基于BBR與延度試驗瀝青低溫性能對比研究

范煒東， 趙潤林， 初博文， 韓鴻宇， 張濤， 張海濤

（東北林業大學土木工程學院，哈爾濱 150040）

0 引言

基于瀝青材料在世界范圍內于道路鋪筑工程應用中修建、養護周期短、路面平整、行車舒適被廣泛應用，且依據可通過不同瀝青性能契合于不同工程應用環境的實踐特點，由此引申出三大指標用于評價不同瀝青的性能差異。美國戰略公路研究計劃（SHRP）針對瀝青路面低溫開裂的研究表明，瀝青性能對低溫開裂的貢獻率達80%［1］，隨著現代化技術改革推進，工程應用領域展現出了愈加精細化的趨勢。國內不少學者［2-4］已將BBR彎曲梁蠕變試驗等新型指標的評價方式引用納入于不同改性瀝青性能的研究中，可見BBR彎曲梁蠕變試驗等新型指標相比于三大指標能夠更加精準的反映出瀝青性能的差異。銀花和李凱［5］提出基于分數階導數黏彈性模型，利用瀝青低溫蠕變勁度模量S和蠕變速率m之間的物理方程采用蠕變柔量速率（t）表征瀝青低溫性能的指標。譚憶秋、邵顯智、張肖寧等［6］也認為評價瀝青低溫性能應從其流變特性入手，可以真實地反映瀝青低溫的變形能力及流動能力。當BBR彎曲梁蠕變試驗等新型指標作為評價標準時，其精細程度具有遠超三大指標的優勢。但是三大指標在實際應用中應用范圍比新型指標更加廣泛，其本身具有遠超于BBR彎曲梁蠕變試驗等試驗的易于操作，成本低，試驗周期短的優勢。延度試驗和BBR彎曲梁蠕變試驗同時作為評價瀝青低溫性能的指標，兩者得到的試驗結果都是正確有效的。那我們可以設想兩者的試驗結果是否存在某種邏輯性關系。我們可通過分析延度試驗的結果與BBR彎曲梁蠕變試驗的結果，論證延度試驗和BBR彎曲梁蠕變試驗的試驗結果的關系，并得出延度試驗與BBR彎曲梁蠕變試驗之間關系的邏輯性。通過進一步分析論證，可以得到影響延度試驗與BBR彎曲梁蠕變試驗結果關系的深層因素。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

海川高黏度改性瀝青HCHVA、日本TPS高黏度改性瀝青、改性瀝青HMA-1、改性瀝青HMA-2、改性瀝青HMA-3、改性瀝青HMA-4［7］。

表1 瀝青類型及技術指標

1.2 試驗方法

（1） BBR彎曲梁蠕變試驗。BBR彎曲梁蠕變試驗是通過低溫彎曲流變儀自帶軟件進行加載試驗，在一定的溫度下以恒定的應力輸入持續加載，試驗中一般給出瀝青在第8.0、15.0、30、60、120s及240s等6個點的勁度模量S及蠕變速率m，通過這兩個值來評價瀝青的低溫使用性能。

通過BBR彎曲梁蠕變試驗獲取瀝青的蠕變勁度模量S和勁度模量隨時間的變化率m。當瀝青的勁度模量S越大，表現了瀝青脆性越強，瀝青容易發生開裂破壞，當瀝青的勁度模量S值越小，瀝青具有更佳的低溫柔性，其低溫抗裂性能越好；當瀝青的蠕變速率m值增大、溫度下降，材料產生的收縮應變降低了瀝青的勁度模量S，從而使得其承受的拉應力減小，降低了瀝青開裂的可能性。

（2） 延度試驗。延度試驗是按照試驗標準制作8字形標準試件，將試件浸沒于水中，在規定溫度（5℃）及規定拉伸速率（50mm/min±2.5mm）下且在試驗中無明顯外部干擾振動（拉伸開始前暫時中斷循環，停止水流）下對試件進行拉伸，直至試件破壞或達到技術要求。在試驗中，若發現瀝青細絲浮于水面或沉入槽底時，則應在水中加入酒精或食鹽，調整水的密度至與試樣相近后，重新試驗。瀝青的延度值越高其延性及延伸效果越好。

2 基于BBR與延度試驗的不同瀝青低溫指標對比分析

2.1 延度（5℃）試驗結果分析

瀝青的延性是指當其受到外力的拉伸作用時，所能承受的塑性變形的總能力。延性的好壞一般通過延度來進行度量，延度越大，表明瀝青的塑性越好。一般來說，改性瀝青在5℃的試驗環境下，延度規范值不應少于技術要求的200mm，以下改性瀝青試驗結果均達到了技術要求。對比不同種類瀝青的相對延度關系，從圖1中5℃不同瀝青延度來看，根據延度從大到小的順序排列，可以得到瀝青的低溫性能：改性瀝青HMA-3＞海川高黏度改性瀝青HCHVA＞改性瀝青HMA-4＞改性瀝青HMA-1＞日本TPS高黏度改性瀝青＞改性瀝青HMA-2。

圖1 低溫下不同種類瀝青的延度

對整體延度數據來說，通過延度試驗的試驗結果可以得出，在5℃的試驗環境下，所有改性瀝青都能達到技術要求，對比不同種類瀝青的相對低溫性能可知，改性瀝青HMA-3和海川高黏度改性瀝青HCHVA的瀝青低溫相對性能優異，日本TPS高黏度改性瀝青和改性瀝青HMA-2的瀝青低溫相對性能不佳。

延度試驗的局限性也同時體現在以下幾點：

（1） 瀝青路面低溫開裂的實際溫度和試驗所處的環境溫度相差較大。

（2） 瀝青路面低溫開裂的其中一個所占比例較大的因素是瀝青老化，在延度試驗中并沒有考慮和體現。

2.2 BBR試驗結果分析

BBR彎曲梁蠕變試驗通過低溫彎曲流變儀自帶軟件進行加載試驗，在一定的溫度下以恒定的應力輸入持續加載，試驗中一般給出6組瀝青的勁度模量S及蠕變速率m，通過這兩個值來評價瀝青的低溫使用性能。一般來說，瀝青的勁度模量S越大，表現了瀝青脆性越強，瀝青易發生開裂破壞，瀝青的勁度模量S值越小，瀝青低溫柔性更佳，其低溫抗裂性能越好。蠕變速率表征瀝青在低溫下的應力松弛能力。相同測試溫度下，蠕變勁度越小，蠕變速率越大，瀝青的低溫性能越好。試驗結果如圖2、圖3所示，對圖2整體數據進行分析，試驗環境-20℃下的勁度模量S值來看，低溫性能排序：海川高黏度改性瀝青HCHVA＞日本TPS高黏度改性瀝青＞改性瀝青HMA-1＞改性瀝青HMA-3＞改性瀝青HMA-2＞改性瀝青HMA-4；對圖3整體數據進行分析，從彎曲蠕變速率m值來看，低溫性能排序：改性瀝青HMA-1＞改性瀝青HMA-3＞改性瀝青HMA-2＞改性瀝青HMA-4＞海川高黏度改性瀝青HCHVA＞日本TPS高黏度改性瀝青。

圖2 低溫下不同種類瀝青的60s勁度模量

圖3 低溫下不同種類瀝青的蠕變速率

對上面的兩組數據進行分析，在勁度模量測試中HCHVA瀝青的數據是6種瀝青中勁度模量最小的，表現出六種瀝青中HCHVA瀝青的低溫性能最佳，TPS高黏度改性瀝青次之，改性瀝青HMA-1、改性瀝青HMA-3和改性瀝青HMA-2分別位居第三、四和五，改性瀝青HMA-4的低溫性能最差；按照瀝青的蠕變速率越大，低溫柔性更佳，其低溫抗裂性能越好的規律，在瀝青的蠕變速率的測試結果中，改性瀝青HMA-1的蠕變速率最小，其低溫性能最佳，改性瀝青HMA-3次之，改性瀝青HMA-2、改性瀝青HMA-4和改性瀝青HCHVA分別位居第三、四和五，TPS高黏度改性瀝青最差。基本上得到的兩組相對低溫性能的結果沒有較大的相關性，可得出不同種類瀝青依照勁度模量S值和蠕變速率m值進行低溫性能評價的結論存在較大的差異。

根據李智慧等［8］研究，當S值和m值得到的試驗結果不吻合時，S值與低溫彎曲最大破壞應變規律相同，將S值作為低溫評價指標較為合理。所以取勁度模量S值為BBR彎曲梁蠕變試驗結果，瀝青低溫性能結論：海川高黏度改性瀝青HCHVA＞日本TPS高黏度改性瀝青＞改性瀝青HMA-1＞改性瀝青HMA-3＞改性瀝青HMA-2＞改性瀝青HMA-4。對比不同種類瀝青的相對低溫性能可知，6種瀝青中海川高黏度改性瀝青HCHVA瀝青低溫性能最佳，TPS高黏度改性瀝青次之，改性瀝青HMA-1、改性瀝青HMA-3和改性瀝青HMA-2分別位居第三、四和五，改性瀝青HMA-4的低溫性能最差。

2.3 BBR與延度試驗結果對比分析

對6種不同的瀝青材料的延度試驗結果、BBR彎曲梁蠕變試驗結果進行分析：

（1） 延度試驗結論：改性瀝青HMA-3＞海川高黏度改性瀝青HCHVA＞改性瀝青HMA-4＞改性瀝青HMA-1＞日本TPS高黏度改性瀝青＞改性瀝青HMA-2，改性瀝青HMA-3的瀝青低溫性能最佳，海川高黏度改性瀝青HCHVA次之，改性瀝青HMA-4、改性瀝青HMA-1和日本TPS高黏度改性瀝青分別位居第三、四和五，改性瀝青HMA-2的瀝青低溫相對性能最差。

（2） BBR彎曲梁蠕變試驗結論：海川高黏度改性瀝青HCHVA＞日本TPS高黏度改性瀝青＞改性瀝青HMA-1＞改性瀝青HMA-3＞改性瀝青HMA-2＞改性瀝青HMA-4，海川高黏度改性瀝青HCHVA瀝青低溫性能最佳，TPS高黏度改性瀝青次之，改性瀝青HMA-1、改性瀝青HMA-3和改性瀝青HMA-2分別位居第三、四和五，改性瀝青HMA-4的低溫性能最差。

綜上可知，改性瀝青HMA-1排序情況在第三第四的位次徘徊，兩組數據變化不大，整體表現中等；改性瀝青HMA-2在延度試驗中低溫性能最差，在BBR彎曲梁蠕變試驗中也是排序倒數第二，兩組數據變化不大，整體低溫性能表現不佳，尤其是在延度試驗中；改性瀝青HMA-3在延度試驗中低溫性能最佳，在BBR彎曲梁蠕變試驗中排序只在第四，且數值與其前一位的改性瀝青HMA-1相近，整體低溫性能較好；改性瀝青HMA-4在BBR彎曲梁蠕變試驗中低溫性能最差，數據數值比同組其他數據相差較多，延度試驗中也只是中等表現，整體低溫性能較差；日本TPS高黏度改性瀝青的低溫性能在延度試驗中表現較差，但是在BBR彎曲梁蠕變試驗中低溫性能很好，出現了結果相反的現象；海川高黏度改性瀝青HCHVA在延度試驗中僅次于改性瀝青HMA-3，在BBR彎曲梁蠕變試驗中表現最佳，整體表現最好。兩組數據基本上沒有出現很強的關聯度，測試結果的表現呈現出較多相互關聯現象的有改性瀝青HMA-1、改性瀝青HMA-2和海川高黏度改性瀝青HCHVA，除此之外，也存在著日本TPS高黏度改性瀝青在兩次試驗中表現出了相反的測試結果的情況。

所以我們基本可以認定延度試驗與BBR彎曲梁蠕變試驗在試驗結果的體現上并沒有很強的關聯性，測試結果的表現呈現出較多相互關聯現象的同時也會存在結果完全相反的情況，基于以上的認識，則可以提出以下假定：

（1） 在低溫變化中，溫度是造成兩者出現結果關聯度不高的情況的主要影響因素。在較低溫度變化的環境下，處于某一溫度區段內，不同種類瀝青的相對低溫性能發生了非線性變化，以至于延度試驗與BBR彎曲梁蠕變試驗出現不同甚至相反的試驗結果。

（2） 延度試驗與BBR彎曲梁蠕變試驗同時作為評價瀝青低溫性能的試驗都具有其存在的指導意義，出現結果關聯度不高的情況是因為兩者遵循的不同試驗基本原理本質上的差異。

進一步分析可以得出，溫度是造成兩者差異的主要影響因素，對圖4進行數據分析，隨著溫度T升高，瀝青的蠕變勁度模量S整體呈現出降低的趨勢，即瀝青低溫性能整體呈現出上升的趨勢。在瀝青的蠕變勁度模量S降低的趨勢中，-19～-17℃的溫度區段內，不同種類瀝青的蠕變勁度模量S隨溫度變化的曲線出現了部分交錯現象，改性瀝青HMA-1的相對低溫性能并沒有發生變化，較為穩定位于中等第三位；改性瀝青HMA-2的低溫性能在-24℃時本是倒數第二，甚至與低溫性能最差的改性瀝青HMA-4相近，隨著溫度升高，其勁度模量S大幅下降并逼近改性瀝青HMA-3，排序未發生改變但是低溫性能與改性瀝青HMA-4相比已提高很多；改性瀝青HMA-3相較之改性瀝青HMA-1蠕變速率m略大一些，改性瀝青HMA-3的低溫性能近乎與改性瀝青HMA-1相平，在-18℃后相對低溫性能雖然沒有超過改性瀝青HMA-1卻依然和改性瀝青HMA-1相平；改性瀝青HMA-4在-24℃和-18℃時都是相對低溫性能最差的，但是在-12℃時躍升為中等。

圖4 蠕變勁度模量與溫度的關系

海川高黏度改性瀝青HCHVA在-24℃時低溫性能最佳，蠕變進度模量遠小于其他改性瀝青，但是僅次于之的日本TPS高黏度改性瀝青蠕變速率隨溫度改變的變化極大，相對低溫性能在-18℃時為最佳。溫度繼續升高后日本TPS高黏度改性瀝青蠕變速率隨溫度改變的變化最小，相對低溫性能在-12℃時為最差。-16～-14℃的溫度區段內，不同種類瀝青的蠕變勁度模量S隨溫度變化的曲線出現了復雜的交錯現象，日本TPS高黏度改性瀝青由最佳跌至最差和改性瀝青HMA-1由中等躍升為最佳等，這些現象說明瀝青的相對低溫性能會在-16～-14℃的溫度區段發生激烈變化。在-14℃之后更高的溫度情況下，瀝青的相對低溫性能和延度試驗（5℃）的結果大體一致，關聯度大幅提升。

綜上，延度試驗（5℃）與BBR彎曲梁蠕變試驗的試驗結果產生差異，是因為不同種類瀝青的蠕變勁度模量的變化率隨著溫度的改變出現變化，尤其是在-16～-14℃溫度區段，不同瀝青的蠕變勁度模量的變化率變化最大。

延度試驗與BBR彎曲梁蠕變試驗，兩者遵循的不同試驗基本原理本質上的差異導致了結果的不符合：延度試驗按照規定的溫度和速率對瀝青進行單維度拉伸，瀝青屬于單向受力狀態，這種試驗荷載狀態下側重研究的是瀝青單一維度的延展性能。在BBR彎曲梁蠕變試驗中，試件梁模具承受荷載的形式為橫向的重復荷載，試件不只是簡單的單向受力狀態。考慮到重復荷載的作用，瀝青會發生疲勞破壞，導致兩個試驗結果分析的差異。除了方式不同之外，延度試驗是將瀝青試件作為塑性模型做拉伸試驗進行評價，而BBR彎曲梁蠕變試驗是將瀝青梁作為線黏彈型模型根據彈性-黏彈性反應準則進行評價的。所以延度與蠕變勁度模量作為評價瀝青低溫性能的指標都是正確有效的情況下，依然會存在結果矛盾的情況。此外，延度試驗所處的環境溫度與瀝青路面低溫開裂的實際溫度相差較大，并且導致瀝青路面低溫開裂的一個影響較大的因素是瀝青老化，在延度試驗中并沒有考慮和體現。

兩者之間導致了差異矛盾的底層聯系。值得進一步深入研究。

3 結語

（1） 同種瀝青在與其他多種瀝青同一組別的研究中，通過延度試驗（5℃）得到的瀝青低溫性能與BBR彎曲梁蠕變試驗以勁度模量S為指標得到的低溫性能進行相對分析時，會存在該種瀝青相對低溫性能表現出現較大差異甚至結果相反的現象。

（2） 同種瀝青在與其他多種瀝青同一組別的研究中，延度試驗（5℃）與BBR彎曲梁蠕變試驗的試驗結果產生差異，是由不同種類瀝青的蠕變勁度模量的變化率m存在差異，尤其是在-16～-14℃溫度區段，不同瀝青的蠕變勁度模量的變化率m差異較大導致。

（3） 同種瀝青在與其他多種瀝青同一組別的研究中，延度試驗（5℃）與BBR彎曲梁蠕變試驗的試驗結果產生差異，是由于延度試驗（5℃）與BBR彎曲梁蠕變試驗的試驗原理以及加載形式存在一定的差異，延度試驗的塑性模型與BBR彎曲梁蠕變試驗瀝青梁線黏彈型模型以及模型受力狀態的不同導致了評價的差異。