基于BBR与延度试验沥青低温性能对比研究

2022-07-03范炜东赵润林初博文韩鸿宇张涛张海涛

低温建筑技术 2022年5期

范炜东，赵润林，初博文，韩鸿宇，张涛，张海涛

（东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040）

0 引言

基于沥青材料在世界范围内于道路铺筑工程应用中修建、养护周期短、路面平整、行车舒适被广泛应用，且依据可通过不同沥青性能契合于不同工程应用环境的实践特点，由此引申出三大指标用于评价不同沥青的性能差异。美国战略公路研究计划（SHRP）针对沥青路面低温开裂的研究表明，沥青性能对低温开裂的贡献率达80%［1］，随着现代化技术改革推进，工程应用领域展现出了愈加精细化的趋势。国内不少学者［2-4］已将BBR弯曲梁蠕变试验等新型指标的评价方式引用纳入于不同改性沥青性能的研究中，可见BBR弯曲梁蠕变试验等新型指标相比于三大指标能够更加精准的反映出沥青性能的差异。银花和李凯［5］提出基于分数阶导数黏弹性模型，利用沥青低温蠕变劲度模量S和蠕变速率m之间的物理方程采用蠕变柔量速率（t）表征沥青低温性能的指标。谭忆秋、邵显智、张肖宁等［6］也认为评价沥青低温性能应从其流变特性入手，可以真实地反映沥青低温的变形能力及流动能力。当BBR弯曲梁蠕变试验等新型指标作为评价标准时，其精细程度具有远超三大指标的优势。但是三大指标在实际应用中应用范围比新型指标更加广泛，其本身具有远超于BBR弯曲梁蠕变试验等试验的易于操作，成本低，试验周期短的优势。延度试验和BBR弯曲梁蠕变试验同时作为评价沥青低温性能的指标，两者得到的试验结果都是正确有效的。那我们可以设想两者的试验结果是否存在某种逻辑性关系。我们可通过分析延度试验的结果与BBR弯曲梁蠕变试验的结果，论证延度试验和BBR弯曲梁蠕变试验的试验结果的关系，并得出延度试验与BBR弯曲梁蠕变试验之间关系的逻辑性。通过进一步分析论证，可以得到影响延度试验与BBR弯曲梁蠕变试验结果关系的深层因素。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

海川高黏度改性沥青HCHVA、日本TPS高黏度改性沥青、改性沥青HMA-1、改性沥青HMA-2、改性沥青HMA-3、改性沥青HMA-4［7］。

表1 沥青类型及技术指标

1.2 试验方法

（1） BBR弯曲梁蠕变试验。BBR弯曲梁蠕变试验是通过低温弯曲流变仪自带软件进行加载试验，在一定的温度下以恒定的应力输入持续加载，试验中一般给出沥青在第8.0、15.0、30、60、120s及240s等6个点的劲度模量S及蠕变速率m，通过这两个值来评价沥青的低温使用性能。

通过BBR弯曲梁蠕变试验获取沥青的蠕变劲度模量S和劲度模量随时间的变化率m。当沥青的劲度模量S越大，表现了沥青脆性越强，沥青容易发生开裂破坏，当沥青的劲度模量S值越小，沥青具有更佳的低温柔性，其低温抗裂性能越好；当沥青的蠕变速率m值增大、温度下降，材料产生的收缩应变降低了沥青的劲度模量S，从而使得其承受的拉应力减小，降低了沥青开裂的可能性。

（2）延度试验。延度试验是按照试验标准制作8字形标准试件，将试件浸没于水中，在规定温度（5℃）及规定拉伸速率（50mm/min±2.5mm）下且在试验中无明显外部干扰振动（拉伸开始前暂时中断循环，停止水流）下对试件进行拉伸，直至试件破坏或达到技术要求。在试验中，若发现沥青细丝浮于水面或沉入槽底时，则应在水中加入酒精或食盐，调整水的密度至与试样相近后，重新试验。沥青的延度值越高其延性及延伸效果越好。

2 基于BBR与延度试验的不同沥青低温指标对比分析

2.1 延度（5℃）试验结果分析

沥青的延性是指当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力。延性的好坏一般通过延度来进行度量，延度越大，表明沥青的塑性越好。一般来说，改性沥青在5℃的试验环境下，延度规范值不应少于技术要求的200mm，以下改性沥青试验结果均达到了技术要求。对比不同种类沥青的相对延度关系，从图1中5℃不同沥青延度来看，根据延度从大到小的顺序排列，可以得到沥青的低温性能：改性沥青HMA-3＞海川高黏度改性沥青HCHVA＞改性沥青HMA-4＞改性沥青HMA-1＞日本TPS高黏度改性沥青＞改性沥青HMA-2。

图1 低温下不同种类沥青的延度

对整体延度数据来说，通过延度试验的试验结果可以得出，在5℃的试验环境下，所有改性沥青都能达到技术要求，对比不同种类沥青的相对低温性能可知，改性沥青HMA-3和海川高黏度改性沥青HCHVA的沥青低温相对性能优异，日本TPS高黏度改性沥青和改性沥青HMA-2的沥青低温相对性能不佳。

延度试验的局限性也同时体现在以下几点：

（1）沥青路面低温开裂的实际温度和试验所处的环境温度相差较大。

（2）沥青路面低温开裂的其中一个所占比例较大的因素是沥青老化，在延度试验中并没有考虑和体现。

2.2 BBR试验结果分析

BBR弯曲梁蠕变试验通过低温弯曲流变仪自带软件进行加载试验，在一定的温度下以恒定的应力输入持续加载，试验中一般给出6组沥青的劲度模量S及蠕变速率m，通过这两个值来评价沥青的低温使用性能。一般来说，沥青的劲度模量S越大，表现了沥青脆性越强，沥青易发生开裂破坏，沥青的劲度模量S值越小，沥青低温柔性更佳，其低温抗裂性能越好。蠕变速率表征沥青在低温下的应力松弛能力。相同测试温度下，蠕变劲度越小，蠕变速率越大，沥青的低温性能越好。试验结果如图2、图3所示，对图2整体数据进行分析，试验环境-20℃下的劲度模量S值来看，低温性能排序：海川高黏度改性沥青HCHVA＞日本TPS高黏度改性沥青＞改性沥青HMA-1＞改性沥青HMA-3＞改性沥青HMA-2＞改性沥青HMA-4；对图3整体数据进行分析，从弯曲蠕变速率m值来看，低温性能排序：改性沥青HMA-1＞改性沥青HMA-3＞改性沥青HMA-2＞改性沥青HMA-4＞海川高黏度改性沥青HCHVA＞日本TPS高黏度改性沥青。

图2 低温下不同种类沥青的60s劲度模量

图3 低温下不同种类沥青的蠕变速率

对上面的两组数据进行分析，在劲度模量测试中HCHVA沥青的数据是6种沥青中劲度模量最小的，表现出六种沥青中HCHVA沥青的低温性能最佳，TPS高黏度改性沥青次之，改性沥青HMA-1、改性沥青HMA-3和改性沥青HMA-2分别位居第三、四和五，改性沥青HMA-4的低温性能最差；按照沥青的蠕变速率越大，低温柔性更佳，其低温抗裂性能越好的规律，在沥青的蠕变速率的测试结果中，改性沥青HMA-1的蠕变速率最小，其低温性能最佳，改性沥青HMA-3次之，改性沥青HMA-2、改性沥青HMA-4和改性沥青HCHVA分别位居第三、四和五，TPS高黏度改性沥青最差。基本上得到的两组相对低温性能的结果没有较大的相关性，可得出不同种类沥青依照劲度模量S值和蠕变速率m值进行低温性能评价的结论存在较大的差异。

根据李智慧等［8］研究，当S值和m值得到的试验结果不吻合时，S值与低温弯曲最大破坏应变规律相同，将S值作为低温评价指标较为合理。所以取劲度模量S值为BBR弯曲梁蠕变试验结果，沥青低温性能结论：海川高黏度改性沥青HCHVA＞日本TPS高黏度改性沥青＞改性沥青HMA-1＞改性沥青HMA-3＞改性沥青HMA-2＞改性沥青HMA-4。对比不同种类沥青的相对低温性能可知，6种沥青中海川高黏度改性沥青HCHVA沥青低温性能最佳，TPS高黏度改性沥青次之，改性沥青HMA-1、改性沥青HMA-3和改性沥青HMA-2分别位居第三、四和五，改性沥青HMA-4的低温性能最差。

2.3 BBR与延度试验结果对比分析

对6种不同的沥青材料的延度试验结果、BBR弯曲梁蠕变试验结果进行分析：

（1）延度试验结论：改性沥青HMA-3＞海川高黏度改性沥青HCHVA＞改性沥青HMA-4＞改性沥青HMA-1＞日本TPS高黏度改性沥青＞改性沥青HMA-2，改性沥青HMA-3的沥青低温性能最佳，海川高黏度改性沥青HCHVA次之，改性沥青HMA-4、改性沥青HMA-1和日本TPS高黏度改性沥青分别位居第三、四和五，改性沥青HMA-2的沥青低温相对性能最差。

（2） BBR弯曲梁蠕变试验结论：海川高黏度改性沥青HCHVA＞日本TPS高黏度改性沥青＞改性沥青HMA-1＞改性沥青HMA-3＞改性沥青HMA-2＞改性沥青HMA-4，海川高黏度改性沥青HCHVA沥青低温性能最佳，TPS高黏度改性沥青次之，改性沥青HMA-1、改性沥青HMA-3和改性沥青HMA-2分别位居第三、四和五，改性沥青HMA-4的低温性能最差。

综上可知，改性沥青HMA-1排序情况在第三第四的位次徘徊，两组数据变化不大，整体表现中等；改性沥青HMA-2在延度试验中低温性能最差，在BBR弯曲梁蠕变试验中也是排序倒数第二，两组数据变化不大，整体低温性能表现不佳，尤其是在延度试验中；改性沥青HMA-3在延度试验中低温性能最佳，在BBR弯曲梁蠕变试验中排序只在第四，且数值与其前一位的改性沥青HMA-1相近，整体低温性能较好；改性沥青HMA-4在BBR弯曲梁蠕变试验中低温性能最差，数据数值比同组其他数据相差较多，延度试验中也只是中等表现，整体低温性能较差；日本TPS高黏度改性沥青的低温性能在延度试验中表现较差，但是在BBR弯曲梁蠕变试验中低温性能很好，出现了结果相反的现象；海川高黏度改性沥青HCHVA在延度试验中仅次于改性沥青HMA-3，在BBR弯曲梁蠕变试验中表现最佳，整体表现最好。两组数据基本上没有出现很强的关联度，测试结果的表现呈现出较多相互关联现象的有改性沥青HMA-1、改性沥青HMA-2和海川高黏度改性沥青HCHVA，除此之外，也存在着日本TPS高黏度改性沥青在两次试验中表现出了相反的测试结果的情况。

所以我们基本可以认定延度试验与BBR弯曲梁蠕变试验在试验结果的体现上并没有很强的关联性，测试结果的表现呈现出较多相互关联现象的同时也会存在结果完全相反的情况，基于以上的认识，则可以提出以下假定：

（1）在低温变化中，温度是造成两者出现结果关联度不高的情况的主要影响因素。在较低温度变化的环境下，处于某一温度区段内，不同种类沥青的相对低温性能发生了非线性变化，以至于延度试验与BBR弯曲梁蠕变试验出现不同甚至相反的试验结果。

（2）延度试验与BBR弯曲梁蠕变试验同时作为评价沥青低温性能的试验都具有其存在的指导意义，出现结果关联度不高的情况是因为两者遵循的不同试验基本原理本质上的差异。

进一步分析可以得出，温度是造成两者差异的主要影响因素，对图4进行数据分析，随着温度T升高，沥青的蠕变劲度模量S整体呈现出降低的趋势，即沥青低温性能整体呈现出上升的趋势。在沥青的蠕变劲度模量S降低的趋势中，-19～-17℃的温度区段内，不同种类沥青的蠕变劲度模量S随温度变化的曲线出现了部分交错现象，改性沥青HMA-1的相对低温性能并没有发生变化，较为稳定位于中等第三位；改性沥青HMA-2的低温性能在-24℃时本是倒数第二，甚至与低温性能最差的改性沥青HMA-4相近，随着温度升高，其劲度模量S大幅下降并逼近改性沥青HMA-3，排序未发生改变但是低温性能与改性沥青HMA-4相比已提高很多；改性沥青HMA-3相较之改性沥青HMA-1蠕变速率m略大一些，改性沥青HMA-3的低温性能近乎与改性沥青HMA-1相平，在-18℃后相对低温性能虽然没有超过改性沥青HMA-1却依然和改性沥青HMA-1相平；改性沥青HMA-4在-24℃和-18℃时都是相对低温性能最差的，但是在-12℃时跃升为中等。

图4 蠕变劲度模量与温度的关系

海川高黏度改性沥青HCHVA在-24℃时低温性能最佳，蠕变进度模量远小于其他改性沥青，但是仅次于之的日本TPS高黏度改性沥青蠕变速率随温度改变的变化极大，相对低温性能在-18℃时为最佳。温度继续升高后日本TPS高黏度改性沥青蠕变速率随温度改变的变化最小，相对低温性能在-12℃时为最差。-16～-14℃的温度区段内，不同种类沥青的蠕变劲度模量S随温度变化的曲线出现了复杂的交错现象，日本TPS高黏度改性沥青由最佳跌至最差和改性沥青HMA-1由中等跃升为最佳等，这些现象说明沥青的相对低温性能会在-16～-14℃的温度区段发生激烈变化。在-14℃之后更高的温度情况下，沥青的相对低温性能和延度试验（5℃）的结果大体一致，关联度大幅提升。

综上，延度试验（5℃）与BBR弯曲梁蠕变试验的试验结果产生差异，是因为不同种类沥青的蠕变劲度模量的变化率随着温度的改变出现变化，尤其是在-16～-14℃温度区段，不同沥青的蠕变劲度模量的变化率变化最大。

延度试验与BBR弯曲梁蠕变试验，两者遵循的不同试验基本原理本质上的差异导致了结果的不符合：延度试验按照规定的温度和速率对沥青进行单维度拉伸，沥青属于单向受力状态，这种试验荷载状态下侧重研究的是沥青单一维度的延展性能。在BBR弯曲梁蠕变试验中，试件梁模具承受荷载的形式为横向的重复荷载，试件不只是简单的单向受力状态。考虑到重复荷载的作用，沥青会发生疲劳破坏，导致两个试验结果分析的差异。除了方式不同之外，延度试验是将沥青试件作为塑性模型做拉伸试验进行评价，而BBR弯曲梁蠕变试验是将沥青梁作为线黏弹型模型根据弹性-黏弹性反应准则进行评价的。所以延度与蠕变劲度模量作为评价沥青低温性能的指标都是正确有效的情况下，依然会存在结果矛盾的情况。此外，延度试验所处的环境温度与沥青路面低温开裂的实际温度相差较大，并且导致沥青路面低温开裂的一个影响较大的因素是沥青老化，在延度试验中并没有考虑和体现。

两者之间导致了差异矛盾的底层联系。值得进一步深入研究。