生物沥青、岩沥青及复合改性沥青常规性能与流变性能的相关性

曾梦澜　夏颖林　祝文强　周杰

摘   要：为探讨生物沥青改性沥青和岩沥青改性沥青及其复合改性沥青常规性能和流变性能的相关性，对不同掺量的3种改性沥青进行常规使用性能和流变性能试验，并从高温性能、低温性能、可使用温度范围和感温性能等方面进行相关性分析. 试验结果与分析表明：3种改性沥青的软化点和当量软化点之间相关性较好，且当量软化点与高温连续分级温度呈显著线性相关;生物沥青改性沥青的当量脆点与低温连续分级温度呈线性相关，另外两种改性沥青则为复杂抛物线关系，应结合兩种性能指标综合评价沥青低温性能;3种改性沥青的当量软化点与当量脆点之差和高低温连续分级温度之差之间呈显著线性相关，对沥青可使用温度范围的评价具有一致性;3种改性沥青的针入度指数和复数模量指数之间相关性较好，对感温性能的评价具有一致性. 可以通过常规性能指标来合理预估流变性能.

关键词：生物沥青;岩沥青;使用性能;相关性

中图分类号：U416.217                     文献标志码：A

Correlation between Conventional Performance and Rheological

Performance of Bio-asphalt， Rock Asphalt and Composite Modified Asphalt

ZENG Menglan，XIA Yinglin，ZHU Wenqiang，ZHOU Jie

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：In order to explore the correlation of the evaluation index between the conventional and rheological performance of bio-asphalt modified asphalt， rock asphalt modifier asphalt and its composite modified asphalt binder， the conventional and rheological properties of three kinds of modified asphalts were tested. The correlation analysis was conducted from the aspects of high temperature property， low temperature property， service temperature range and temperature susceptibility. The test results and analyses indicate that the correlation between the softening point and the equivalent softening point of the three kinds of modified asphalt is conspicuous， and the equivalent softening point has a significant linear correlation with the high continuous grading temperature. The linear correlativity between the bio-asphalt modified asphalt's equivalent breaking point and low continuous grading temperature of bio-asphalt modified asphalt is prominent， while the other two kinds of modified asphalts show complex parabola relation. It is necessary to evaluate the low temperature performance of asphalt comprehensively by combining these two indexes. The difference between the equivalent softening point and equivalent breaking point has a significant linear correlation with that between high continuous grading temperature minus and low continuous grading temperature， and the evaluation of service temperature range of asphalt is consistent. The correlation between penetration index and complex modulus index of three kinds of modified asphalts is noteworthy， and the evaluation of temperature susceptibility performance is consistent. The rheological performance can be estimated reasonably through the conventional performance index.

Key words： bio-asphalt;rock asphalt;performance;correlation

在我国沥青路面的发展进程中，通过不断自我摸索和吸收借鉴国外性能分级标准，形成了以针入度为分级标准的评价体系，并综合考虑了道路实际工作中气候分区情况和沥青对温度的敏感程度[1]. 然而，作为经验型评价体系，存在以下缺陷：1）未考虑长期老化，试验温度区间狭窄，与实际道路工作环境不符;2）试验结果离散性较大，精度不高;3）同一针入度等级的沥青在使用性能方面可能存在巨大差异;4）大部分经验指标物理意义模糊，难以与沥青具体使用性能明确相关[2-4]. 另一方面，基于沥青流变性能提出的PG（Performance Grade）性能分级体系则具有切合沥青实际工作环境、精度高、各指标与使用性能直接相关的优点，但试验仪器价格高，实际推广难度较大.

沥青的常规性能与流变性能均为材料性能，二者之间应存在某一联系. 若可用沥青常规性能来预估流变性能，则能在节省大量人力物力的同时，通过结合两种指标提升沥青评价的准确性. 但沥青为粘弹性材料，流变性能相当复杂，其变形兼有弹性体瞬时响应的可恢复变形和粘性流体耗散能量的永久变形[5]. 此外，受沥青品种、制备工艺、内部结构等多种因素影响，难以建立完全统一的常规性能与流变性能的相关性.

生物沥青为新型绿色可再生材料，具有来源广泛、原材料储备丰富、环保可再生和价格低廉等显著优势. 采用其替代石油沥青能缓解石油资源逐步枯竭的趋势，同时降低道路成本，但掺入过量的生物沥青会显著降低沥青高温性能[6].如何推广使用生物沥青受到越来越多国内外学者的关注. 岩沥青为天然沥青，常作为改性剂掺入基质沥青中，改性技术较为成熟，能显著提高沥青高温性能、水稳性能和抗老化性能，国内外均已有研究应用[7]. 在生物沥青改性沥青中掺入岩沥青能提升沥青高温性能，降低生物沥青的不利影响，从而大幅提高生物沥青掺量.

本研究通过对给定的生物沥青、岩沥青及复合改性沥青进行常规使用性能试验和流变性能试验，从高温性能、低温性能、可使用温度范围和感温性能等方面综合探讨了3种改性沥青的常规使用性能指标和流变性能指标的相关性，为建立沥青常规性能与流变性能统一关系提供参考依据，并为应用生物沥青、岩沥青及复合改性沥青奠定基础.

1   试验材料

1.1   原材料

本研究中生物沥青为蓖麻油生物沥青，由蓖麻子提炼蓖麻油后剩余脚料加工而成，在常温下呈固态，色泽暗淡，外观与普通沥青相似. 岩沥青为产于欧洲巴尔干半岛的天然岩沥青，经破碎处理后呈黑色颗粒状. 生物沥青和岩沥青的技术指标分别见表1和表2.

其中，生物沥青改性沥青采用50号基质沥青，岩沥青改性沥青和复合改性沥青采用70号基质沥青. 两种基质沥青的技术标准[8]见表3.

1.2   改性沥青的制备

将一定比例的生物沥青直接掺入到50号基质沥青中，在105 ℃条件下以1 500 r/min转速搅拌均匀后，即可制得生物沥青占沥青总量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%的生物沥青改性沥青. 将岩沥青与70号基质沥青按比例混合并在烘箱中发育一段时间后，在150～160 ℃条件下以3 000 r/min转速剪切均匀后，即可制得岩沥青占沥青总量分别为0%、5%、10%、15%、20%和25%的岩沥青改性沥青. 复合改性沥青则是先将岩沥青掺入到70号基质沥青中，在160 ℃条件下搅拌均匀并剪切发育后，再掺入生物沥青在145 ℃的条件下以1 500 r/min转速剪切均匀后制得.

针入度作为我国现行规范中沥青性能评价的核心指标，可以直观反映沥青粘稠度的大小[9]，故通过保证不同掺量的复合改性沥青25 ℃针入度基本一致，即复合改性沥青标号不变，从而确定复合改性剂掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%的复合改性沥青中生物沥青和岩沥青各自所占比例. 掺配比例见表4.

另外，按与改性沥青相同的制备工序对基质沥青进行处理，获得对比用零掺量试样.

2   实验室试验与性能指标

2.1   改性沥青的性能试验

根据JTG E20—2011《公路工程瀝青及沥青混合料试验规程》，分别进行沥青针入度、软化点、弯曲蠕变劲度和流变性质试验[8]. 按照试验规程T0604—2011进行针入度试验;按照试验规程T0606—2011进行软化点试验;按照试验规程T06027—2011进行弯曲蠕变劲度试验;按照试验规程T06028—2011进行流变性质试验.

2.2   常规性能指标

由于我国沥青蜡含量普遍偏高，软化点难以准确评价沥青高温性能，故采用当量软化点T800和当量脆点T1.2作为常规性能指标. T800为针入度外延至800（0.1 mm）时所对应的温度，T1.2则为针入度外延至1.2（0.1 mm）时所对应的温度.

另外，根据不同温度下沥青的针入度值，按式（1）和式（2）回归计算得到PI值.

式中：T为针入度试验温度，℃;lgP为针入度的对数;K为回归方程常数项a;Alg Pen为回归方程常数

项b.

2.3   流变性能指标

基于沥青流变性能提出的沥青PG性能分级体系以高温连续分级温度HT和低温连续分级温度LT来直观反映沥青在道路合理服务的温度上限值和下限值[10-11]. 其中，按式（3）计算RTFO老化前后沥青的车辙因子G*/sin δ所对应的分级温度，取温度较低值作为HT;按式（3）和式（4）分别计算在低温弯曲梁流变试验中，PAV老化后沥青的蠕变劲度S和劲度变化率m值各自对应的分级温度，取温度较高值作为LT[12-13].

式中：TC为连续分级温度，℃;T1、T2为试验温度，且T2比T1高6 ℃;PS，原状沥青PS = 1.0，RTFO老化沥青PS = 2.2，S对应的PS = 300，m对应的PS = 0.3;P1、P2分别为试验温度T1、T2所对应的不同指标值.

3   试验结果分析

3.1   高温性能相关性分析

软化点和当量软化点T800是我国沥青高温性能评价的重要指标. 对3种改性沥青的软化点与T800分别进行相关性分析，如图1所示. 生物沥青改性沥青和岩沥青改性沥青的软化点与当量软化点均呈明显的正相关，线性相关系数R2分别达到了0.993 9和0.982 6. 复合改性沥青的相关性相对较低，相关系数R2为0.759 2，这主要是由于复合改性剂的掺量较大，软化点的增长速度略大于T800的增长速度，软化点和T800准确度不够，不适用于高掺量的改性沥青.

通常软化点越高的沥青，当量软化点和PG高温连续分级温度也越高，高温性能越好. 对3种改性沥青的当量软化点T800和PG高温连续分级温度HT进行相关性分析，如图2所示. 3种改性沥青的HT均随着T800的增大而有不同幅度的提升，生物沥青、岩沥青和复合改性沥青的T800与HT的相关系数R2分别高达0.995 1、0.987 6和0.960 7，这表明3种改性沥青的常规试验指标T800与流变性能指标HT呈显著线性相关. 另外，软化点与T800也具有一定的相关性，表明软化点、T800和HT对3种改性沥青高温性能的评价基本一致，可以通过软化点和T800来合理预估PG高温连续分级温度HT.

3.2   低温性能相关性分析

我国目前通常采用延度指标并结合当量脆点T1.2对沥青的低温性能进行分析. 由于生物沥青和岩沥青均含较多杂质，在沥青拉伸过程中易造成应力集中，影响延度试验结果[14-15]，故本研究采用当量脆点T1.2与PG低温连续分级温度LT进行相关性分析. 当量脆点T1.2和LT的相关性分析见图3.

由图3可知，随着当量脆点T1.2的增大，生物沥青改性沥青和岩沥青改性沥青的PG低温连续分级温度LT均有不同幅度的增大，复合改性沥青则呈先减小后增大的趋势. 其中，生物沥青改性沥青的T1.2与LT之间呈线性相关，相关系数R2为0.981 6，岩沥青改性沥青和复合改性沥青的T1.2与LT则呈二次相关，相关系数R2分别为0.992和0.974 1. 表明T1.2和LT对生物沥青改性沥青低温性能的评价具有一致性，可以通过当量脆点T1.2来预估生物沥青改性沥青的PG低温连续分级温度LT. 而岩沥青改性沥青的T1.2变化速度大于LT的变化速度，复合改性沥青的T1.2与LT则为更复杂的抛物线关系，难以建立统一的线性模型. 对岩沥青改性沥青和复合改性沥青的低温性能，应结合常规性能和流变性能指标，并参考沥青混合料相关试验结果来综合评价.

3.3   可使用温度范围相关性分析

沥青当量软化点T800与当量脆点T1.2之差T800-T1.2与PG高低温连续分级温度之差HT-LT类似，均表示沥青的可使用温度范围，即实际道路中沥青能正常工作的温度的上下限差值. 对3种改性沥青的温差T800-T1.2与HT-LT进行相关性分析，结果如图4所示. 由图4可知，3种改性沥青的温差T800-

T1.2与HT-LT呈正相关，温差HT-LT随着T800-T1.2的增大而增大. 生物沥青、岩沥青和复合改性沥青的温差T800-T1.2与HT-LT拟合后的线性相关系数R2分别高达0.976 1、0.977 7和0.978 9. 表明尽管3种改性沥青的T1.2与LT的相关性较复杂，但常规指标温差T800 - T1.2与流变指标温差HT-LT相关性显著，均为线性相关模型，二者在表征沥青可使用温度范围上基本一致.

3.4   感温性能相关性分析

我国现行规范中采用针入度指数PI值作为沥青温度敏感程度的评价指标，但PI值易受针入度试验精度的影响，且对有较宽使用温度范围的改性沥青则准确度不够. PG性能分级评价体系则采用复数剪切模量指数GTS值[16]，GTS值按式（5）由复数剪切模量G*与温度相关性计算得到.

式中：G*为复数剪切模量，Pa;T为试验温度（绝对温度），K;C为常数;GTS为复数模量指数.

复数剪切模量G*精度高，是沥青材料内在力学性质的定量指标，因而得到的GTS值精确，更能合理评价改性沥青的感温性能. 通常PI值越大的沥青，GTS值也越大，感温性能越好. 对PI值和GTS值进行相关性分析，结果见图5.

由图5可知，3种改性沥青的PI值和GTS值呈正相关，GTS值随着PI值的增大而增大. 生物沥青改性沥青和复合改性沥青的PI值和GTS值为线性相关，相关系数R2分别为0.980 5和0.972 2，岩沥青改性沥青则呈二次相关，PI值增大速度略大于GTS值增大速度，相关系数R2为0.939 9. 表明沥青常规试验指标PI值和流变性能指标GTS值对3种改性瀝青感温性能的评价具有一致性.

4   结   论

本研究分别以生物沥青、岩沥青及其复合改性沥青作为改性剂，制备了不同掺量的3种改性沥青. 采用不同试验评价体系测试了高温性能、低温性能、可使用温度范围和感温性能，分析确立了3种改性沥青的常规性能与流变性能的相关性. 结论如下：

1）3种改性沥青各常规性能与流变性能的回归方程均不一样，表明难以建立完全统一的回归方程. 但对于同一品种的沥青，其常规性能与流变性能存在显著相关性.

2）软化点、当量软化点T800和PG高温连续分级温度HT对3种改性沥青高温性能的评价基本一致，可以通过常规性能指标软化点和T800来预估流变指标PG高温连续分级温度HT.

3）生物沥青改性沥青的当量脆点T1.2和PG低

温连续分级温度LT呈显著线性相关，但岩沥青改性沥青和复合改性沥青为二次相关. 表明T1.2和LT相关性较复杂，对低温性能评价不完全一致，应结合两种指标并参考混合料相关试验来综合评价沥青低温性能.

4）3种沥青的当量软化点与当量脆点之差和PG高低温连续分级温度之差之间线性拟合较好，采用针入度常规评价体系和流变评价体系均能合理描述3种改性沥青的可使用温度范围.

5）3种改性沥青的针入度指数PI值和复数剪切模量指数GTS值之间相关性较好，常规指标和流变指标对沥青感温性能的评价基本一致.

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