高黏改性沥青常规性能与流变性能相关性分析

王鹏 吕大春 潘昊宇

摘要：为研究高黏改性沥青常规性能与流变性能的相关性，文章从高温性能、低温性能、可使用温度范围及温度敏感性四个方面，对掺量分别为0%、6%、8%、10%及12%的高黏改性沥青进行试验分析。结果表明：高黏改性沥青的软化点和当量软化点分别与HT呈线性关系、多项式关系，随HT的增加而不断上升;高黏改性沥青LT与5℃延度、当量脆点T1.2均呈多项式回归关系，使用当量脆点T1.2比5℃延度更能准确地表达高黏改性沥青的低温性能;高黏改性沥青的塑性温度范围与可使用温度、针入度指数|PI|值与复数模量指数|GTS|均具有良好的相关性，表现出规律一致性;当缺少动态剪切流变仪时，可分别采用塑性温度和针入度指数评价高黏改性沥青的可使用温度范围和感温性能。

关键词：沥青结合料;高黏改性沥青;常规性能;流变性能;相关性

0 引言

沥青及沥青混合料的路用性能受诸多因素影响，但原材料的性能质量影响最大。目前，世界各国基本都形成了自己国家的沥青及沥青混合料评价技术，主要分为三种：（1）以针入度为划分等级的评价体系;（2）以60℃黏度为划分等级的评价体系;（3）基于沥青流变学原理开发的PG分级体系。

我国目前主要采用的是针入度等级评价体系，属于经验性评价体系，优点是仪器设备简单、操作方便、人员操作要求较低且易推广。但缺点也很明显：（1）仪器设备精度不高，实验可重复性较差;（2）评价指标物理力学意义模糊，不能很好地反映沥青的性能;（3）同一针入度等级沥青使用性能存在差异性显著，不能很好地控制沥青的使用性能;（4）未考虑长期老化的影响。而沥青PG分级体系是专门针对沥青的粘弹特性开发出来的评价体系，具有精度高、可重复性好等特点，但因仪器价格较高导致普及率较低。

建立沥青的常规性能指标和流变性能指标之间的联系，既可提高沥青评价性能的准确度，又可降低性能评价的使用成本。但由于沥青自身粘弹形变随温度不断变化的特点，之前很多研究尝试建立广泛的常规性能指标和流变性能指标之间的相关性，但效果不理想，没有得到大规模的应用。究其原因，主要是不同基质沥青和改性沥青的制备工艺不同、油源不同及内部结构差异等因素造成。但如果单纯对某种改性沥青的常规性能指标和流变性能指标进行相关分析[1]，那么二者的定量关系的可靠度就会得到大幅提高，

这可为将来建立常规性能指标和流变性能指标的关系提供新思路。

本研究通过高温性能、低温性能、可使用温度范围和温度敏感性四个方面，对不同掺量的高黏改性沥青的常规指标和流变指标进行试验及分析，旨在建立其相关性。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

试验对70#A级道路石油沥青加入意大利Ⅰ型高黏改性剂进行改性，基质沥青满足现行规范[2]要求，技术指标见表1。

高黏改性剂外观为浅黄色颗粒状（见图1），改性试验采用外掺法（分别为基质沥青质量的0%、6%、8%、10%及12%）。

1.2 高黏改性沥青的制备

基质沥青在135℃下加热1h后，掺入相应比例的高黏改性剂并拌匀，发育（155℃±5℃）2h后，用高速剪切仪以4000r/min的转速剪切1h（165℃±5℃），直至改性剂全部溶解且分散均匀于沥青中，高黏改性沥青制备完成[3]。

1.3 常规性能试验

对5种不同掺量高黏改性沥青分别按照规范JTGE20-2011中T0604-2011、T0606-2011及T0605-2011进行不同温度下针入度、软化点及延度试验。

由于我国基质沥青蜡含量普遍偏高，为更准确地表达沥青的温度敏感性及高低温性能，采用针入度指数PI作为沥青温度敏感性的评价指标[4]，见式（1）和式（2）;T800和T1.2作为评价沥青高低温性能的评价指标，见式（3）和式（4）;沥青的塑性温度区间则采用T800-T1.2，表示沥青的可使用温度范围见式（5）。

1.4 流变性能试验

对5种不同掺量高黏改性沥青分别按照规范JTGE20-2011中T06027-2011、T06028-2011进行弯曲梁流变仪试验和动态剪切流变仪试验。

沥青是一种感温性能材料，其温度敏感性可采用复数模量指数GTS来评价。复数模量指数GTS通过lglgG*-lgT数据回归分析得到，如式（6）所示：

沥青的PG高温连续分级温度（HT）代表沥青在正常服役过程中可承受的最高工作温度，见式（7）;PG低温连续分级温度（LT）代表沥青在正常服役过程中可承受的最低工作温度，见式（8）：

2 试验结果分析

2.1 高温性能相关性分析

在SHRP的流变性能评价体系中，PG高温连续分级温度是评价沥青高温性能的重要指标，而在我国的沥青评价体系中，软化点和当量软化点是评价沥青高温性能的重要常规指标。若可以将这两种不同体系中评价沥青高温性能的指标联系在一起，得出它们之间的相关性，那么这对快速准确评价高黏改性沥青的高温性能大有裨益。

由图2可知，高黏改性沥青PG高温连续分级温度与当量软化点呈二次多项式回归关系，回归决定系数达到0.9949。随着高黏改性沥青PG高温连续分级温度不断增加，当量软化点也随之上升，但升高速度不断减缓。

由图3可知，高黏改性沥青PG高温连续分级温度与软化点呈线性关系，回归决定系数达到0.99以上。随着高黏改性沥青PG高温连续分级温度不断增加，软化点也随之上升。通过以上分析表明，当无法采用动态剪切流变仪评价高黏改性沥青结合料的高温性能时，可以通过常规性能中的软化点对其进行评价，并可以根据换算公式，较为精确地计算出高黏沥青的PG高温连续分级温度。

2.2 低温性能相关性分析

PG低温连续分级温度是基于流变学理论推导出来以评价沥青低温性能的指标，其力学指标比较明确，而低温延度和当量脆点T1.2指标虽然经验性比较强，但却是我国评价沥青低溫性能的常用指标。因此，分析两者之间的相关性具有重要意义。

从图4和图5可知，PG低温连续分级温度与5℃延度、当量脆点T1.2的回归决定系数均可达到0.97以上，表明它们之间的相关性非常好。随着PG低温连续分级温度不断增加，高黏改性沥青的5℃延度不断降低，当量脆点T1.2不断增加。从图4和图5还可以得知，PG低温连续分级温度与当量脆点T1.2的回归决定系数比PG低温连续分级温度与5℃延度的回归决定系数高，这表明在常规指标中，使用当量脆点T1.2比5℃延度更能准确地表达高黏改性沥青的低温性能。

2.3 使用温度区间相关性分析

可使用溫度范围和塑性温度均代表沥青的服务温度范围，表征沥青在外界环境的服务温度区间。可使用温度范围是通过PG连续分级的高温和低温差值计算出来的，力学性质更加明确，而塑性温度是通过当量软化点和当量脆点的差值计算出来的，经验性更强一些。故这两者之间既有密切的联系又有些许区别。

从图6可知，高黏改性沥青的塑性温度范围随着可使用温度范围的增加而增大，并表现出良好的多项式关系。这表明两者评价高黏改性沥青服务温度范围具有一致性，当缺少高黏改性沥青的可使用温度范围测量手段时，可通过塑性温度范围进行公式换算得出。

2.4 温度敏感性相关性分析

沥青是一种粘弹性材料，具有较强的温度敏感性，在我国采用针入度指数PI来评价沥青的这种性能，但是其本身是一种经验指标的导出值，故精确性不及复数模量指数|GTS|。若能找出这两者之间的联系，通过换算确定复数模量指数|GTS|值，具有十分重要的现实意义。

从图7可知，高黏改性沥青的复数模量指数|GTS|与针入度指数|PI|值的相关性非常好，回归决定系数达到0.96以上，表明两者在评价高黏改性沥青温度敏感性时具有一致性，当缺少动态剪切流变仪时，可采用针入度指数评价高黏改性沥青的感温性能。

3 结语

（1）高黏改性沥青软化点和当量软化点分别与HT呈线性关系、多项式关系，回归决定系数均达到0.99以上。随着高黏改性沥青HT的不断增加，软化点和当量软化点也随之上升。

（2）高黏改性沥青LT与5℃延度、当量脆点T1.2均呈多项式回归关系，但与当量脆点T1.2的回归决定系数更高，使用当量脆点T1.2比5℃延度更能准确地表达高黏改性沥青的低温性能。

（3）高黏改性沥青的塑性温度范围与可使用温度、针入度指数|PI|值与复数模量指数|GTS|均具有良好的相关性，表现出规律一致性。当缺少动态剪切流变仪时，可分别采用塑性温度和针入度指数评价高黏改性沥青的可使用温度范围和感温性能。

参考文献：

[1]丛卓红，吴喜荣，郑南翔，等.高黏度改性剂对沥青性能的影响[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2011，30（4）：759-762.

[2]JTGF40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[3]唐丽荣，吕大春，胡松山，等.湿热气候下高黏改性剂对沥青使用性能的影响研究[J].西部交通科技，2019（6）：1-4，12.

[4]于保阳，高 超，张荣华.基于东北季冻区气候下高黏改性沥青性能研究[J].中外公路，2019，39（1）：278-282.

[5]王 威，马德崇，樊长昕，等.硬质沥青老化前后流变分析及高温性能比较[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2017，36（6）：48-52.

[6]曾梦澜，朱 桃，胡圣魁，等.布敦岩沥青改性沥青Superpave使用性能研究[J].湘潭大学自然科学学报，2014，36（2）：30-35.