沥青胶结料高温变形评价指标及性能研究

韩 良

(湘潭市交通建设质量安全监督站,湖南 湘潭 411100)

1 原材料试验

1.1 试验材料

本次选用两种基质70#沥青A和B和改性沥青SBS(A)和SBS(B)。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTD E20—2011)》[4]中相关试验要求测试四种沥青技术指标,由表1可知,两种70#基质沥青的各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范(JTD F40—2004)》[5]对1区A级沥青技术要求和两种改性沥青的各项指标均符合SBS类(Ⅰ—D)技术要求。

表1 四种沥青技术指标

1.2 原材料试验

(1)针入度分级标准补充试验

25 ℃针入度并不能直接衡量沥青胶结料高温性能,虽然有软化点指标综合控制,但是因沥青中蜡含量的影响,在环球法软化点试验中,蜡会吸收部分热量,出现软化点虚高的情况,蜡含量越高,软化点虚高的程度越大,因不同品种的沥青蜡含量都不同,单一软化点指标无法准确评价基质沥青胶结料高温稳定性。

对于改性沥青而言,软化点也无法与沥青胶结料高温性能指标直接关联,如表1所示,SBS(B)老化前软化点达到74.5 ℃,老化后软化点75.4 ℃高于老化前,为排除试验误差,对两种SBS改性沥青进行三次软化点平行试验,如下表2所示,软化点数值差距最大是原样SBS(B)改性沥青3.8 ℃,但发SBS(B)改性沥青老化前后软化点变化规律相同。

表2 试验误差对软化点的影响

SBS改性沥青短期RTFOT老化85 min后,会出现软化点比老化前高或低的现象,原健安、张争奇等[6-7]认为这是SBS改性剂与基质沥青相互作用的原因或者是不同改性剂的影响。不同的改性剂SBS改性沥由基质沥青和改性剂组成,RTFOT老化85 min后,不仅“老化”基质沥青也“老化”改性剂,这种“老化”影响了基质沥青与改性剂的相互作用[8]。在标准试验方法条件下,SBS改性沥青的软化点与沥青胶结料高温性能关联不大,甚至会出现SBS改性沥青软化点高而混合料高温性能较差的现象,为更好研究针入度分级体系中沥青高温性能指标,本次试验中增加15 ℃针入度、30 ℃针入度试验用来计算针入度指数PI和当量软化点T800。

针入度计算PI

(1)

式中:Algpen表示采用15 ℃、25 ℃、30 ℃针入度经回归计算求得的斜率。

针入度计算当量软化点T800。

通过在15 ℃、25 ℃、30 ℃针入度值,取对数后,回归得到针入度回归系数A和K,T800可以直接通过以下公式求得

(2)

(3)

沈金安等[9]认为公式(2)计算当量软化点T800能避免25 ℃针入度测定不精确带来的误差,故本文采用公式(2)计算当量软化点T800。

DSR试验测定G*/sinδ车辙因子

PG分级标准中,沥青的高温稳定性是通过动态剪切流变仪(DSR)测得沥青的复数剪切劲度模量G*和相位角δ来综合评价。G*定义为沥青最大应力与最大应变之比,用于体现沥青胶结料抵抗变形的能力;δ定义为弹性成分与粘性成分之比,δ越大说明粘性性能比例越高,越不利于其抗高温变形能力;G*/sinδ抗变形车辙因子用于衡量沥青胶结料在高温条件下抗变形能力,G*/sinδ越大,沥青流动变形越小,抵抗变形能力越强[10]。

沥青胶结料的老化主要分为短期老化和长期老化。短期老化是指沥青胶结料与集料等搅拌前后的老化,称为热老化,与温度相关;长期老化是主要是指沥青在水、紫外线、温度和荷载多重耦合作用下与空气中的氧发生化学反应,称为氧化老化。SHRP研究认为,沥青路面高温变形主要是因为沥青胶结料的“热老化”,为使试验项目和数据能实际指导工程实践,动态剪切流变仪(DSR)测定不仅要测原样沥青的复数剪切劲度模量G*和相位角δ,还需测短期老化85 min后(RTFOT)的沥青。

本次试验对于四种沥青试样的测试温度从58 ℃开始,每间隔6 ℃提升一个温度等级,剪切速率10 ad/s。沥青的车辙因子G*/sinδ要求大于1.0 kPa短期老化后沥青的抗变形车辙因子G*/sinδ要求大于2.2 kPa,当沥青G*/sinδ=1.0 kPa(短期老化沥青G*/sinδ=2.2 kPa)时沥青试验所处的温度就是失效温度。结合普通沥青和旋转薄膜老化后的沥青的动态剪切试验结果,可以得出沥青胶结料PG分级标准的高温等级。

如表3所示,在同一温度条件下,基质沥青的复数剪切劲度模量G*小于SBS改性沥青而相位角δ大于改性沥青,基质沥青抗变形车辙因子小于SBS改性沥青抗变形车辙因子,这说明相同温度下,SBS改性沥青比原基质沥青高温性能优越。根据PG分级标准要求,如表3和表4所示,A基质沥青和B基质沥青的PG高温等级是64;SBS(A)和SBS(B)高温等级是70,添加改性剂后提高了沥青抵抗高温变形的能力。相同试验温度下,短期化前G*比老化后小,而短期老化前δ比老化后大,与车辙因子G*/sinδ老化前后变化规律统一。

表3 四种沥青G*,δ和G*/sinδ指标

表4 四种沥青短期老化后G*、δ和G*/sinδ指标

2 试验结果分析

2.1 分析方法

PG分级试验设备费用较大且试验方法相对于针入度分级复杂,目前只有各大科研院校和机构购买整套设备,无法在项目工地试验室甚至是母体试验室普及,所以在项目工程实际中应用不多,但是因其是建立在沥青结合料高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性和耐久性(抗老化性)等各项路用性能基础上提出的指标,依据工程项目所在的环境温度和交通量等情况选择沥青等级,国内越大越多研究者都关注着如何建立起两大标准两胶结料评价指标建的联系。为研究沥青高温变形评价指标,本文通过灰色关联法,分析两大标准中关于高温稳抗变形指标间的联系。

灰色关联法源于邓聚龙提出的灰色关联理论[11-13],是通过已知因素(针入度分级标准中相关指标)研究与目标因素(G*/sinδ)最相关的因素。考虑到针入度分级标准中,与沥青高温性能相关性比较大的是软化点、T800、60 ℃动力粘度和135 ℃运动粘度、PI等,因60 ℃动力粘度和135 ℃运动粘度数据是其它指标一半,在同一情况下进行灰色关联法分析,会造成关联度虚高或虚低的情况,所以此次不关联粘度指标。出于整体考虑,25 ℃针入度、残留针入度比也作为比较数列(Xk)。以G*/sinδ为目标数列(X0),分析我国针入度分级标准与PG分级标准中,沥青高温指标的相关性。

2.2 结果分析

通过灰色关联法无量纲均值计算我国针入度分级标准与PG分级标准中沥青高温抗变形指标的相关性,如表5所示。

表5 四种沥青各指标高温性能关联度分析

沥青短期老化RTFOT前,64 ℃(改性沥青是70 ℃)G*/sinδ与25 ℃针入度、针入度指数PI、软化点、当量软化点T800和残留针入度比分别是0.615 2(r1)、0.8516(r2)、0.8349(r3)、0.8691(r4)和0.7901(r5)。r4>r2>r3>r5>r1,即与目标因素关联度从大到小的排列是:当量软化点T800>针入度指数PI>软化点>残留针入度比>25 ℃针入度。沥青短期老化RTFOT后,64 ℃(改性沥青是70 ℃)G*/sinδ与25 ℃针入度、针入度指数PI、软化点、当量软化点T800和残留针入度比分别是0.7800(r1)、0.8636(r2)、0.7507(r3)、0.8785(r4)和0.7521(r5)。r4>r2>r1>r5>r3,即与目标因素关联度从大到小的排列是:当量软化点T800>针入度指数PI>25 ℃针入度>残留针入度比>软化点。软化点和25 ℃针入度前后顺序相反,造成这种情况的原因,一方面是基质沥青和SBS改性沥青短期老化RTFOT前后软化点变化规律成相反关系;另一方面是因为短期老化RTFOT前后针入度变化程度,基质沥青要大于SBS改性沥青,造成软化点和25 ℃针入度两个比较因素数据“中和”。为消除数据“中和”影响,将基质沥青和SBS改性沥青分开考虑,通过数据整理分析能得出与目标因素最相关的仍是当量软化点T800和针入度指数PI。

3 结 论

当量软化点T800和针入度指数PI相关性非常好,都是由三个不同温度针入度计算得出,且当量软化点T800与目标因素G*/sinδ关联程度要大于针入度指数PI,得出针入度分级标准中当量软化点T800指标与PG分级标准中高温性能指标抗变形车辙因子G*/sinδ关联程度最高;

通过DSR试验可知,改性沥青高温性能要优于原基质沥青;

SBS改性沥青短期RTFOT老化85 min后,SBS(B)老化前软化点低于老化后软化点而SBS(A)老化前软化点高于老化后,软化点变化规律复杂,这是受改性剂与基质沥青相互作用的原因或者是不同改性剂的影响。