路面用普通沥青温度敏感性评价指标选择与分析

张宏宇

(山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司) 太原市 030032)

沥青路面用沥青随温度的变化其稠度、劲度、粘性均发生变化，最终表现为路面高温抗车辙性能、低温抗开裂性能、抗疲劳性能的改变，合理选择沥青温度敏感性指标就显得非常重要[1]。

研究人员对温度敏感性提出了很多评价方法，如针入度指数[2]、针入度-粘度指数[3]、粘温指数[4]、等级指数[5]，以上温度敏感性指标为窄域温度条件下的针入度、软化点外延性指标。目前采用的针入度指数，温度针入度关系简化为一条线性关系，而温度继续外延时，会引起温度敏感性误导。同时，三个温度测试结果的精密度对测试结果的影响非常大，对针入度指数PI的结果也有很大的影响，最终表现为对沥青的分级有较大影响。另外，回归计算相关系数大于0.997时，不能成为检测数据是否可信的依据，所以不能保障针入度指数的可信。对于改性沥青，由于改性沥青在细观上表现为均质体，但在微观上表现为非均质体共混结构，用传统的针入度指数不能很好地评价改性沥青的宽域温度范围的温度敏感性，部分研究人员采用稠度-温度指数[6]及宽温度范围的粘温指数[7]对沥青的高低温感温性进行评价，但是这些指标在30～60℃的温度范围内不能有效地评价温度敏感性。

普通沥青在使用过程中，经历的温度区间约为-30～160℃,而沥青在不同状态下表现为不同的流变性质，所以应在不同的温度区间选择沥青温度敏感性评价指标，这样才能合理地反映沥青相应阶段的性能。因此，本文选用6种普通沥青，对沥青使用温度范围内温度敏感性的评价方法进行研究，提出合理的评价方法。

1 试验

1.1 原材料

选用壳牌70号A级普通沥青、壳牌90号A级普通沥青、中海361 70号A级普通沥青、中海361 90号A级普通沥青、克拉玛依70号A级普通沥青、克拉玛依90号A级普通沥青。以上沥青的三大指标试验结果见表1。

表1 三大指标试验结果

1.2 试验方法

对低温区域-30～0℃、中温区0～70℃、高温区70～160℃进行不同沥青的温度敏感性分析，提出合理评价指标。

低温区-30～0℃，采用弯曲梁流变仪(BBR)测定6种沥青的蠕变劲度模量S、蠕变应变速率m值，试验温度为-12～-27℃，间隔3℃。试验方法采用AASHTO T313试验。为了评价沥青的原有流变性能，采用未短期、长期老化的沥青进行试验。

中温区0～70℃，采用动态剪切流变仪(DSR)测定6种沥青的G*(复数模量)、σ(相位角)，试验所选温度7～64℃，间隔6℃，试验方法见 AASHTO T315。

高温区70～160℃，采用布氏旋转粘度计测定6种沥青的旋转粘度，试验温度为80～150℃，间隔10℃，试验方法ASTM D4402-2006。

2 试验结果与分析

2.1 沥青低温敏感性

目前常规试验方法中，对沥青低温敏感性评价尚无明确的指标，常采用针入度指数推断沥青的低温敏感性，而针入度指数是在15～30℃的范围内测试计算所得，对低于其很多的低温范围温度敏感性预测将会出现过大的误差，对低温范围无法进行准确的评价。SHRP中的低温弯曲流变仪为我们提供了良好的解决方案，从沥青路面开裂的作用机理来看，沥青低温抵抗变形能力的高低是影响路面低温开裂的主要因素。随沥青温度的逐步降低，沥青的劲度模量逐渐增加，但其内部产生的应力会通过沥青的粘弹特性得到释放，释放后应力得到消解。沥青在低温情况下，是否会开裂与沥青在低温条件下劲度、应力是否会释放、应力释放速度有关，低的劲度模量和高的应力释放速度对抗低温开裂是有利的[8-9]，本文与其观点是一致的。采用弯曲梁流变仪测试沥青的蠕变劲度模量S、蠕变应变速率m，表征沥青的感温性能。对6种沥青试验回归蠕变劲度、蠕变速率与温度的关系，回归线性关系见式(1)、式(2)。

对6种沥青的蠕变劲度模量S、蠕变应变速率m值与温度回归分析表明，存在以下关系：

LgS=A·T+C

(1)

m=B·T+D

(2)

式(1)、式(2)中A和C分别为蠕变劲度模量与温度的回归系数，B和D分别为蠕变应变速率与温度的回归系数。

A、B可用于表征该温度区域的感温性能，A值越大，蠕变劲度模量随温度变化就越大,该沥青低温敏感性越大；B值越大，该沥青低温敏感性越大。

表2 各沥青的回归系数A值、B值及相关系数

从表2可知，蠕变劲度模量S、蠕变应变速率m值与温度有非常高的相关性，但采用蠕变劲度模量S、蠕变应变速率m值用于评价沥青的感温性能时，出现排序不一致的现象，但劲度模量系数A值的绝对值远大于m值系数B值，且A值相对B值区分度高、差别显著，表明温度对劲度模量的影响大于对m值的影响。所以，在-30℃～0℃低温区域，选择劲度模量系数A值表征沥青的温度敏感性较为合理，此时定义劲度模量系数A为评价沥青低温敏感性的低温模量指数。

2.2 沥青中温敏感性

采用动态剪切流变仪(DSR)评价沥青的中温敏感性能，此设备采用交变应力作用下动态扭转力，把沥青性能中的粘性性能及弹性性能分解开来，同时采用扭动频率代替静态蠕变等试验过程中的时间变量，使沥青的高温性能评价更为准确。试验时，采用复数模量G*、相位角表征，存储模量G′和损耗模量G″复合形成复数模量G*，其中存储模量G′表征沥青的弹性成分性能，损耗模量G″表征沥青的粘性成分性能。

复数模量 G*、存储模量G′、损耗模量G″以及车辙因子G*/sinσ均反映了沥青材料随温度变化的敏感性能。对6种沥青进行动态剪切流变试验和回归分析，其测试结果均较好地符合式(3)的关系。

lgX=E·T+F

(3)

式中: X表示G*、G′、G″、G*/sinσ中任意一个，T为温度，E、F为回归系数。

LgX与温度T呈直线关系，其斜率反映了每个参数随温度的变化规律，可用来表征沥青在中温区间的温度敏感性，定义E值作为沥青的中温模量指数，E值越大，以上几种模量随温度变化越大，表明该沥青的感温性能越大。以式(3)为回归模型，对6种沥青的复数模量G*、存储模量G′、损耗模量G″以及车辙因子G*/sinσ进行回归，计算其中温模量指数E，结果见表3及图1。

表3 沥青不同模量、车辙因子与温度的斜率关系

图1 不同沥青模量、车辙因子与温度的斜率关系

从表3可知，采用以上评价参数除“克拉玛依90”和“中海70”两个沥青顺序不一致外，其它沥青顺序均一致，表明采用复数模量、存储模量、损耗模量、车辙因子用于沥青温度敏感性评价均较为可靠。同时从图1可知，用于评价沥青弹性性能的存储模量温感系数明显高于其他温感系数，且对温度的变化存储模量温感系数变化更为明显，区分度更高，表明存储模量温感系数相对其它温感系数更敏感，可作为沥青中温性能评价的中温模量指数。另外，每种沥青中，存储模量温感系数最大，损耗模量温感系数最小，表明温度对沥青的弹性部分影响最大，而对沥青的粘性部分影响最小。

2.3 沥青高温敏感性

高温阶段70～160℃，此阶段的温度主要用于反映施工阶段的沥青粘度变化，但普通沥青在160℃以上已为牛顿流体，所以本试验主要用于160℃以下试验。选择布洛克菲尔德粘度计测试6种沥青的高温粘度,同时采用Walther与Saal粘温曲线关系,回归布氏粘度与开尔文温度的关系，见式(4)，用粘温曲线斜率n表征沥青的高温敏感性能。n值越大，沥青的布氏粘度随温度的变化则越大。

lglg(η×103)=m-n×lgT

(4)

式(4)中:η为粘度(Pa·s), T为开尔文温度。

图2 不同沥青粘温曲线斜率柱状图

通过对测试粘度数据回归，相关系数均在0.99以上，相关性均很高。从粘温曲线斜率n可以看出，壳牌70号普通沥青的感温性最高，克拉玛依90号普通沥青感温性最弱，且采用粘温曲线斜率n可明显地区分不同沥青在高温区的温度敏感性，所以采用粘温曲线斜率n可用于表征高温区不同沥青的高温敏感性能。

3 结论

通过对不同沥青低温区、中温区、高温区沥青温度敏感性能评价指标的分析，分别提出了各个温度区域敏感性强、区分度高的评价标准，可实现宽域温度范围内评价沥青的敏感性能，具有较高的使用价值。

(1)在-30～0℃低温区，选择低温模量指数，即劲度模量与温度回归系数A值，表征沥青的温度敏感性较为合理。

(2)在0～70℃中温区，复数模量、存储模量、损失模量、车辙因子中，中温模量指数E，即存储模量对数值与温度回归系数E，用于表征沥青的中温温度敏感性能更为显著。所以，选择中温模量指数E作为沥青中温区温度敏感性评价指标较为合理。

(3)在70～160℃高温区，粘温曲线斜率n用于沥青温度敏感性评价时，区分度高。所以，粘温曲线斜率n用于表征高温区沥青的高温敏感性能较为合理。

(4)以上评价指标的提出，为确定不同温度区间温度敏感性控制标准奠定了基础，也为延伸到改性沥青、长短期老化后沥青的温度敏感性控制提供了方向。