公路改性瀝青溫度敏感性評(píng)價(jià)方法對(duì)比研究

馬小波MA Xiao-bo

（寧夏公路工程質(zhì)量檢測中心（有限公司），銀川 750000）

0 引言

改性瀝青溫度敏感性不同的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同類型的改性瀝青具有不同的適用性[1]。雖然改性瀝青具有良好的抗老化和改善路面性能的效果，但是它的性能隨著溫度的變化而變化，尤其是在高溫和低溫情況下，性能表現(xiàn)具有較大的差別，因此改性瀝青溫度敏感性評(píng)價(jià)的研究變得越來越重要[2]。王嵐[3]研究了SBS 改性瀝青、橡膠粉改性瀝青、復(fù)合改性瀝青老化前后的溫度敏感性。針對(duì)上述問題，本文通過探究不同評(píng)價(jià)方法下改性瀝青溫度的敏感性，并評(píng)價(jià)不同的評(píng)價(jià)方法在對(duì)改性瀝青溫度敏感性的評(píng)價(jià)中的適用性和局限性，旨在為改性瀝青的性能評(píng)價(jià)提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，并為道路建設(shè)提供更為可靠和優(yōu)質(zhì)的材料和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

為了探究不同的溫度敏感性評(píng)價(jià)方法對(duì)不同改性瀝青材料的普適性和準(zhǔn)確性，本文選用了密度為1.12g/cm3，針入度為69cm，延展度大于100 的原始瀝青材料進(jìn)行改良。三種改性瀝青均是基于相同原始瀝青材料進(jìn)行改性的，其中第一種改性材料為丁苯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS），第二種改性瀝青是基于第一種改性瀝青的基礎(chǔ)上加入了一定的化學(xué)助劑而自制的瀝青材料，第三種改性材料則是采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（SBR）。

本次研究采用了4 種常用的關(guān)于瀝青溫度敏感性的評(píng)價(jià)方法即針入度法（Penetration Index，簡稱PI）、針入度-黏度指數(shù)法（Penetration Viscosity Number，簡稱PVN）、黏溫指數(shù)法（Viscosity Temperature Sensitivity Index method，簡稱VTS），漸變溫度試驗(yàn)法（Gradient Temperature Strain Test Method，簡稱GTS），期望從4 個(gè)不同的評(píng)價(jià)維度來評(píng)價(jià)改性瀝青材料的溫度敏感性。4 種不同評(píng)價(jià)方法的具體試驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 4 種不同評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

瀝青的溫度敏感性是指瀝青性能隨著溫度的變化而變化的能力，這是瀝青在路面應(yīng)用中非常重要的性能指標(biāo)。而針入度指數(shù)法則是將針入度與溫度和負(fù)荷的變化關(guān)系考慮在內(nèi)，用來評(píng)價(jià)瀝青的感溫性能。通過表1 中的計(jì)算公式得到不同溫度下瀝青的針入度。

由于溫度上升會(huì)使瀝青分子中的化學(xué)鍵斷裂或松弛，導(dǎo)致它們更容易被穿透和插入。此外，溫度升高也有助于減少粘性。這使得瀝青分子之間的摩擦越來越小，力學(xué)阻力越來越小，因此更容易穿透。除外在溫度為10℃以外，整體上自制瀝青的針入度較高，其次是SBR 改性瀝青，最后是SBC 改性瀝青。這是由于瀝青的組分和結(jié)構(gòu)存在差異，不同瀝青品種在針入度上可能出現(xiàn)差異。

根據(jù)圖1 中的針入度數(shù)據(jù)結(jié)合表1 中的計(jì)算公式可以計(jì)算3 種不同改性瀝青材料的針入度指數(shù)分別為2.405、3.751、2.463。對(duì)比SBS 改性瀝青材料、自制瀝青材料和SBR改性瀝青材料的針入度指數(shù)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)自制瀝青材料的針入度指數(shù)最大，SBS 改性瀝青材料的針入度指數(shù)最小，SBR 改性瀝青材料的針入度指數(shù)略小于自制瀝青材料的針入度指數(shù)。這說明自制瀝青材料的柔軟度較大、凝聚性較弱，溫度敏感性較高，適用于高粘度條件下的使用。而SBS改性瀝青材料的針入度指數(shù)較小，說明其柔軟度較小、凝聚性強(qiáng)，溫度敏感性較低，適用于低溫條件下的使用。SBR 改性瀝青材料的針入度指數(shù)介于自制瀝青材料和SBS 改性瀝青材料之間，適用于中等溫度條件下的使用。

圖1 不同溫度下3 種改性瀝青材料的溫度針入度取值

為了探究針入度黏度指數(shù)法對(duì)于不同改性瀝青材料溫度敏感性的評(píng)價(jià)效果，同時(shí)了解改性瀝青在不同溫度下的性能表現(xiàn)，評(píng)價(jià)改性效果的好壞，通過表1 中的公式結(jié)合圖1 中的針入度計(jì)算出3 種不同改性瀝青在20℃到50℃的PVN20~50值以及20℃到120℃的PVN20~120值如圖2所示。

圖2 3 種改性瀝青的針入度黏度指數(shù)

通過圖2 可知，使用針入度黏度指數(shù)對(duì)3 種不同的改性瀝青材料的溫度敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，3 種不同改性瀝青在20℃到50℃以及50℃到120℃的針入度黏度指數(shù)值基本接近約在2.3 和-7.3 上下浮動(dòng)。具體而言在溫度為20℃到50℃時(shí)，SBS 改性瀝青的針入度黏度指數(shù)值最高，自制瀝青的針入度黏度指數(shù)最低，而在溫度為20℃到120℃時(shí)，SBS 改性瀝青的針入度黏度指數(shù)值同樣是最高，但此時(shí)自制瀝青的針入度黏度指數(shù)與SBR 改性瀝青的針入度黏度指數(shù)值相同均為-7.54。這是因?yàn)獒槍?duì)不同的溫度，瀝青的針入度黏度指數(shù)的變化對(duì)瀝青的敏感程度也會(huì)不同。在溫度為20℃到50℃時(shí)，因?yàn)樵谳^低的溫度范圍內(nèi)，黏度對(duì)指數(shù)的影響程度較小，而針入度的影響較大，因此SBS的針入度值黏度指數(shù)也相對(duì)較高。而在溫度為20℃到120℃時(shí)，SBS 改性瀝青的針入度黏度指數(shù)值同樣是最高，這是因?yàn)樵谳^高的溫度范圍內(nèi)，黏度對(duì)指數(shù)的影響程度相對(duì)較大，而SBS 改性瀝青的黏度變化不大，因此其針入度黏度指數(shù)值仍然較高，而自制瀝青的針入度黏度指數(shù)與SBR 改性瀝青的針入度黏度指數(shù)值相同，均為-7.54，這可能是由于自制瀝青和SBR 改性瀝青的性質(zhì)存在相似，導(dǎo)致它們的指數(shù)值在該溫度范圍內(nèi)相同。

黏溫指數(shù)法的基本原理是將改性瀝青在一定溫度范圍內(nèi)的黏度值，固定在一定溫度范圍內(nèi)的黏度值來進(jìn)行比較。由于在使用黏溫指數(shù)法之前需要通過動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（Dynamic Shear Rheometer Test，簡稱DSR）得到改性瀝青在不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量、相位角和黏度取值然后通過表1 中的公式進(jìn)行計(jì)算才能獲得VTS 具體取值，因此在使用黏溫指數(shù)法對(duì)3 種改性瀝青材料評(píng)價(jià)之前我們進(jìn)行了DSR 試驗(yàn)探究了3 種不同的改性瀝青材料的相關(guān)物理參數(shù)如圖3 所示。

圖3 不同溫度下3 種改性瀝青的DSR 試驗(yàn)結(jié)果

為了探究黏溫指數(shù)法對(duì)于不同改性瀝青溫度敏感性的評(píng)價(jià)效果，同時(shí)了解改性瀝青在不同溫度下的性能表現(xiàn)，評(píng)價(jià)改性效果的好壞。通過表1 中VTS 法的計(jì)算公式結(jié)合圖3 中的DSR 試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果做出3 種改性瀝青黏度與溫度的散點(diǎn)圖，然后使用Origin 對(duì)其進(jìn)行擬合，得到3種不同改性瀝青材料的擬合方程以及相關(guān)系數(shù)R2如圖4所示。

圖4 3 種改性瀝青材料的VTS 擬合曲線

由于圖4 中擬合曲線的斜率即表示VTS 值，因此得到SBS 改性瀝青、自制瀝青、SBR 改性瀝青的VTS 值分別為-6.2003、-5.0001、-6.1462。此外在VTS 法中，黏溫指數(shù)越小，表示改性瀝青對(duì)溫度敏感性越小，溫度性能越好。故通過VTS 法評(píng)價(jià)3 種改性瀝青對(duì)溫度敏感性的結(jié)果是SBS 改性瀝青在溫度敏感性方面表現(xiàn)最好，自制瀝青在溫度敏感性方面表現(xiàn)最差，而SBR 改性瀝青的溫度敏感性處于中間。

通過表1 中GTS 法的計(jì)算公式結(jié)合圖3 中的DSR 試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果做出3 種改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量與溫度的散點(diǎn)圖，然后使用Origin 對(duì)其進(jìn)行擬合，得到3 種不同改性瀝青材料的擬合方程以及相關(guān)系數(shù)R2如圖5 所示。

圖5 3 種改性瀝青材料的GTS 擬合曲線

因?yàn)閳D5 中擬合曲線的斜率即表示GTS 值，根據(jù)圖5可以得到SBS 改性瀝青的GTS 值為-4.3123，自制瀝青的GTS 值為-4.2654，SBR 改性瀝青的GTS 值為-3.8134。同樣在GTS 法中，GTS 指數(shù)越小，表示改性瀝青對(duì)溫度敏感性越小，溫度性能越好。通過比較這三種改性瀝青的GTS值，可以得出SBS 改性瀝青的溫度敏感性最小，自制瀝青的溫度敏感性居中，SBR 改性瀝青的溫度敏感性最大，也就是說，SBS 改性瀝青在溫度變化下具有較好的變形性能，SBR 改性瀝青的變形能力較差，在溫度梯度變化下容易出現(xiàn)瀝青層龜裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文為了探究不同評(píng)價(jià)方法對(duì)改性瀝青溫度敏感性的評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性，使用了4 種常見的評(píng)價(jià)方法對(duì)3 種不同的改性瀝青的溫度敏感性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到了如下結(jié)果：①針對(duì)不同類型的瀝青材料的溫度敏感性評(píng)價(jià)，我們可以靈活選用不同的方法。其中針入度指數(shù)法適用于絕大部分瀝青的評(píng)價(jià)，但需要注意溫度范圍的限制；②針入度黏度指數(shù)法也適用于大多數(shù)瀝青的評(píng)價(jià)，但其對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的精度和個(gè)數(shù)要求較高；③黏溫指數(shù)法和漸變溫度試驗(yàn)法具有精度較高，但其操作相對(duì)復(fù)雜；總的來說本文的研究能夠?yàn)閷?shí)際工程中對(duì)于改性瀝青溫度敏感性的評(píng)價(jià)提供一定的參考依據(jù)。