SBS改性沥青低温评价指标及与混合料关联性分析

2021-10-28李卓琳付兴胜任俊达张茁峰

北方交通 2021年10期

李卓琳，付兴胜，任俊达，张茁峰

(1.辽宁省交通科学研究院有限责任公司沈阳市 110015； 2.高速公路养护技术交通运输行业重点实验室沈阳市 110015)

※基金项目：辽宁省交通科技项目(201708)

改性沥青是一个复杂的体系，基质沥青性能、改性剂类型、改性剂掺量以及改性工艺等的综合作用决定了改性沥青的低温性能[1]。为了分析SBS改性沥青的影响因素，首先必须确定能够客观反映改性沥青低温性能、并可以充分体现各种因素影响力大小的低温指标。与此同时，沥青是一种典型的流变材料，具有流动性的本质，要想真实地描述改性沥青的低温性能，必须从其流变性入手[2]。低温流变性主要研究沥青在低温条件下的流动变形的发生、发展规律。同时，一些室内试验和工程实体均表明沥青低温流变性在很大程度上反映了沥青混合料或沥青路面的低温抗裂性，进一步说明了以流变学方法分析沥青低温性能的合理性[3]。因此，本研究采用流变学的方法来描述改性沥青的低温性能，并对沥青低温评价指标与沥青混合料低温性能指标的关联性进行分析。

1 材料选择

为了使研究对象具有代表性，选择三种具有不同PG分级和较好稳定性的SBS改性沥青，分别标记为1#、2 # 和3#，其基本性能如表1所示。

表1 SBS改性沥青常规试验结果

2 SBS改性沥青低温流变性能试验

以试验的方法考察其滞后角δ、动粘度η′ 、复数模量G*及损失模量G″ 和动粘弹指标Dvi随温度的变化情况，进行分析、比较，从中选出最佳的低温评价指标。所选频率为f=0.1Hz，温度条件为-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、20℃、30℃，加载模式为单应力式加载，为保证试验在各个温度下处于线粘弹性区域[4-5]，所选用的各个温度下的应力如表2所示。

表2 不同温度下的应力水平

经过测试，不同温度条件下的各参量随温度变化数据如表3、表4所示，各参量随温度的变化曲线如图1～图5所示。

由表3、表4及图1～图5可以看出，随着温度的降低，三种SBS改性沥青的相位角也随着降低。温度在-10～10℃范围时相位角降低很快，而当温度在10～30℃范围内时，变化缓慢。1#和2#改性沥青的曲线在低温区域比较接近。

表3 随温度变化的相位角、动粘度、复数模量

表4 随温度变化的损失模量、动粘弹指标

图1 相位角δ随温度变化曲线

图2 动粘度logη′随温度变化曲线

图3 复数模量logG*随温度变化曲线

图4 损失模量logG″随温度变化曲线

图5 动粘弹指标logDvi随温度变化曲线

动粘度、复数模量、动粘弹指标Dvi随温度变化的趋势基本一致，都是随着温度的降低而增大，在0～-10℃时基本上变化很小，三种改性沥青在此范围内的区别很小，而0～20℃范围内1#与2#接近，两者的低温流变性能接近，20℃以后2#向3#靠拢，说明两者的高温性能接近。

损失模量的变化规律与上述几种参数有所不同，在0～5℃范围内，三种改性沥青都达到了各自的最大值，在此温度以下0～-10℃范围内，1#的损失模量最大，2#与1#接近，都大于3#改性沥青；在此温度以上5～30℃范围内则恰恰相反。当温度为30℃时，对于各种指标，2#都与3#接近，远离了1#，这说明2#与3#在高温区的性能相近。

从上述分析可以看出，各种流变学指标的温度变化曲线大致相同，均能反映改性沥青性能随温度的变化趋势。在低温范围内，不同改性沥青的相位角与损失模量的差别较明显，能较好地区分其低温性能。

3 沥青混合料低温弯曲试验

相关研究表明，沥青的低温性能对混合料低温性能的贡献率为80%左右，同时，沥青混合料的低温性能也反映了沥青的低温性能[6-8]。因此，本研究考察了改性沥青低温流变指标与混合料低温性能的对应关系，以数学方法分析各个指标与混合料低温性能的关联度。

研究采用具有辽宁地区特色的SMA-13L沥青混合料，矿料级配组成如表5所示，为便于比较不同改性沥青在混合料低温性能中的作用，三种混合料试件均采用相同级配和相同用油量。经马歇尔试验得到最佳油石比为7.0%。选取-10℃的小梁弯曲破坏应变作为参考数列，低温弯曲试验的结果如表6和图6所示。

表5 矿料级配表

图6 三种沥青混合料的弯曲破坏应变

由上述试验可以看出，不同改性沥青混合料的弯曲破坏应变存在着明显的差别。三种沥青混合料的低温性能排序为1#>2#>3#，与沥青结合料的PG分级结果一致，即：低温弯曲破坏应变能够很好地表征混合料的低温性能，因此可以采用小梁低温弯曲破坏应变作为混合料低温性能的评价指标，并具有较好的代表性。

4 流变学指标与混合料低温性能的关联性分析

为进一步评价沥青流变学指标与沥青混合料低温性能的相关性，采用了灰关联理论，分析在-10℃下SBS改性沥青不同评价指标与小梁弯曲破坏应变关联的程度。

灰关联因子空间是灰关联分析的基础。灰关联因子空间是由具备“可比性”、“可接近性”、“极性一致性”的序列构成的[9]。以沥青混合料小梁低温弯曲破坏应变作为系统行为的主数列，{x0(k)|k=1,2,3}，实测的沥青相位角为因子序列x1(k)，以动粘度为因子序列x2(k)，以复数模量为因子序列x3(k)，以损失模量为因子序列x4(k)，以动粘弹指标为因子序列x5(k)，以5℃延度为因子序列x6(k)。对上述指标的关联性进行分析，分析结果如表7～表10所示。

表8 原始数据初值处理

表9 原始数据差序列表

表10 关联系数表

求两极差：

取关联度中的分辨系数ξ=0.5，将两级最大差和最小差之值代入，得出各个因子数列与行为主数列的关于每个数据的灰关联系数：

i=1,2, …6

根据表10各个因子的灰关联系数，由关联度计算式得出各因子序列与主数列之间的关联度分别为：

可知，关联度的排序如下：

γ02>γ03>γ05>γ04>γ01>γ06

由上述灰关联分析结果可知，流变学的低温评价指标与沥青混合料低温评价指标的关联性均较好，关联度水平较高。其中，-10℃的动粘度和复数模量与弯曲破坏应变的关联度明显大于其它流变指标和常规指标的关联度。动粘度能够反映沥青的粘弹比例，体现了沥青的流动性，低温下的动粘度越小，沥青的低温流变性能越好；复数模量体现了沥青用于流动的能量，低温时，复数模量越小，则低温流变性能越好。

以上试验研究及分析表明，流变学指标动粘度和复数模量能够较好地区分不同改性沥青的低温性能，并与混合料的低温性能之间存在很好的相关性，而常规测试指标5℃延度与混合料低温性能相关性较弱。因此，确定采用动粘度和复数模量两个指标衡量对沥青混合料低温性能的改善效果具有较好的代表性。