高黏改性瀝青常規性能與流變性能相關性分析

王鵬 呂大春 潘昊宇

摘要：為研究高黏改性瀝青常規性能與流變性能的相關性，文章從高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍及溫度敏感性四個方面，對摻量分別為0%、6%、8%、10%及12%的高黏改性瀝青進行試驗分析。結果表明：高黏改性瀝青的軟化點和當量軟化點分別與HT呈線性關系、多項式關系，隨HT的增加而不斷上升;高黏改性瀝青LT與5℃延度、當量脆點T1.2均呈多項式回歸關系，使用當量脆點T1.2比5℃延度更能準確地表達高黏改性瀝青的低溫性能;高黏改性瀝青的塑性溫度范圍與可使用溫度、針入度指數|PI|值與復數模量指數|GTS|均具有良好的相關性，表現出規律一致性;當缺少動態剪切流變儀時，可分別采用塑性溫度和針入度指數評價高黏改性瀝青的可使用溫度范圍和感溫性能。

關鍵詞：瀝青結合料;高黏改性瀝青;常規性能;流變性能;相關性

0 引言

瀝青及瀝青混合料的路用性能受諸多因素影響，但原材料的性能質量影響最大。目前，世界各國基本都形成了自己國家的瀝青及瀝青混合料評價技術，主要分為三種：（1）以針入度為劃分等級的評價體系;（2）以60℃黏度為劃分等級的評價體系;（3）基于瀝青流變學原理開發的PG分級體系。

我國目前主要采用的是針入度等級評價體系，屬于經驗性評價體系，優點是儀器設備簡單、操作方便、人員操作要求較低且易推廣。但缺點也很明顯：（1）儀器設備精度不高，實驗可重復性較差;（2）評價指標物理力學意義模糊，不能很好地反映瀝青的性能;（3）同一針入度等級瀝青使用性能存在差異性顯著，不能很好地控制瀝青的使用性能;（4）未考慮長期老化的影響。而瀝青PG分級體系是專門針對瀝青的粘彈特性開發出來的評價體系，具有精度高、可重復性好等特點，但因儀器價格較高導致普及率較低。

建立瀝青的常規性能指標和流變性能指標之間的聯系，既可提高瀝青評價性能的準確度，又可降低性能評價的使用成本。但由于瀝青自身粘彈形變隨溫度不斷變化的特點，之前很多研究嘗試建立廣泛的常規性能指標和流變性能指標之間的相關性，但效果不理想，沒有得到大規模的應用。究其原因，主要是不同基質瀝青和改性瀝青的制備工藝不同、油源不同及內部結構差異等因素造成。但如果單純對某種改性瀝青的常規性能指標和流變性能指標進行相關分析[1]，那么二者的定量關系的可靠度就會得到大幅提高，

這可為將來建立常規性能指標和流變性能指標的關系提供新思路。

本研究通過高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍和溫度敏感性四個方面，對不同摻量的高黏改性瀝青的常規指標和流變指標進行試驗及分析，旨在建立其相關性。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗對70#A級道路石油瀝青加入意大利Ⅰ型高黏改性劑進行改性，基質瀝青滿足現行規范[2]要求，技術指標見表1。

高黏改性劑外觀為淺黃色顆粒狀（見圖1），改性試驗采用外摻法（分別為基質瀝青質量的0%、6%、8%、10%及12%）。

1.2 高黏改性瀝青的制備

基質瀝青在135℃下加熱1h后，摻入相應比例的高黏改性劑并拌勻，發育（155℃±5℃）2h后，用高速剪切儀以4000r/min的轉速剪切1h（165℃±5℃），直至改性劑全部溶解且分散均勻于瀝青中，高黏改性瀝青制備完成[3]。

1.3 常規性能試驗

對5種不同摻量高黏改性瀝青分別按照規范JTGE20-2011中T0604-2011、T0606-2011及T0605-2011進行不同溫度下針入度、軟化點及延度試驗。

由于我國基質瀝青蠟含量普遍偏高，為更準確地表達瀝青的溫度敏感性及高低溫性能，采用針入度指數PI作為瀝青溫度敏感性的評價指標[4]，見式（1）和式（2）;T800和T1.2作為評價瀝青高低溫性能的評價指標，見式（3）和式（4）;瀝青的塑性溫度區間則采用T800-T1.2，表示瀝青的可使用溫度范圍見式（5）。

1.4 流變性能試驗

對5種不同摻量高黏改性瀝青分別按照規范JTGE20-2011中T06027-2011、T06028-2011進行彎曲梁流變儀試驗和動態剪切流變儀試驗。

瀝青是一種感溫性能材料，其溫度敏感性可采用復數模量指數GTS來評價。復數模量指數GTS通過lglgG*-lgT數據回歸分析得到，如式（6）所示：

瀝青的PG高溫連續分級溫度（HT）代表瀝青在正常服役過程中可承受的最高工作溫度，見式（7）;PG低溫連續分級溫度（LT）代表瀝青在正常服役過程中可承受的最低工作溫度，見式（8）：

2 試驗結果分析

2.1 高溫性能相關性分析

在SHRP的流變性能評價體系中，PG高溫連續分級溫度是評價瀝青高溫性能的重要指標，而在我國的瀝青評價體系中，軟化點和當量軟化點是評價瀝青高溫性能的重要常規指標。若可以將這兩種不同體系中評價瀝青高溫性能的指標聯系在一起，得出它們之間的相關性，那么這對快速準確評價高黏改性瀝青的高溫性能大有裨益。

由圖2可知，高黏改性瀝青PG高溫連續分級溫度與當量軟化點呈二次多項式回歸關系，回歸決定系數達到0.9949。隨著高黏改性瀝青PG高溫連續分級溫度不斷增加，當量軟化點也隨之上升，但升高速度不斷減緩。

由圖3可知，高黏改性瀝青PG高溫連續分級溫度與軟化點呈線性關系，回歸決定系數達到0.99以上。隨著高黏改性瀝青PG高溫連續分級溫度不斷增加，軟化點也隨之上升。通過以上分析表明，當無法采用動態剪切流變儀評價高黏改性瀝青結合料的高溫性能時，可以通過常規性能中的軟化點對其進行評價，并可以根據換算公式，較為精確地計算出高黏瀝青的PG高溫連續分級溫度。

2.2 低溫性能相關性分析

PG低溫連續分級溫度是基于流變學理論推導出來以評價瀝青低溫性能的指標，其力學指標比較明確，而低溫延度和當量脆點T1.2指標雖然經驗性比較強，但卻是我國評價瀝青低溫性能的常用指標。因此，分析兩者之間的相關性具有重要意義。

從圖4和圖5可知，PG低溫連續分級溫度與5℃延度、當量脆點T1.2的回歸決定系數均可達到0.97以上，表明它們之間的相關性非常好。隨著PG低溫連續分級溫度不斷增加，高黏改性瀝青的5℃延度不斷降低，當量脆點T1.2不斷增加。從圖4和圖5還可以得知，PG低溫連續分級溫度與當量脆點T1.2的回歸決定系數比PG低溫連續分級溫度與5℃延度的回歸決定系數高，這表明在常規指標中，使用當量脆點T1.2比5℃延度更能準確地表達高黏改性瀝青的低溫性能。

2.3 使用溫度區間相關性分析

可使用溫度范圍和塑性溫度均代表瀝青的服務溫度范圍，表征瀝青在外界環境的服務溫度區間。可使用溫度范圍是通過PG連續分級的高溫和低溫差值計算出來的，力學性質更加明確，而塑性溫度是通過當量軟化點和當量脆點的差值計算出來的，經驗性更強一些。故這兩者之間既有密切的聯系又有些許區別。

從圖6可知，高黏改性瀝青的塑性溫度范圍隨著可使用溫度范圍的增加而增大，并表現出良好的多項式關系。這表明兩者評價高黏改性瀝青服務溫度范圍具有一致性，當缺少高黏改性瀝青的可使用溫度范圍測量手段時，可通過塑性溫度范圍進行公式換算得出。

2.4 溫度敏感性相關性分析

瀝青是一種粘彈性材料，具有較強的溫度敏感性，在我國采用針入度指數PI來評價瀝青的這種性能，但是其本身是一種經驗指標的導出值，故精確性不及復數模量指數|GTS|。若能找出這兩者之間的聯系，通過換算確定復數模量指數|GTS|值，具有十分重要的現實意義。

從圖7可知，高黏改性瀝青的復數模量指數|GTS|與針入度指數|PI|值的相關性非常好，回歸決定系數達到0.96以上，表明兩者在評價高黏改性瀝青溫度敏感性時具有一致性，當缺少動態剪切流變儀時，可采用針入度指數評價高黏改性瀝青的感溫性能。

3 結語

（1）高黏改性瀝青軟化點和當量軟化點分別與HT呈線性關系、多項式關系，回歸決定系數均達到0.99以上。隨著高黏改性瀝青HT的不斷增加，軟化點和當量軟化點也隨之上升。

（2）高黏改性瀝青LT與5℃延度、當量脆點T1.2均呈多項式回歸關系，但與當量脆點T1.2的回歸決定系數更高，使用當量脆點T1.2比5℃延度更能準確地表達高黏改性瀝青的低溫性能。

（3）高黏改性瀝青的塑性溫度范圍與可使用溫度、針入度指數|PI|值與復數模量指數|GTS|均具有良好的相關性，表現出規律一致性。當缺少動態剪切流變儀時，可分別采用塑性溫度和針入度指數評價高黏改性瀝青的可使用溫度范圍和感溫性能。

參考文獻：

[1]叢卓紅，吳喜榮，鄭南翔，等.高黏度改性劑對瀝青性能的影響[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2011，30（4）：759-762.

[2]JTGF40-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

[3]唐麗榮，呂大春，胡松山，等.濕熱氣候下高黏改性劑對瀝青使用性能的影響研究[J].西部交通科技，2019（6）：1-4，12.

[4]于保陽，高 超，張榮華.基于東北季凍區氣候下高黏改性瀝青性能研究[J].中外公路，2019，39（1）：278-282.

[5]王 威，馬德崇，樊長昕，等.硬質瀝青老化前后流變分析及高溫性能比較[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（6）：48-52.

[6]曾夢瀾，朱 桃，胡圣魁，等.布敦巖瀝青改性瀝青Superpave使用性能研究[J].湘潭大學自然科學學報，2014，36（2）：30-35.