公路面层沥青材料在低温条件下的性能分析与评价

吴凯

（赣州市公路发展中心瑞金分中心，江西 赣州 342500）

0 引言

随着我国经济的高速发展，国内建设需求急剧上升。面对国际化的建设目标，国内公路建设面临许多问题，例如天气、温度、环境、技术、材料选择等[1]。根据相关统计，目前我国公路面层材料大部分选择的是沥青材料，但沥青材料种类繁多，市场价格不一，性能各不相同[2]。我国的公路建设需要跨过多个低温区域，材料使用不当容易造成人力、物力以及经济的损失[3]。

1964年，美国研究员Monismith[4]首次提出了沥青材料以及沥青材料性能鉴定手段，包括蠕变试验、低温收缩系数试验以及沥青材料温度应力试验。接着，国外众多学者以及国际研究员纷纷开始进行沥青材料的研究和改进工作，通过试验陆续提出了沥青低温性能评价指标、试验方法、沥青断裂性能以及沥青抗开裂性能试验[5-6]。沥青材料低温性能研究一直是我国学者的热门研究课题，例如低温状态下沥青材料配合比设计及技术[7]、沥青低温性能试验方法和评价指标[8]。冉松林[9]等通过采取沥青材料低温条件下进行弯曲试验，测试其破坏状态，得出低沥青材料低温性能具有较好的规律性。李晓娟[10]等通过低温蠕变试验测试沥青材料的低温性能和应力水平。

综上所述，沥青材料的研究方法种类繁多，试验方法和评价体系各不相同，但从总体上看却相近[11]。本文在国内外的研究基础上，进行国内五种常用的沥青材料低温性能试验研究，调查市场价格水平，评价五种常用沥青材料的性价比以及适用性，旨在避免国内公路建设盲目使用沥青材料，造成经济损失，希望对公路建设具有一定的参考价值。

1 试验材料及设备

1.1 试验材料

试验采用全国市场常用的五种沥青材料，分别为：高黏高弹沥青、Ⅰ-C改性沥青、TPE改性沥青、橡胶沥青、Ⅰ-D改性沥青，主要性能指标如表1所示。

表1 沥青材料技术指标

沥青基本低温性能通常以5℃延度、老化后延度作为技术指标，将25℃针入度作为中温性指标和低温性能参考技术指标。通过表1数据以及三种指标下，可获得五种常用沥青在低温条件下性能的优劣，即高黏高弹沥青＞Ⅰ-C改性沥青＞TPE改性沥青＞橡胶沥青＞Ⅰ-D改性沥青。

通过市场调研获得五种沥青市面价格分别是：高黏高弹沥青（6 500～7 500元/t）、Ⅰ-C改性沥青（3 800～4 200元/t）、TPE改性沥青（3 400～4 000元/t）、橡胶沥青（1 800～3 000元/t）、Ⅰ-D改性沥青（3 800～4 200元/t），为更好地进行对比分析，本文采用价格区间中值进行比较。可发现高黏高弹沥青在市场价格最为昂贵，为7 000元/t；Ⅰ-C改性沥青、Ⅰ-D改性沥青两者价格相近为4 000元/t；TPE改性沥青较少于前两者，价格为3 700元/t；橡胶沥青最为便宜，价格为2 400元/t。

1.2 试验仪器

本次试验采用TE-BBR-F弯曲梁流变仪（如图1所示），通过弯曲梁流变仪进行BBR试验，测定沥青材料在低温环境以及恒定荷载（0.98N）作用下的弯曲变形情况，判断沥青的低温性能。

1.3 试验方案

实验采用五种恒定温度-27℃、-17℃、-12℃、-7℃以及0℃进行试验。将五种样品制作为127mm×6.35mm×12.70mm的小梁试件，通过PAV老化后，在试件上施加0.980N恒载。施加荷载过程中利用系统的位移传感器测定试件的变形挠度，每个试样施加240s后再进行卸载，最后采集数据进行模拟分析。通过试验采集的数据，读取60s时的劲度模量S以及蠕变速率m，最终以这两种数据评价沥青的低温性能。

2 试验结果分析

2.1 劲度模量变化分析

将五种沥青小梁试件采用弯曲梁流变仪，通过恒定荷载0.980N加压240s，当加压60s时记录劲度模量变化，每组试样的加压环境温度不同，获得的数据如表2所示。

表2 沥青劲度模量与温度变化关系

由表2可知，在低温条件下，沥青劲度模量随着温度的提升，而随着减小。在沥青劲度模量评价标准中，是以沥青的劲度模量增长速率来衡量的，劲度模量增长越慢，沥青产生的应力释放就越快，沥青的低温性能也就越好。随着温度由0℃降至-27℃，高黏高弹沥青劲度模量由5.5MPa升至500MPa，增长速率为8.24MPa/s。同理，Ⅰ-C改性沥青增长速率为13.93MPa/s，TPE改性沥青9.785MPa/s，橡胶沥青8.73MPa/s，Ⅰ-D改性沥青14.71MPa/s，可以看出，高黏高弹沥青增长速率最慢，其低温性能最好，而Ⅰ-C改性沥青和Ⅰ-D改性沥青增长速率接近，低温性能最差。对这五种沥青绘制劲度模量变化图，如图2所示。

图2 沥青劲度模量变化图

如图2所示，Ⅰ-D改性沥青和Ⅰ-C改性沥青变化曲线相似，且高于其他三种沥青，由此可得这两种低温性能较差。TPE改性沥青低温性能处于中等位置，高黏高弹沥青和橡胶沥青低温性能最佳。因此，五种沥青的低温性能由优到劣分别是：高黏高弹沥青＞橡胶沥青＞TPE改性沥青＞Ⅰ-C改性沥青＞Ⅰ-D改性沥青。

2.2 蠕变速率变化分析

将五种沥青小梁试件采用弯曲梁流变仪，通过恒定荷载0.980N加压240s，当加压60s时记录蠕变速率变化，每组试样的加压环境温度不同，获得的数据如表2所示。

表2 蠕变速率试验数据

根据沥青低温性能指标，沥青的蠕变速率越大，沥青内部收缩应力释放得越快，沥青的低温性能越好。由表2可知，温度从-27℃升至0℃，其蠕变速率逐渐增大。为更好地进行分析，绘制蠕变速率与温度变化关系曲线图，如图3所示。

图3 沥青蠕变速率变化图

根据图3可知，高黏高弹沥青在个低温条件下，蠕变速率都高于其他四种沥青，也就是高黏高弹沥青的低温性能优于其他四种，次之为橡胶沥青。TPE改性沥青其低温性能处于中间位置，属于中等。Ⅰ-C改性沥青与Ⅰ-D改性沥青低温性能相仿，都相对较差。因此，五种沥青的低温性能由优到劣分别是：高黏高弹沥青＞橡胶沥青＞TPE改性沥青＞Ⅰ-C改性沥青＞Ⅰ-D改性沥青。

通过市场调查可知，高黏高弹沥青价格较为昂贵，但其性能优于其他四种沥青材料，若在公路建设中，考虑性能可选择高黏高弹沥青材料；Ⅰ-C改性沥青与Ⅰ-D改性沥青价格其次，但其低温性能较为不好，性价比不高；TPE改性沥青价格较为便宜，其低温性能处于中等层次；橡胶沥青价格最为便宜，性能仅次于高黏高弹沥青材料，性价比最高。

3 结论

（1）沥青材料低温性能劲度模量指标中，Ⅰ-D改性沥青和Ⅰ-C改性沥青变化曲线相似，TPE改性沥青低温性能处于中等位置，高黏高弹沥青和橡胶沥青低温性能最佳。

（2）沥青材料低温性能蠕变速率指标中，高黏高弹沥青的低温性能优于其他四种，次之为橡胶沥青。TPE改性沥青其低温性能处于中间位置，属于中等。Ⅰ-C改性沥青与Ⅰ-D改性沥青低温性能相仿，都相对较差。

（3）高黏高弹沥青价格较为昂贵，考虑性能可选择高黏高弹沥青材料；Ⅰ-C改性沥青与Ⅰ-D改性沥低温性能较差，性价比不高；TPE改性沥青价格低温性能处于中等层次；橡胶沥青价格最为便宜，性价比最高。