沥青混合料不同高温性能指标相关性的试验研究

赵 东，赵 欢

（陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714000）

沥青混合料不同高温性能指标相关性的试验研究

赵 东，赵 欢

（陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714000）

高温稳定性是沥青混合料的一项重要指标，我国用软化点和60 ℃动力粘度反映，国际上用复数劲度模量和相位角表示。通过对沥青常规指标检测、动态剪切流变试验和重复蠕变试验，发现选用60 ℃动力粘度较大、累积应变越小的石油沥青能有效提高混合料高温稳定性，累积应变和动稳定度的相关性很好，可作为改性沥青高温特性的控制指标。

沥青混合料；高温性能；相关性

我国现行的沥青标准中，通常用软化点和 60℃动力粘度来反映沥青高温性能。同时，针入度与沥青路面的高温使用性也有密切关系。在美国 SHRP沥青结合料使用性能规范中，沥青结合料的高温稳定性是由沥青的动态剪切试验得到的复数劲度模量和相位角描述［1］，用 DSR抗车辙因子表示 SHRP中的高温特性指标。而重复蠕变试验中得到的累计应变和蠕变劲度代表了沥青在重复加载卸载过程中产生的变形特性。本文通过室内试验，采用四种不同品牌的沥青：A、B、C、D，其中品牌D中分别取四个生产批次：D-1、D-2、D-3、D-4，测试其常规试验指标、美国SHRP性能分级指标和重复蠕变试验，对沥青的不同高温性能指标进行分析，进一步研究各个指标之间的相关性。

1 沥青常规指标测试

对选定的沥青，按照《沥青与沥青混合料试验规程》对常规性能指标进行测试［2］。沥青A、B、C分别选用基质、改性沥青，沥青D只选用基质沥青。测试结果如表1、表2所示。

表1 常规指标检测结果（90号石油沥青）Table 1 Regular index test results (No. 90 petroleum asphalt)

表2 常规指标检测结果（SBS改性沥青）Table 2 Conventional index test results (SBS modified asphalt)

2 动态剪切流变试验

试验采用动态剪切流变仪1500ex，采用应变控制模式，应变值为γ=12%，试验频率ω=10 rad/s，约1.59 Hz。按照SHRP沥青胶结料试验规范的要求，本文对原样沥青和旋转薄膜烘箱（RTFOT）老化后的沥青进行车辙因子G*/sin(δ) 的测试，确定每种沥青的车辙因子［3］，测试结果见表3和表4。其中G*是材料重复剪切变形时总阻力的度量，它由弹性（可恢复）部分G′和粘性（不可恢复）部分G″组成；而δ是弹性和粘性变形数量的相对指标，δ越小，材料越接近于弹性体，其关系如图1。

表3 动态剪切流变试验结果（90号石油沥青）Table 3 Dynamic shear rheological test results (No. 90 petroleum asphalt)

表4 动态剪切流变试验结果（SBS改性沥青）Table 4 Dynamic shear rheological test results (SBS modified asphalt)

在沥青常规指标检测中，所选沥青试验结果均符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的要求，但在SHRP性能指标检测中，根据SHRP指标PG分级，改性“沥青B”高温为PG70，而改性“沥青A、C” 高温为PG76。对同一品牌的90号基质“沥青D”，原样动态剪切高温均为PG64，但短期老化后“沥青D-4” 高温为PG58，当在不同温度下施加荷载时，该沥青的温度敏感性更大，粘度也较小。说明用针入度在规定温度、荷载和作用时间的条件下分级时，反映的沥青变形能力有一定的局限性，不能准确反映沥青的流变特性。

图1 沥青粘弹性复数模量的极坐标表达式Fig.1 Polar coordinate expression of viscoelastic complex modulus of asphalt

为了研究软化点、60 ℃动力粘度等与动态剪切之间的关系，对表3、表4的试验数据进行回归分析，如表5所示。从相互之间的相关系数可以看出，基质沥青 60 ℃动力粘度与原样沥青动态剪切流变性、布氏旋转粘度之间的线性相关性最好，与短期老化后沥青的动态剪切流变性的线性相关性次之；软化点与原样沥青动态剪切流变性有较好的相关性，但与短期老化后的动态剪切流变性之间基本没有线性相关性。但 60 ℃动力粘度与软软化点之间有较好的线性相关性。

表5 石油沥青60℃动力粘度、软化点与动态剪切试验的相关性Table 5 Asphalt 60 ℃ dynamic viscosity, softening point and the correlation of dynamic shear test

表明 60 ℃动力粘度越大，原样动态剪切及RTFOT后的动态剪切越大，其抗车辙性能越好，软化点也较高。所以为了提高沥青稳定碎石的抗车辙性能，应该选择60 ℃动力粘度较大的石油沥青。

改性沥青的常规指标与动态剪切试验结果表明，加入改性剂后沥青粘度增大，提高了沥青的车辙因子，改性沥青抗车辙能力明显高于基质沥青。但动态剪切试验的车辙因子G*/sinδ的问题在于这一指标未能区分改性沥青混合料的延迟弹性变形和粘性变形，而降延迟弹性变形部分也纳入了粘性变形，致使延迟弹性大的沥青（如SBS改性沥青）的高温PG被低估了［4］。

而有关研究也表明 DSR试验中采用的控制应变小于胶结料的真实应变，致使路面混合料的车辙和DSR试验之间的相关性并不是很好。所以本研究对以上石油沥青、改性沥青进行重复蠕变试验。

3 重复蠕变试验

重复蠕变试验采用应力控制的模式，本试验采用的应力水平为60 Pa，试验温度采用60 ℃。每个蠕变周期加载1 s，卸载9 s，重复次数为100次［5］，为了与现场混合料中的沥青胶结料相近，采用RTFOT后的沥青试样。试验结果如表6所示。

表6 重复蠕变试验结果Table 6 Repeated creep test results

3.1 数值分析

重复蠕变试验可以反映胶结料延迟弹性变形的特性，由于改性沥青具有较好的延迟弹性恢复特性，图2为重复蠕变试验1个周期后的累计变形曲线图。

图2 沥青蠕变恢复曲线Fig.2 Asphalt creep recovery curve

图中可以看出两种沥青变形趋势呈现的显著差别。SBS改性沥青在卸载后变形产生恢复，一个周期结束后的残留变形很小，而普通石油沥青恢复能力较小，残留变形很大［6］。因此，仅仅用 DSR车辙因子评价SBS改性沥青时无法较准确的反映出滞后弹性恢复能力，而需要重复蠕变试验作为补充。

3.2 重复蠕变试验与混合料动稳定度的关系

为了验证重复蠕变试验与混合料车辙之间的关系，进行了动稳定度试验。混合料采用沥青稳定碎石ATB-30，级配选用以上研究中所用的级配3。保持级配、油石比不变试验表明软化点越高，动稳定度越大［7］，试件相对变形量也减少。从图3、图4可以看出，蠕变试验中的累积应变和SBS改性沥青的相关性都很好。而蠕变试验中的粘性成分 Gv与改性沥青动稳定度存在一定的相关性，在与普通沥青回归时相关性较差［8］。

图3 沥青胶结料累计应变与混合料动稳定度的关系图Fig.3 Accumulated strain of asphalt cement and mixture of dynamic stability diagram

图4 沥青胶结料Gv与混合料动稳定度的关系图Fig.4 Asphalt cement mixture Gvand moving stability diagram

综合以上的分析，由于普通石油沥青与SBS改性沥青在延迟弹性恢复特性的不同，高温评价指标也有所差异。石油沥青可采用 60 ℃动力粘度和累计应变作为高温评价指标，且 60 ℃动力粘度在规范中已有明确的规定，推广较容易。而改性沥青采用累计应变作为高温评价指标，与动稳定度具有良好的相关性，该指标评价目的直观，具有明显的优点。

4 结 论

（1）从同品牌的改性沥青与石油沥青的动态剪切试验对比中可以看出，改性沥青车辙因子明显大于基质沥青，说明使用改性沥青可以提高混合料的抗车辙性能。

（2）针入度指标是在规定温度、荷载和作用时间的条件下分级的，其反映沥青变形能力有一定的局限性，不能准确反映沥青的流变特性。

（3）石油沥青在重复蠕变试验中，累积应变与动稳定度具有较好的相关性。表明石油沥青 60 ℃动力粘度越大、累积应变越小，其抗车辙性能越好，软化点也较高。所以为了提高沥青稳定碎石的抗车辙性能，应该选择 60 ℃动力粘度较大、累积应变越小的石油沥青。

（4）由于动态剪切试验中车辙因子只能反映沥青流变行为中的弹性和粘性部分，忽略了可恢复变形的部分，因此在评价改性沥青高温性能时有一定误差。但SBS改性沥青重复蠕变试验中累积应变和动稳定度的相关性很好，充分反映了改性沥青延迟弹性恢复的特性，可作为改性沥青高温特性的控制。

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Experiment Research on Performance Indexes Correlation of Asphalt Mixture Under Different High Temperature

ZHAO Dong，ZHAO Huan
（Shanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714000，China）

High temperature stability is an important index of the asphalt mixture. In our country the softening point and dynamic viscosity at 60 ℃ are used to reflect the high temperature stability of the asphalt mixture; in foreign countries it is expressed by using complex stiffness modulus and phase angle. In this article, through conventional index test, dynamic shear rheological test and repeated creep test of asphalt, it's found that using asphalt with bigger dynamic viscosity at 60 ℃ and smaller cumulative strain can effectively improve the high temperature stability of the mixture, the accumulated strain has very good correlation with the dynamic stability, so it can be used as the property control index of modified asphalt at high temperature.

asphalt mixture; high-temperature behavior; correlation

U416.2

A

1671-0460（2016）11-2527-04

2016-05-11

赵东（1984-），男，甘肃宁县人，讲师，工学硕士，2006年毕业于兰州交通大学土木工程专业，研究方向：道路桥梁工程施工技术。E-m ail：zhd0719@163.com。