瀝青膠結料高溫變形評價指標及性能研究

韓 良

(湘潭市交通建設質量安全監督站,湖南 湘潭 411100)

1 原材料試驗

1.1 試驗材料

本次選用兩種基質70#瀝青A和B和改性瀝青SBS(A)和SBS(B)。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTD E20—2011)》[4]中相關試驗要求測試四種瀝青技術指標,由表1可知,兩種70#基質瀝青的各項技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范(JTD F40—2004)》[5]對1區A級瀝青技術要求和兩種改性瀝青的各項指標均符合SBS類(Ⅰ—D)技術要求。

表1 四種瀝青技術指標

1.2 原材料試驗

(1)針入度分級標準補充試驗

25 ℃針入度并不能直接衡量瀝青膠結料高溫性能,雖然有軟化點指標綜合控制,但是因瀝青中蠟含量的影響,在環球法軟化點試驗中,蠟會吸收部分熱量,出現軟化點虛高的情況,蠟含量越高,軟化點虛高的程度越大,因不同品種的瀝青蠟含量都不同,單一軟化點指標無法準確評價基質瀝青膠結料高溫穩定性。

對于改性瀝青而言,軟化點也無法與瀝青膠結料高溫性能指標直接關聯,如表1所示,SBS(B)老化前軟化點達到74.5 ℃,老化后軟化點75.4 ℃高于老化前,為排除試驗誤差,對兩種SBS改性瀝青進行三次軟化點平行試驗,如下表2所示,軟化點數值差距最大是原樣SBS(B)改性瀝青3.8 ℃,但發SBS(B)改性瀝青老化前后軟化點變化規律相同。

表2 試驗誤差對軟化點的影響

SBS改性瀝青短期RTFOT老化85 min后,會出現軟化點比老化前高或低的現象,原健安、張爭奇等[6-7]認為這是SBS改性劑與基質瀝青相互作用的原因或者是不同改性劑的影響。不同的改性劑SBS改性瀝由基質瀝青和改性劑組成,RTFOT老化85 min后,不僅“老化”基質瀝青也“老化”改性劑,這種“老化”影響了基質瀝青與改性劑的相互作用[8]。在標準試驗方法條件下,SBS改性瀝青的軟化點與瀝青膠結料高溫性能關聯不大,甚至會出現SBS改性瀝青軟化點高而混合料高溫性能較差的現象,為更好研究針入度分級體系中瀝青高溫性能指標,本次試驗中增加15 ℃針入度、30 ℃針入度試驗用來計算針入度指數PI和當量軟化點T800。

針入度計算PI

(1)

式中:Algpen表示采用15 ℃、25 ℃、30 ℃針入度經回歸計算求得的斜率。

針入度計算當量軟化點T800。

通過在15 ℃、25 ℃、30 ℃針入度值,取對數后,回歸得到針入度回歸系數A和K,T800可以直接通過以下公式求得

(2)

(3)

沈金安等[9]認為公式(2)計算當量軟化點T800能避免25 ℃針入度測定不精確帶來的誤差,故本文采用公式(2)計算當量軟化點T800。

DSR試驗測定G*/sinδ車轍因子

PG分級標準中,瀝青的高溫穩定性是通過動態剪切流變儀(DSR)測得瀝青的復數剪切勁度模量G*和相位角δ來綜合評價。G*定義為瀝青最大應力與最大應變之比,用于體現瀝青膠結料抵抗變形的能力;δ定義為彈性成分與粘性成分之比,δ越大說明粘性性能比例越高,越不利于其抗高溫變形能力;G*/sinδ抗變形車轍因子用于衡量瀝青膠結料在高溫條件下抗變形能力,G*/sinδ越大,瀝青流動變形越小,抵抗變形能力越強[10]。

瀝青膠結料的老化主要分為短期老化和長期老化。短期老化是指瀝青膠結料與集料等攪拌前后的老化,稱為熱老化,與溫度相關;長期老化是主要是指瀝青在水、紫外線、溫度和荷載多重耦合作用下與空氣中的氧發生化學反應,稱為氧化老化。SHRP研究認為,瀝青路面高溫變形主要是因為瀝青膠結料的“熱老化”,為使試驗項目和數據能實際指導工程實踐,動態剪切流變儀(DSR)測定不僅要測原樣瀝青的復數剪切勁度模量G*和相位角δ,還需測短期老化85 min后(RTFOT)的瀝青。

本次試驗對于四種瀝青試樣的測試溫度從58 ℃開始,每間隔6 ℃提升一個溫度等級,剪切速率10 ad/s。瀝青的車轍因子G*/sinδ要求大于1.0 kPa短期老化后瀝青的抗變形車轍因子G*/sinδ要求大于2.2 kPa,當瀝青G*/sinδ=1.0 kPa(短期老化瀝青G*/sinδ=2.2 kPa)時瀝青試驗所處的溫度就是失效溫度。結合普通瀝青和旋轉薄膜老化后的瀝青的動態剪切試驗結果,可以得出瀝青膠結料PG分級標準的高溫等級。

如表3所示,在同一溫度條件下,基質瀝青的復數剪切勁度模量G*小于SBS改性瀝青而相位角δ大于改性瀝青,基質瀝青抗變形車轍因子小于SBS改性瀝青抗變形車轍因子,這說明相同溫度下,SBS改性瀝青比原基質瀝青高溫性能優越。根據PG分級標準要求,如表3和表4所示,A基質瀝青和B基質瀝青的PG高溫等級是64;SBS(A)和SBS(B)高溫等級是70,添加改性劑后提高了瀝青抵抗高溫變形的能力。相同試驗溫度下,短期化前G*比老化后小,而短期老化前δ比老化后大,與車轍因子G*/sinδ老化前后變化規律統一。

表3 四種瀝青G*,δ和G*/sinδ指標

表4 四種瀝青短期老化后G*、δ和G*/sinδ指標

2 試驗結果分析

2.1 分析方法

PG分級試驗設備費用較大且試驗方法相對于針入度分級復雜,目前只有各大科研院校和機構購買整套設備,無法在項目工地試驗室甚至是母體試驗室普及,所以在項目工程實際中應用不多,但是因其是建立在瀝青結合料高溫穩定性、低溫抗裂性、抗疲勞性和耐久性(抗老化性)等各項路用性能基礎上提出的指標,依據工程項目所在的環境溫度和交通量等情況選擇瀝青等級,國內越大越多研究者都關注著如何建立起兩大標準兩膠結料評價指標建的聯系。為研究瀝青高溫變形評價指標,本文通過灰色關聯法,分析兩大標準中關于高溫穩抗變形指標間的聯系。

灰色關聯法源于鄧聚龍提出的灰色關聯理論[11-13],是通過已知因素(針入度分級標準中相關指標)研究與目標因素(G*/sinδ)最相關的因素?？紤]到針入度分級標準中,與瀝青高溫性能相關性比較大的是軟化點、T800、60 ℃動力粘度和135 ℃運動粘度、PI等,因60 ℃動力粘度和135 ℃運動粘度數據是其它指標一半,在同一情況下進行灰色關聯法分析,會造成關聯度虛高或虛低的情況,所以此次不關聯粘度指標。出于整體考慮,25 ℃針入度、殘留針入度比也作為比較數列(Xk)。以G*/sinδ為目標數列(X0),分析我國針入度分級標準與PG分級標準中,瀝青高溫指標的相關性。

2.2 結果分析

通過灰色關聯法無量綱均值計算我國針入度分級標準與PG分級標準中瀝青高溫抗變形指標的相關性,如表5所示。

表5 四種瀝青各指標高溫性能關聯度分析

瀝青短期老化RTFOT前,64 ℃(改性瀝青是70 ℃)G*/sinδ與25 ℃針入度、針入度指數PI、軟化點、當量軟化點T800和殘留針入度比分別是0.615 2(r1)、0.8516(r2)、0.8349(r3)、0.8691(r4)和0.7901(r5)。r4>r2>r3>r5>r1,即與目標因素關聯度從大到小的排列是:當量軟化點T800>針入度指數PI>軟化點>殘留針入度比>25 ℃針入度。瀝青短期老化RTFOT后,64 ℃(改性瀝青是70 ℃)G*/sinδ與25 ℃針入度、針入度指數PI、軟化點、當量軟化點T800和殘留針入度比分別是0.7800(r1)、0.8636(r2)、0.7507(r3)、0.8785(r4)和0.7521(r5)。r4>r2>r1>r5>r3,即與目標因素關聯度從大到小的排列是:當量軟化點T800>針入度指數PI>25 ℃針入度>殘留針入度比>軟化點。軟化點和25 ℃針入度前后順序相反,造成這種情況的原因,一方面是基質瀝青和SBS改性瀝青短期老化RTFOT前后軟化點變化規律成相反關系;另一方面是因為短期老化RTFOT前后針入度變化程度,基質瀝青要大于SBS改性瀝青,造成軟化點和25 ℃針入度兩個比較因素數據“中和”。為消除數據“中和”影響,將基質瀝青和SBS改性瀝青分開考慮,通過數據整理分析能得出與目標因素最相關的仍是當量軟化點T800和針入度指數PI。

3 結 論

當量軟化點T800和針入度指數PI相關性非常好,都是由三個不同溫度針入度計算得出,且當量軟化點T800與目標因素G*/sinδ關聯程度要大于針入度指數PI,得出針入度分級標準中當量軟化點T800指標與PG分級標準中高溫性能指標抗變形車轍因子G*/sinδ關聯程度最高;

通過DSR試驗可知,改性瀝青高溫性能要優于原基質瀝青;

SBS改性瀝青短期RTFOT老化85 min后,SBS(B)老化前軟化點低于老化后軟化點而SBS(A)老化前軟化點高于老化后,軟化點變化規律復雜,這是受改性劑與基質瀝青相互作用的原因或者是不同改性劑的影響。