在PG高温下经过两个大小的应力(0.1 kPa和3.2 kPa)的蠕变回复率，不可恢复蠕变柔量进行测定比较。

2.3 弯曲梁流变试验

弯曲梁流变试验(bending beam rheometer，BBR)经SHRP战略计划率先提出，现已广泛应用于评价沥青低温等级。如图2所示，采用弯曲梁流变仪进行试验，具体为：制作尺寸为125 mm×12.5 mm×6.25 mm的沥青小梁，采用100 g荷载对其加载1 s，卸载20 s,然后继续加载100 g荷载，整个试验持续240 s,采用蠕变劲度S和蠕变斜率m来评价低温性能。选择-12、-6、0 ℃共3种测试温度，得到在恒定荷载下挠曲变形随时间的变化。

图2 弯曲梁流变仪Fig.2 Bending beam rheometer

2.4 线性振幅扫描试验

沥青材料的疲劳性能是影响沥青路面耐久性的关键参数之一，且沥青路面的疲劳破坏是路面开裂的最常见形式，疲劳开裂主要是由于路面承受重交荷载及沥青长期老化造成的。参考ASTM D6521，研究长期老化(pressurized aging vessel，PAV)后两种沥青的疲劳性能。线性幅度扫描(linear amplitude sweep，LAS)试验采用动态剪切流变仪完成，试验方法由两部分组成，第一部分是频率扫描，应在较低频率下进行，避免对沥青材料造成损伤，频率扫描范围为0.1～30 Hz，应变为0.001。第二部分是固定频率(10 Hz)下的应变线性幅度扫描，应变范围为0.01～0.3。对在不同沥青进行LAS试验，获得疲劳方程中的参数A和参数B，并以此为基础计算不同荷载水平下沥青的疲劳寿命。

2.5 沥青族组成分析试验

石油沥青是由多种化合物所组成的混合物，将沥青分离为化学性质相近的几个组分，以便更细致地分析沥青不同组分对沥青性能的影响。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中四组分分析法，将3种硬质沥青分别分为4个组分：饱和分、芳香分、胶质和沥青质。按照溶剂沉淀法分离沥青组分，整个试验过程如图3所示。

图3 沥青化学组分试验Fig.3 Asphalt chemical component test

3 试验结果与分析

3.1 常规性能与簇组分分析

对以上3种沥青(Termcotank、DHS、ERES)进行常规性能分析，结果如图4所示。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，该沥青分别属于30#、50#沥青，按照欧盟规范，前两种可以划分到30～45或35～50，而后一种沥青属于40～55。可以看出欧洲的针入度分级有重叠部分，表示针入度并不对分级起决定性作用，具体划分到哪一等级还需要参考软化点、老化等其他指标。另一方面，欧洲针对硬质沥青标号划分更为细致，同一标号下沥青针入度的变异性较小，有利于工程上对沥青性能的区分。对于软化点结果而言，两种沥青基本满足中国规范中软化点不小于49 ℃的要求。

图4 针入度与软化点试验结果Fig.4 The test results of penetration and soft point

从图5可以看出，两种硬质沥青的60 ℃动力黏度远高于中国针对30#号沥青的规范要求， 表示抗变形能力优异，高温性能较好，然而对于延度指标，Termcotank沥青15 ℃下延度仅为7.2 cm，远低于规范要求。另一方面，可以看出3种硬质沥青的低温延度数据差异较大，但反映在黏度上则变异性不大，说明不能仅靠提高延度来保证沥青性能，还需要考虑综合指标。

图5 动力黏度与运动黏度试验结果Fig.5 The test results of dynamic viscosity and kinematic viscosity

为了更深层次探明影响硬质沥青性能的内在因素，对3种硬质沥青(Termcotank、DHS、ERES)进行四组分化学组成分析，测试结果如表2所示。其中胶体稳定指数表示为

(1)

式(1)中：w为4组分在沥青中占据的质量分数，Re代表胶质，Ar代表芳香芬，As代表沥青质，Sa代表饱和芬。

表2中还给出了胶体稳定指数Ic，该参数是表征油分对于沥青质的分散能力强弱，其值越大，说明油分对于沥青质的分散能力越弱，沥青的胶体结构越不稳定。沥青老化后的性能变化与这一指标有较大的关系。由表2可知，Termcotank沥青的Ic值最大，其胶体稳定性最差，最容易发生老化。可以看出Termcotank沥青中沥青质和胶质合起来的含量最多，这会导致沥青中油分分散能力变弱。

表2 硬质沥青四组分数据Table 2 The results of SARA in three hard asphalts

3.2 流变及疲劳性能分析

试验分别在40、46、52、58、64、70、76、80 ℃ 8种温度条件下分别进行频率扫描，最终根据时温等效原理，以64 ℃为选定的参考温度，通过时温转化因子将各个温度下获得的单独曲线进行时间域或频域的平移，从而得到一条平滑的主曲线。选用克里斯滕森-安德森-马尔-阿斯蒂努(Christensen-Anderson-Mar-asteanu，CAM)模型作为复数剪切模量主曲线模型，包括动态剪切模量模型和相位角主曲线模型两部分，选用威廉姆斯-兰德尔-费里(Williams-Landel-Ferry，WLF)公式计算时温转化因子。在确定主曲线模型参数时，为了同时兼顾沥青的所有黏弹信息，设置的目标误差函数方程如式(2)～式(4)所示。

(2)

(3)

式中：Gg为玻璃态复数模量；v、w为形状参数；ωR、ωc分别为缩减频率和交叉角频率；G*和δ分别为复数剪切模量和相位角。

(4)

式(4)中：N为测量的点数；下角标d表示测量值，下角标m表示模型计算值。

3种沥青Termcotank、DHS和ERES的不同老化程度下的主曲线如图6～图8所示。

图6 DHS沥青主曲线Fig.6 The master curve of DHS hard asphalt

图7 ERES沥青主曲线Fig.7 The master curve of ERES hard asphalt

图8 Termcotank沥青主曲线Fig.8 The master curve of Termcotank hard asphalt

随着缩减频率的增大，沥青的动态剪切模量增大，相位角减小，沥青的弹性增强，黏性减弱。综合考虑沥青的高低温性能，在高温时，动态剪切模量较大的沥青具有较好的抗车辙能力；低温时，动态模量较小的沥青具有较好的应力松弛性能，抗低温开裂能力较强。对比3种沥青发现，Termcotank沥青在高频率下其动态剪切模量较小，相当于低温下动态剪切模量较小，在低频率下动态剪切模量较大，相当于高温下的动态模量较大，由此发现，Termcotank沥青具有较好的高低温性能。随着沥青老化程度的加深，3种沥青的动态剪切模量增大，相位角减小，说明老化会导致沥青的弹性增强，黏性减弱。对比3种沥青发现，Termcotank沥青的动态剪切模量和相位角变化相对较小，说明其具有较好的抗老化性能。

采用重复蠕变恢复试验(MSCR)对不同沥青在PG高温下经过两个大小的应力(0.1 kPa和3.2 kPa)的蠕变恢复率、不可恢复蠕变柔量进行测定比较。试验结果如表3所示。

表3 回复率和不可恢复蠕变柔量Table 3 The results of percent recovery and non-recoverable creep compliance

在重复应力加载的条件下，沥青的蠕变回复率越大，不可恢复蠕变柔量越小，代表着沥青的高温性能越良好。由表3中数据可知，3种沥青在3.2 kPa应力条件下的蠕变回复率均小于0.1 kPa应力条件下的蠕变回复率；而3.2 kPa应力条件下的蠕变柔量均大于0.1 kPa应力条件下的蠕变柔量，由此可知应力水平越小沥青恢复能力越强。对比发现，低标号的沥青表现出更好的高温性能，相同条件下更适用于温度较高的地区。

参考规范ASTM D6521研究长期老化(pressurized aging vessel，PAV)后两种沥青的疲劳性能。对原样沥青和短期老化后的沥青进行动态剪切试验，通过计算疲劳因子G*sinδ来分别确定疲劳试验的温度，并研究不同沥青的抗疲劳性能。对长期老化的沥青进行不同温度下的动态剪切流变实验，剪切频率为10 rad/s，根据测得的复数模量G*和相位角δ计算疲劳因子G*sinδ。满足要求的试验温度为25 ℃。为了分析不同温度对疲劳寿命的影响，设定的测试温度为22、25和28 ℃。线性幅度扫描(LAS)试验方法由两部分组成，第一部分是频率扫描，应在较低频率下进行，避免对沥青材料造成损伤，频率扫描范围为0.1～30 Hz，应变为0.001。第二部分是固定频率(10 Hz)下的应变线性幅度扫描，应变范围为0.01～0.3。对在不同沥青进行LAS试验，获得疲劳方程中的参数A和参数B，并以此为基础计算不同荷载水平下沥青的疲劳寿命。

图9 沥青疲劳寿命Fig.9 The fatigue life of three hard asphalts

由图9可知，疲劳寿命随着应变水平的增大会显著减小。3种硬质沥青在25 ℃的抗疲劳性能排序为：ERES

3.3 气候分区适用性分析

首先确定三种硬质沥青的高低温等级，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，通过弯曲梁流变试验确定低温等级。确定不同状态下沥青的PG分级中的高温等级具体方法为：对原样沥青和经过短期老化的沥青在58、64、70、76、82 ℃进行动态剪切流变实验，根据测得的复数模量G*和相位角δ，来计算车辙因子G*/sinδ。

车辙因子计算结果分别如图10和图11所示，据ASTM D7405规范可知，经过短期老化后的沥青车辙因子要大于2.2 kPa，原样沥青的车辙因子要大于1.0 kPa。对比沥青短期老化(rolling thin-film oven test， RTFOT)结果可知，短期老化后3种沥青的PG高温分级维持不变。且硬质沥青Termcotank(30～45)的PG温度较高，可应用于温度更高区域的路面建设。Termcotank、DHS、ERES三种沥青的高温等级分别为76、70和70 ℃。

图10 原样沥青车辙因子计算结果Fig.10 The test results of G*/sinδ of original asphalt

图11 短期老化沥青车辙因子计算结果Fig.11 The test results of G*/sinδ after RTFOT

在低温性能方面，由表4试验结果可以看出，温度升高后，蠕变劲度S逐渐减小，蠕变速率逐步升高。随着针入度等级提高，蠕变劲度变小，蠕变速率增大。蠕变劲度越大表示沥青越坚硬，越容易低温开裂。蠕变速率表示应力松弛的能力，蠕变速率越大则应力松弛越快，应力积累得越少，对应的低温表现越好。

表4 3种硬质沥青的BBR试验结果Table 4 The BBR test results of three different hard asphalts

3种硬质沥青对应的高低温等级如表5所示。

表5 不同硬质沥青的PG分级Table 5 The PG grade of different hard asphalts

高温设计温度采用一年中温度最高的7 d周期的由空气温度转换过来的路表下20 mm深处的平均最高温度，称为MAXPVT，计算公式为

TMAXPVT=Tair-0.006 18Lat2+0.228 9Lat+

42.2)×0.954 5-17.78

(5)

式(5)中：TMAXPVT为路面高温设计最高温度，℃;Tair为最高气温，℃；Lat为纬度。则最高气温可表达为

Tair=1.048TMAXPVT+18.63-42.2-0.228 9Lat+0.006 18Lat2

(6)

路面最高设计温度采用PG分级对应高温温度，西非地区纬度范围为34°51′N～37°21′N，转换为数学语言即(-34.85，37.35)，上述二元一次方程在该范围内在北纬18.519°取得极值，对应计算出最高适用气温，两种沥青Termcotank、DHS分别为60 ℃和48 ℃，对于低温分区而言，加拿大C-SHRP(Canada-strategic highway research program)提出沥青路面低温状况模型，表达式为

Ts=0.749Ta

(7)

式(7)中：Ts为路表最低温度；Ta为最低气温， ℃。

由此计算的3种硬质沥青适用的最低气温为-13.4、-21.4和-21.4 ℃。根据中国气候分区表，可以看出两种硬质沥青高温等级较高，夏炎热区、夏热区、夏凉区的指标均适用，而低温等级只适用于冬冷区和冬温区。

3.4 低温评价指标分析

低温性能不足一直是应用硬质沥青过程中长期的困扰，而选择合适的低温性能评价指标来反映硬质沥青的低温性能则尤为关键。前面的试验中得到了几个关于硬质沥青的低温性能评价指标，包括常用的低温延度指标、弗拉斯脆点指标、基于Superpave流变学的低温蠕变劲度模量S和蠕变速率m。根据前面流变试验数据分别计算出玻璃态转化温度，通过分析上述5种指标，得到适宜评价硬质沥青低温性能的性能指标。其中，玻璃化转化温度可以通过动态力学计算，具体描述为：采用Gauss模型对不同温度下硬质沥青的复数损耗模量数据进行拟合，拟合公式为

(8)

式(8)中：x、y分别为试验温度和损耗模量；y0为初始损耗模量；ω为角频率；A为材料常数，一般取1；xc为损耗模量达到峰值yc后对应的实验温度，以此作为玻璃化转变温度。3种硬质沥青的玻璃化转变温度结果见表6。

从表6中可以看出，3种硬质沥青的玻璃化转变温度均有一定差异，玻璃化转变温度与分子链段运动有关，分子链段柔性越大，玻璃化转变温度就越低，相应的低温性能就越好，可以看出只有Termcotank沥青的玻璃化转变温度较高，从前面的硬质沥青簇组成分析中也可以看出，相较于其他两种沥青，Termcotank沥青的胶质和沥青质含量之和高于其他两种沥青，而这会削弱沥青中油分的分散能力，对沥青的低温性能有负面影响。为了进一步分析最适宜评价硬质沥青低温性能的指标，通过灰色关联理论分析了不同的硬质沥青低温指标与沥青化学组分间的关系，结果如表7所示。

表6 3种硬质沥青的玻璃化转变温度TgTable 6 Glass transition temperature Tg of three hard asphalts

表7 硬质沥青化学组分与低温性能指标的关联度分析Table 7 The correlation analysis of chemical composition and low-temperature performance indicator

从表7中可以看出，对于延度指标而言，沥青各组分对于其的影响敏感性不高，基本处于一致。对于玻璃化转变温度而言，芳香芬对其影响程度最小。对于蠕变劲度s也是芳香芬对其影响最小。对于蠕变速率m，则是沥青质对其影响最为显著，饱和芬对其影响最小。多数低温指标而言，沥青质、胶质呈现较为显著的影响，饱和芬和芳香芬则次之。而从表中数据可以看出，沥青簇组成参数对延度、弗拉斯脆点的关联度范围分别为：0.653～0.678、0.616～0.663，而其余3种指标(蠕变劲度s、 蠕变速率m、玻璃化温度Tg)对应的关联度范围分别为：0.593～0.748、0.591～0.726、0.594～0.732，可以看出沥青簇组分参数对前两种指标关联度范围变化较小，而后3种指标变化则较大，这说明四组分数据对于延度指标、弗拉斯脆点指标影响差异不明显，而蠕变劲度、蠕变速率、玻璃化转变温度则对于沥青组分参数较为敏感。

对上述5种指标进行统计分析，得到5种指标两两间的相关系数，结果见表8。

表8 5种低温性能指标的相关系数Table 8 The correlation coefficients of five low-temperature performance indicators

从表8中可以看出，延度和蠕变劲度有较好的相关性，而弗拉斯脆点则与玻璃化转变温度有较好的相关性。结合各指标与沥青簇组分参数的敏感性，采用蠕变劲度等代替延度等低温指标来评价硬质沥青的低温性能是适宜的。

4 结论

西非地区作为中国工程项目的重要海外市场，硬质沥青在当地的成功应用对于强化中国技术标准的认可度和扩大中国工程项目的海外影响力具有重要意义。为调查针对西非特殊气候条件的硬质沥青的适用性，分析选用硬质沥青的关键性能指标。研究了3种西非地区典型硬质沥青，对其常规物理性能，流变特性，高低温等级及疲劳性能进行了评估。基于以上分析，可得出以下主要结论。

(1)Termcotank沥青高温性能最好，低温性能略差，适合用于对高温性能要求较为严格的地区，DHS和ERES两种硬质沥青高温性能较好，低温性能亦较好，适合针对高低温均有要求的路面，两种硬质沥青除了Termcotank的低温延度其他指标均能满足我国规范要求。

(2)按照SHRP战略计划，3种硬质沥青的PG性能分级分别为PG76-10、PG70-16、PG70-16。虽然后两种硬质沥青的低温分级均为16 ℃, 从低温蠕变劲度及蠕变速率的试验结果来看，ERES沥青的低温性能略好于DHS沥青。从车辙因子和重复蠕变试验结果，3种沥青均有较好的高温性能。同时根据PG分级的结果确定了3种硬质沥青适合的气候分区。

(3)相比于低温延度指标，按照SHRP计划测试沥青低温性能指标能更准确地反映硬质沥青的适用范围，根据BBR试验结果结合西非气候条件，3种硬质沥青适用的最低气温分别为13.4 ℃和-21.4 ℃，符合中国规范中冬冷区、冬温区的相关标准。

(4)通过比较延度、弗拉斯脆点、蠕变劲度、蠕变速率、玻璃化转变温度等5种低温性能指标，相对于延度和弗拉斯脆点，蠕变劲度、蠕变速率、玻璃化转变温度等对沥青组分更加敏感，且蠕变劲度与延度有较好的相关性，建议采用蠕变劲度代替延度来评价硬质沥青低温性能。

(5)虽然针对3种硬质沥青进行高低温性能、流变特性，疲劳性能等相关测试，然而缺乏与黏度、黏附性等重要性能相关的指标，建议后续针对硬质沥青更加广泛的应用，考虑综合性指标。