（道路与铁道工程专业论文）沥青结合料高温性能评价指标试验研究.pdf

摘要 沥青路面高温车辙是影响路面服务性能并缩短其使用寿命的重要原因之一， 而沥青结合料的流变特性则对这一路用性能的优劣起关键作用。因此，越来越多 的研究者开始关注结合料的高温性能，相应对评价指标的研究也得到不断深入。 本文选取了具有代表性的1 2 种沥青，以沥青高温性质为研究重点，进行了大 量的常规试验、动态剪切试验、重复蠕变回复试验和频率扫描试验，对目前国内 外评价沥青常规高温指标软化点、当量软化点、6 0 。c 粘度和s u p e r p a v e 高温指标 g + s i n 6 以及其优化指标等抗车辙因子临界温度t 。、改进型等抗车辙因子 g 0 一i s i n 6 鲫6 ) 、蠕变劲度的粘性成分g 、零剪仞粘度等指标进行详细的评析， 综合试验结果，分析认为：l g p t 关系更符合二次曲线，当量软化点、p i 计算误 差较大：6 0 粘度是表观粘度，与试验状态有关；温度对流变参数( g + 、g 、g 和6 ) 影响结果表明，温度主要影响沥青的弹性性能，对粘性成分影响相对较小； 短期老化前后重交沥青p g 高温等级基本相同，改性沥青由于老化条件不充分，老 化后高温等级比老化前低1 3 个等级：流变参数随应变大小、薄膜厚度而改变， 证明了s u p e r p a v e 基本假设及模型对改性沥青有其局限性；角速度的大小对试 验结果的影响表明，根据速度调整高温等级仅对重交沥青、线性s b s 改性沥青和 低剂量星型s b s 改性沥青基本合理，运用时不能对所用沥青一概而论；l 。解 决了p g 分级温度过宽、同一高温等级无法合理比较高温性能优劣问题，但没有对 s u p e r p a v e 高温指标流变模型及加载方式进行研究； g ( i 一1 s i n 6 增6 ) 、蠕变劲 度的粘性成分e 分别从理论推导和加载模式的方法解决了g + s i n 6 不能反映沥青 延迟弹性的不足，通过混合料动态剪切系统试验对各种指标进行验证，各指标与 混合料高温性能相关性大小排序为：g 累积变形 z s v g + ( 1 1 s i n 6 瑶6 ) 6 0 粘度 当量软化点 软化点 疋。 g s i n 6 ，相关性的大小在一定程度上可以反应 出各沥青高温评价参数的优劣。 【关键词】高温车辙沥青结合料当量软化点 软化点粘度零剪切粘度 a b s t r a c t t h e r m a lr u t t i n g ，w h i c hw i l ld e t e r i o r a t et h ep e r f o r m a n c ea n ds h o r t e n t h es e r v i c el i f eo fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t s ，i so n eo ft h ep r i n c i p a l f a i l u r em o d e so nr o a d s s t u d i e ss h o w e dt h a tr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so f a s p h a l tb i n d e r sp l a yav i t a lr o l ei nc o n t r o l l i n gt h i sc o m m o nm o d eo ff a i l u r e ， w h i c hh a v ed r a w ng r e a ta t t e n t i o n sf r o mt h er e s e a r c h e r sa n dp r o m o t e dt h e s t u d i e so nr e l e v a n tp a r a m e t e r s t h i sp a p e rs e l e c t s1 2k i n d so fr e p r e s e n t a t i v ea s p h a l tb i n d e r s ，r e g a r d h ig h t e m p e r a t u r en a t u r eo fa s p h a l ta st h ef o c a lp o i n t ，h a v eal a r g en u m b e r o fr o u t i n et e s t s ，d y n a m i cs h e a rt e s t s ，t h er e p e a t e dc r e e pt e s t sa n df r e q u e n c y s c a n n i n gt e s t s ，t oe v a l u a t ei nd e t a i lr o u t i n eh i g ht e m p e r a t u r ei n d e x ，n a m e l y s o f t e n i n gp o i n t ，t h ee q u i v a l e n ts o f t e n i n gp o i n ta n d6 0d e g r e e sc e n t i g r a d e o fv i s c i d i t ya th o m ea n da b r o a da tp r e s e n t ，a n ds u p e r p a v eh i g h t e m p e r a t u r e i n d e xg + s i n 6a n di t so p t i m iz e di n d e x e s n a m e l yt h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r e o fr u t f a c t o r 毛s ，r e f i n e m e n t f a c t o rg + ( 1 1 s i n 6 t g s ) ，z e r os h e a r v i s c i d i t y t h ec o m p r e h e n s i v er e s u l t so ft h et e s ti n d i c a t el g pa n dtr e l a t i o n a c c o r d sw i t ht h ec o n i cs e c t i o ne v e nm o r e le q u i v a l e n ts o f t e n i n gp o i n t ，p i a n dc a l c u l a t e st h ee r r o ri s r e l a t i v e l yg r e a t ：6 0d e g r e e sc e n t i g r a d eo f v is c i d i t ya r et h ea p p a r e n tv i s c i d i t y ，r e l a t e st ot e s t ss t a t e ：i ti sf o r r h e o l o g yi nt e m p e r a t u r ep a r a m e t e r ( g + 、g 1 、g a n d 6 ) i n f l u e n c eb yr e s u l t i ti n f l u e n c e s e l a s t i c i t y o fa s p h a l tm a i n l y 。i n f l u e n c et h ev is c i d i t y c o m p o s i t i o nr e l a t i v e l ys m a l l ：i ti st h es a m eb a s i c a l l yi nh i g h t e m p e r a t u r e g r a d et ou n m o d i f i e da s p h a l tb e f o r ea n da f t e rr t f o t ，f o rt h em o d i f i e da s p h a l t ， b e c a u s et h ea g i n gc o n d i t i o ni si n s u f f i c i e n t ，h i g h t e m p e r a t u r eg r a d ei s1 0 w f r o mo n et ot h r e eg r a d e sa f t e rr t f o t ：t h er h e o l o g yp a r a m e t e rc h a n g e sw i t h m a g n ir u d eo fs t r a i n ，t h i c k n e s so fs a m p t e ，h a sp r o v e dt h e r ei si t s1 i m i t a t i o n t ot h em o d i f i e da s p h a l ti ns u p e r p a v es u p p o s i n gb a s i c a l l ya n dm o d e l ，a 1 1 k i n d so fi m p a c to nr e s u l to ft h et e s to ft h ea n g u l a rs p e e di n d i c a t e s ，i t c a n tb et ot r e a t i n gt h ea s p h a l ta st h es a m et oa d j u s tt h eh i g h t e m p e r a t u r e g r a d ea c c o r d i n gt ot h es p e e d ：。m ds o v l e st h eq u e s t i o nt h a tu n a b l et o d is t i n g u is hg o o df r o mb a df o ra s p h a l t si nt h es a m ep e r f o r m a n c eg r a d e ，b u t i i h a sn o tc a r r ie dr e s e a r c ht os u p e r p a v eh ig h t e m p e r a t u r ein d e xo nr h e o l o g y m o d e la n dm o d eo fl o a d i n g ：g ( 1 - 1 s i n 5 留6 ) a n d 瓯r e m e d yd e f e c tt h a t g + s i n 6u n a b l et or e f l e c td e l a y e de l a s t i c i t yb ye v o l v i n gi nt h e o r ya n d m e c h a n i c sm o d e 】，t h r o u g hv a li d a t i n ga s p h a l tm i x t u r ep e r f o r m a n c eb ys s t ， s e q u e n c ew h i c he a c hi n d e xr e l a t i v i t yt os s tf r o ml a g e rt o 1 i t t lei s g ，a c e u m u l a t i v es t r a i n ，z s v ，g ( 1 一l s i n 5 - t 9 6 ) ，6 0 d e g r e e sc e n t i g r a d eo f v is c i d i t y ，t h ee q u i v a l e n ts o f t e n i n gp o i n t ，s o f t e n i n gp o i n t 乙g 。s i n 6 r e l a t i v i t yc a nr e f l e c tw h i c hi n d e xi sb e t t e rt ot h ee x t e n t 【k e y w o r d s 】t h e r m a lr u t t i n g a s p h a l tb i n d e r e q u i v a l e n ts o f t e n i n gp o i n t s o f t e n i n gp o i n tv i s c i d i t y z e r os h e a rv i s c i d i t y 1 1 i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 当院日期：p j 戽月妒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：中年月呼日 日期：西年中月矿日 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 在我国大部分地区，夏季的最高气温能达到3 5 4 0 以上，沥青路面的最高 温度达到6 0 6 5 以上【1 1 ，再加上高温持续的时间长，致使沥青路面在重交通作 用下迅速变形破坏。沥青作为粘弹性材料，在如此持续高温的条件下，沥青性能 由弹性体向塑性体转化，劲度模量大幅度降低，抗变形能力急剧下降，因此高温 稳定性始终是沥青路面最基本的路用性能，车辙变形仍然是沥青路面最主要的损 坏形式。沥青高温稳定性不足的路面，反映在夏季高温季节出现车辙、推拥等永 久性变形，不仅影响行车舒适性，而且对交通安全造成威胁。据工业发达国家的 资料，在许多国家，高速公路路面的维护、罩面的原因中，车辙的比率高达8 0 以上，可见问题的严重性1 2 i 。 沥青路面的车辙变形、拥包等实际上是一种混合料各种成分位置的变化过程， 这时沥青的粘度较低，粘结集料抵抗变形的能力有限。而沥青混合料的高温稳定 性能，实际上是抵抗车辙反复压缩变形及侧向流动的能力，它首先取决于矿料骨 架，尤其是粗集料的相互嵌挤作用，同时沥青结合料则起到阻碍混合料发生剪切 变形的牵制作用，因而两者都是十分重要的。在通常情况下，矿料级配的贡献率 占到6 0 ，沥青结合料则提供4 0 的抗车辙能力1 3 】。尤其是对许多密实型的密级 配沥青混凝土来说，粗集料是呈悬浮型结构状态，相互嵌挤作用相当有限，沥青 结合料具有较高的高温劲度就起到更为重要的作用。因此，沥青结合料高温性能 及其指标的研究成为了道路工程领域的重要课题。 1 2 国内外对沥青性能的研究状况【t 1 1 2 1 美国s h r p s u p e r p a v e 沥青路用性能规范 美国自2 0 世纪5 0 年代起进行大规模公路建设，至7 0 年代已经基本上建成了 洲际的公路网。但在1 9 7 3 年世界发生石油危机，由于美国的财政不景气，公路管 理维修的预算大幅度缩减，公路研究经费匮乏，并导致7 0 年代后期起公路的严重 破坏。1 9 8 2 年，汽车超载限制从1 9 7 3 年的7 3 2 8 0 1 b s ( 越3 3 2 t ) 提高到8 0 0 0 0 0 1 b s ( 约3 6 3 t ) ，提高了1 0 ，对路面荷载增加了4 0 5 0 ，同时，由于普遍采用 子午线轮胎，轮胎的接地压力增加，路面的负荷更加增大。另一方面，由于石油 危机，使原油的来源复杂化，质量变动大。也就是说，路面荷载增加，再生材料 使用和原油变动复杂，使沥青的质量迅速降低，进入一个被称为“被荒芜的美国 1 公路”的历史时期。 在沥青标准规格方面，当时有两方面的问题普遍受到批评：一个是沥青标准 是使用了十几年的经验性标准尤其在美国同时存在三个标准( 针入度级标准p e n ， 原样沥青6 0 粘度级标准a c 和r t f o t 老化后的粘度级标准a r ) ，各州各行其是， 另外还有各州改性沥青的各种标准，相当混乱；二是沥青标准指标的试验方法中， 没有反映低温性能的指标，不能评价低温开裂的耐久性。各项指标的实验室方法 都是经验性的，不能评价改性沥青，而且没有反映在路面使用过程中经过长期老 化的情况等等。因此，要求制定统一的反映沥青在各个阶段使用性。在这种情况 下，s h r p 诞生了。美国战略性公路研究计划( s h r p ) 是道路部门的一项划时代 的研究项目，它的研究成果将会对国际公路事业作出巨大的贡献。与以往试验不 同的是，s h r p 沥青结合料路用性能规范是基于沥青材料各项路用性能的基础上提 出的评价指标。该规范采用温度分级，高温设计温度采用一年中温度晟高的7 d 周 期的由空气温度转换过来的路表下2 0 m m 深处的平均最高温度。低温设计温度则 是路表温度，且等于空气温度，以年最低温度表示。这些温度分别成为高温稳定 性和低温开裂性指标的试验温度。 s h r p 沥青路用性能规范一反往常试验方法相同不同等级的沥青取不同标准 值的做法，而采用各项指标的要求值是一常数，所不同的只是各个沥青等级适用 的地区采用相应的试验温度不同。此规范最根本的特点是各项指标明确与各项路 用性能指标直接相关1 4j 。 s h r p 沥青路用性能规范从流变学的角度，结合能量原理，提出了针对不同路 面损坏类型的控制参数指标( g s i n 6 、g + s i n 、s 、m 、等) ，并考虑了温度 与荷载作用频率( 模拟道路上不同行车速度) 对选择沥青的影响。 由于路面车辙主要在路面铺筑初期形成，沥青的高温稳定性指标用平均路面 设计温度时的原样沥青薄膜加热后残留沥青的g s i n 6 作为指标。要求原样沥青不 低于1 0 k p a ，r t f o t 后残留沥青不低于2 2 k p a ，试验时的角速度为1 0 r a d s ( 相 当于频率1 5 9 2 h z ) 。g + 是动态剪切复数劲度模量，是动态剪切复数柔量的倒数。 g + 越大表示沥青的劲度越大，抗流动变形能力越强。 与高温抗车辙能力相反，路面温缩开裂通常是由于沥青使用过程中不断老化， 劲度模量不断增加，沥青的低温柔性逐渐转化为脆性所造成。故反映低温开裂性 的指标是经过r t f o t 并经过压力老化试验( p a v ) 的沥青，测定低温弯曲蠕变劲 度模量s 作为主要指标，它要求6 0 s 时的s 不大于3 0 0 m p a 。试验温度取为最低路 面设计温度以上1 0 ，是由于温度太低了试验困难，按流变学原理的时间温度换 算法则，在试验温度下测定的6 0 s 的劲度模量，相当于比试验温度低1 0 的设计 温度1 h 的劲度模量。同时还要求6 0 s 时的蠕变劲度模量与荷载相互作用的双对数 曲线的斜率m 值不小于0 3 0 。当s 大于3 0 0 m p a ，小于6 0 0 m p a 时，则可用沥青在 2 低温设计温度时的直接拉伸破坏应变( 拉伸速率1 o m m m i n ) 代替蠕变劲度，要 求不小于1 0 。 表1 1s u p e r p a v e 的沥青结合料评价指标 损坏类型老化阶段试验温度试验方法控制指标 原样沥青 m a x p v t g * s i n 8 ：1 k p 永久变形d s r r t f o t 残留物m i n p v tg + s i n 5 = 2 2 k p a b b rs = 3 0 0 m p a ，m = 0 3 低温开裂r t f o t + p a v 残留物m i n p v t + 1 0 d t t ：1 。 疲劳开裂r t f o t + p a v 残留物经验温度d s rg * s i n 8 = 5 0 0 0 k p a 注：m a x p v t 为最高路面设计温度，m 1 n p v t 为最低路面设计温度，经验温度大 致为( m a x p v t + m i n p v t ) 2 + 4 ，大体上相当于春融时期的温度条件，处于年最不利 季节的路面温度状态； g 和6 分别为沥青的动态剪切模量和相位角； 对应于b b r 的s ，m 分别为6 0 s 时的劲度和双对数坐标上劲度与时间曲线的斜率； 对应于d t t 的是试样破坏时的应变。 a a s h t om p l 自1 9 9 4 年首次发表后经过几次改动，2 0 0 1 年公布的最新临 时规范a a s h t om p l a 中做出重大调整，推出了“确定沥青结合料低温性能等 级的标准方法( a a s h t op p 4 2 0 1 ) ”。该方法对两个不同温度下的弯曲梁流变 ( b b r ) 试验数据进行回归，计算沥青结合料低温收缩应力0t h 。，并通过直接 拉伸试验( d t t ) 获得不同温度下结合料的拉伸强度0 。，比较0t h 。，和o 。 确定沥青结合料临界开裂温度t c ，( 如图1 1 ) ，对照标准确定沥青的低温性能 等级。临界开裂温度t c ，通过专门开发的温度应力分析程序( t h e r m a ls t r e s s a n a l y s i sr o u t i n e ，t s a r 。o ”) 确定。 修订后的规范除对沥青的低温性能评价方法有所改变外，其它指标没有变 化。d n 在a a s h t om p l a 中的重要性更加突出一一修订前的规范要求当b b r 试验的6 0 秒蠕变劲度模量在3 0 0 m p a 6 0 0 m p a 之间时通过d t t 来验证沥青的 低温性能能否达标，而在新规范中d t t 成为了确定沥青结合料临界开裂温度 的标准试验方法。 美国s h r p 的沥青路用性能标准及混合料高低温评价方法的一些指标虽然有 很大的价值，但也存在一定的缺陷1 5 】： ( 1 ) s h r p 沥青路用性能标准在改性沥青上的适用性有待于进一步研究【6 】。 3 ( 2 ) d s r 试验采用对应于某一固定行车速度( 8 0 k m h ) 的固定剪切率 ( 1 0 r a d s ) ，不能较好地反映不同道路类型行驶车辆( 轴重和行车速率) 对沥青性 能的影响。 ( 3 ) d s r 试验所测试的沥青试样过小，特别对类似于改性沥青和胶浆这样的 分散系，变异性太大。 ( 4 ) d t 试验与b b r 试验要求操作精度高，d t 试验结果平行性差。 ( 5 ) s h r p 计划中的路用性能指标与实际的路用性能的关系有待进步验证。 一1 + 确”m a 婚t r 。s 州r o m 略s ，l7 + f a i l u r e s t r e s s f r o md t t ) i ， c r o s s o v e rp o i n t 7 了警_ 7l 一一 - a b s o l u l e - p g gr a d e 1 6- 2 2 2 8 3 4- 4 04 8 t e m p e r a t ur e d o gc ) 1 8 1 6 1 i 1 2 1 0i 一 8 耄 6 4 2 o 图1 1a a s h t om p l a 沥青开裂临界温度确定方法示意 1 2 2 欧洲共同体c e n 沥青标准 欧洲共同体的欧洲标准化组织c e n ( c o m i t ee u r o p e a nd en o r m a l i s a t i o n ) 一直 在为制定e u 沥青标准在努力，c e n 从1 9 9 0 年起，几乎与s h r p 在同一个时期进 行了沥青标准的研究，修订和统一工作。主要工作包括：将各国根据经验确定的 沥青标准统一规范化，研究沥青中的油分( 含蜡量指标) 和沥青低温性能指标进 行沥青路用性能规范的技术和组织准备工作。 c e n 对每一种性能作各种指标的试验，建立相互的联系，提出认为能够充分 反映沥青路面性能评价指标，如图1 2 。其试验思路与我国八五攻关的研究方法是 一样的。 分析c e n 标准可见，欧洲仍然重视通常采用的针入度、软化点、脆点、粘度、 闪点、溶解度、老化试验前后的质量变化等，而且把蜡含量作为一个重要指标列 入了规范中，这一点是值得借鉴的。但它仍然采用软化点用来评价沥青的高温性 能，脆点或针入度( 5 c ) 来作为低温抗裂指标，没有脱离依靠经验的沥青评价体 系。 4 沥青结合料性能指标 沥青混合料性能评价沥青路面破损模式 指标 高温性能；高温性能；横向平整度( 车辙、 低温性能；低温性能；永久变形) ； 疲劳性能；疲劳性能低温开裂： + 流变特性；流变特性；温度疲劳裂缝： 老化性能老化性能；反射性裂缝； 与集料杜粘附性； 水稳定性；荷载疲劳裂缝： 施工性能；施工性能；老化，表面开裂； 混台料再生；表面破损( 松散、坑 槽、剥离、抗水损害) ； 泛油； 排水： 图1 2 沥青结合料、沥青混合料、沥青路面性能的关系 1 2 3 加拿大新沥青标准 加拿大于1 9 9 0 年提出了一个新的沥青标准，它直接以感温性作为评价沥青质 量的核心标准。在加拿大的标准中，通过2 5 针入度和6 0 c 粘度或1 3 5 粘度这两 个不同温度的指标有效地描述了沥青的感温性要求，如图1 3 ，并一次将沥青质量 分成a 、b 、c 三级。此沥青标准是国际上首次将沥青按温度敏感性分为a 、b 、c 三级的国家，其宗旨是按沥青中的含蜡量分级，但标准并不列入含蜡量指标。 暑 、 i - k 墓 、 i 、暑 、 l 、 、 1 l 、 、 、i一 忒 、 _ 、 士譬 l ，i l 、 j：_i l、 善 ， i 、 、 、 、 、 、 图1 36 0 粘度感温图 图1 41 3 5 粘度感温图 5 事墨pr 在评价沥青高低温性能中，它是由6 0 及1 3 5 c 粘度决定的感温图反映沥青 的高温稳定性和低温抗裂性。 1 2 4 八五国家科技攻关专题的建议 7 j 我国的八五攻关专题吸收国内外先进技术，尤其是美国战略公路研究计划 ( s h r p ) 的最新成果，并考虑我国现状，在对国内七种代表性的沥青的实用性能 进行深入研究的基础上，首次提出了道路沥青路用性能气候分区，又选出反映沥 青及沥青混合料各种路用性能的关键性技术指标，研制了配套的仪器设备及试验 方法。 通过对七种国产代表性沥青用各种试验方法进行比较，提出了以原样沥青为 主，以温度敏感性作为沥青性质之本，反映不同气候条件下不同要求的沥青路用 性能的技术指标体系。对p i 、p v n 、v t s 、c i 等感温性指标分析比较后，选择针 入度指数p i 作为温度敏感性指标，由2 5 c 、1 5 c 、3 0 ( 或5 c ) 等三个以上温 度t 的针入度值p ( 当为仲裁试验个有五个温度) ，按l o g p a t + | | 式回归，求得 系数a 、k ，为提高精度，要求相关系数r 不低于0 9 9 7 。 针入度指数肼_ 2 0 - 5 _ 0 0 a ( 1 - 1 ) l + 5 0 a 由于沥青中蜡的影响，实测软化点经常出现假象，而粘度指标又缺乏测定条 件，建议以当量软化点t 8 0 0 代替实测软化点作为沥青结合料的高温指标： 当量软化点t 8 0 0 ：1 9 8 0 _ 0 - 一k = ( 2 9 _ 0 3 1 - k ) ( 1 2 ) 以 当量脆点t 1 ：一1 9 1 2 - k ( 0 0 7 9 2 - k ) ( 1 - 3 ) 。一 aa 低温指标对延度、测力延度试验、缩裂试验和弯曲蠕变试验比较后，选择当 量软化点t 1 2 及i o * c 延度作为指标。弗拉斯脆点手工测定准确性差，不如当量脆 点好。对普遍受到重视的延度试验，质量好的沥青1 5 1 2 延度一般都可在1 0 0 c m 以 上，不能有效区分沥青质量，但低于1 5 后延度急剧下降，建议将试验温度降低 到1 0 ，以更好地反映低温性能，而5 延度适宜于评价改性沥青效果。 现将以上各国关于沥青高温性能评价指标汇总，如表1 2 。 表1 2 各国沥青高温性能评价指标汇总 沥青路用性能美国s h r p加拿大欧洲c e n“八五”攻关 高温稳定性 r t f o t 前由6 0 及1 3 s 粘度由三个以上温度的针入度 软化点 指标 后g + s i n 6 决定的感温图反映决定的当量软化点t 8 0 0 三、研究内容及及技术路线 本文研究的目的在于，从沥青结合料高温性能的角度出发，研究常规指标以 及s h r p 指标的规律和有效性，并对s u p e r p a v e 规范的优化指标及欧洲的零剪切粘 度等指标进行评析。 试验选取了具有代表性的3 种常规沥青和9 种改性沥青，以大量的常规试验 ( 针入度、软化点) 和s h r p 试验( 旋转粘度计、d s r ) 数据为基础，以回归分析 和对比分析为主要手段，对各个指标以及指标间的关系进行分析。具体实施方案 图1 5 技术路线及试验设计 7 第二章国内外常见的沥青高温评价标准评析 目前国内外评价沥青高温性能的指标主要有软化点、当量软化点和6 0 。c 粘度， 这些指标都是经验性指标，本章通过对沥青的大量常规试验，对其进行评析。 2 1 沥青的选取 目前工程上经常用到的改性剂主要有橡胶类、热塑性橡胶类、热塑性树脂类 和其它改性剂如化学改性，一般认为橡胶类( s b r ) 对沥青的低温性能改善明显， 而对高温性能影响较小，热塑性橡胶类( 星型s b s 或线性s b s ) 对沥青的高低温 性能均有改善，热塑性树脂类聚乙烯( p e ) 和乙烯醋酸乙烯共聚物( e v a ) 可以 改善沥青的高温性能，对低温性能的改善不明显。因此为了提高沥青路面的高温 稳定性，经常使用热塑性橡胶类、热塑性树脂类和化学改性剂对沥青进行改性， 本文为了研究结论的对沥青的通用性，选用了三种常见的基质沥青和9 种改性沥 青，其中改性沥青包括经常见到的线性s b s 和星型s b s 改性、p e 改性和化学改 性。 2 2 软化点和当量软化点 软化点是道路沥青的最基本的一种性质指标，是我国道路沥青最常用的三大 指标之一，为一般技术人员所掌握，数值表达也很直观，直接与表示路面发软变 形的程度向关联。因此，软化点是大多数国家用来说明沥青高温性能的指标之一。 沥青是多种碳水化合物的混合物，是无定形物质，所以它没有明确的融点， 随着测试温度的升高，沥青逐渐软化，软化点只是在一特定试验条件下表示沥青 软硬程度一个条件温度。软化点的测试方法有很多种，本文采用的是世界上用得 最广泛的环球软化点。使用的钢球质量为3 5 9 ，升温速率为5 c 【舢。 表2 1 软化点试验结果 沥青种类软化点( )沥青种类软化点( ) 加德士重交沥青 4 8 5 加德士+ 3 m a c 9 0 加德士+ 4 岳阳s b s5 1 9中海重交沥青4 8 1 加德士+ 5 岳阳s b s5 2 1镇海重交沥青4 7 0 加德士+ 6 岳阳s b s 5 4 4 重庆美仑改性沥青 5 2 5 加德士+ 5 韩国s b s 5 0 5 泰普克改性沥青 4 8 9 加德士+ 4 p e5 4 5路安特改性沥青5 3 8 在软化点测定过程中，由于沥青中蜡溶解热的影响，致使沥青试样升温速度 8 滞后于水温的增高，这导致沥青达到软化点时，沥青试样内部的温度与温度计显 示的水温不一致。另外，当蜡含量太高时，试样不是由于钢球通过软化了的沥青 中间而下垂，而是试样与球同是沿环壁下滑，这就更测不到正确的结果。在我国， 多蜡沥青的问题比其它国家更突出的情况下，我国经过“七五”、“八五”两个国 家科技攻关专题的研究，提出了采用修正软化点代替实测的环球法软化点，并将 修正软化点称为当量软化点。 所谓当量软化点是真正遵从理论上沥青软化点实际上是等粘温度这个原则提 出的。在钢球的恒定荷载下，在沥青试样上产生的剪应力使钢球能穿透沥青试样 下坠，说明沥青的粘度到了所能承受的极限。即许多学者的研究所证明的那样， 软化点温度大体相当于沥青的针入度为8 0 0 或粘度为13 0 0 p a s ( 也有人认为是1 2 0 0 p a s ) 的温度。反过来，我们将针入度为8 0 0 ( o 1 m m ) 的温度定义为当量软化 点t 8 0 0 。 当采用软化点温度时的针入度为8 0 0 这一假设后，由针入度系数a 的关系式 a = 堡攀半可得：；_ 1 9 8 0 0 - l g p z s + 2 5 ，为计算更为准确，利用针入度与温 8 0 0 一二。 以 度在单对数纸上具有良好的直线关系，由3 个或3 个以上温度( 一般取1 5 、2 5 、3 0 。c 或5 ) 的针入度按照l g p 一4 r + 世经回归求出，回归系数a 及k 已知后， 直接可以由下式求取t 8 0 0 ： 瓦：1 9 8 0 0 - - 一k ：2 9 0 3 - 1 - k 。作为一个指标，基础是1 5 c 、2 5 。c 、3 0 c - - 个以上温度的针入度，三个针入度测试的准确性，关系到的正确性，为了保证 三个温度针入度测试的正确性，提出了针入度与温度在单对数纸上直线回归的相 关系数不小于0 9 9 5 或0 9 9 7 的要求。 因此五。实际上发挥了软化点的功能，具有软化点表示沥青高温性能的全部优 点，又克服了多蜡沥青的影响，因为在测定3 0 及3 0 以下温度的针入度时，绝 大部分的蜡尚处于结晶状态，不会影响试验结果。 当量软化点是为了排除蜡的影响提出的评价沥青结合料高温性能的重要指 标，但是必须注意：第一，当量软化点取决于沥青的针入度值，它的本质仍然是 针入度指数。对相当针入度的沥青来说，当量软化点的高低能够充分反映其高温 抗车辙性能，但是如果两种沥青的针入度不同，仅仅比较当量软化点就得出结论 说哪种沥青的高温性能好，是不合适的。 各种沥青5 、1 0 、1 0 、1 5 、2 5 和3 0 五个温度下的针入度及1 5 、 2 5 、3 0 和1 5 、2 5 和3 0 两组不同温度下的针入度组合回归计算的p 1 值 和当量软化点瓦。见表2 2 、表2 3 和表2 4 。 9 表2 2 各种沥青不同温度下的针入度 沥青种类5 1 0 1 5 2 5 3 0 加德士重交沥青 5 1 3 2 26 71 1 0 加德士+ 4 岳阳s b s 481 4 4 3 7 7 加德士+ 5 岳阳s b s 71 11 75 08 9 加德士+ 6 岳阳s b s 1 01 32 15 28 8 加德士+ 5 韩国s b s1 01 42 37 41 3 1 加德士+ 3 m a c 491 6 4 36 8 加德士+ 4 p e 7 1 4 2 1 5 68 5 泰普克改性沥青 1 01 32 l6 11 0 5 路安特改性沥青 81 02 06 71 2 5 重庆美仑改性沥青 71 42 3 5 68 1 中海重交沥青 51 22 16 29 3 镇海重交沥青 51 22 26 91 2 9 表2 3 各种沥青根据1 5 ( 2 、2 5 c 乘13 0 ( 2 针入度回归计算的当量软化点 沥青种类ka r 2p l t s o o 加德士重交沥青 0 6 4 3 50 0 4 6 90 9 9 9 2一1 0 3 1 3 94 8 1 加德士+ 4 岳阳s b s0 4 0 5 8 0 0 4 9 3 0 9 9 9 9 1 3 4 1 9 95 0 6 5 5 2 加德士+ 5 岳阳s b s 0 5 1 1 50 0 4 7 80 9 9 9 71 1 5 0 4 45 0 0 3 3 5 加德士+ 6 岳阳s b s 0 ，70 0 4 1 20 9 9 8 6一o ，1 9 6 0 85 3 ，4 7 3 3 加德士+ 5 韩国s b s 0 6 0 6 2o 0 5 0 4l一1 4 7 7 2 74 5 5 7 3 4 加德士+ 4 p e o 7 1 5 0 0 4 0 8 0 9 9 8 5一o 1 3 1 5 85 3 6 3 加德士+ 3 m a c 0 5 7 5 7o 0 4 2o 9 9 9 70 3 2 2 5 85 5 4 1 4 3 中海重交沥青0 6 7 60 0 4 3 60 9 9 5 50 5 6 6 0 45 1 0 8 0 3 镇海重交沥青 0 5 7 4 30 0 5 10 9 9 9 51 5 4 9 34 5 1 重庆美仑改性沥青 0 8 1 50 0 3 6 80 9 9 80 5 6 3 3 85 6 7 泰普克改性沥青 0 6 2 3 20 0 4 6 6lo 9 9 0 9 94 8 9 2 4 9 路安特改性沥青 0 5 0 5 l0 0 5 30 9 9 9 9- 1 7 8 0 8 24 5 2 4 5 3 l o 表2 4 各种沥青根据1 0 ( 2 、1 5 和2 s c 针a 度回归计算的当量软化点瓦。 沥青种类k ar 2p i t 8 0 0 加德士重交沥青 0 6 3 4 10 0 4 7 60 9 9 9 8一1 1 2 4 24 7 6 7 加德士+ 4 岳阳s b s o 4 5 90 0 4 8 7l一1 2 6 6 3 5 1 0 7 加德士+ 5 岳阳s b s 0 5 8 5 80 0 4 4 30 9 9 7 5- 0 6 6 8 75 2 3 1 加德士+ 6 岳阳s b so 7 1 6 90 0 40 9 9 9 8o5 4 6 5 加德士+ 5 韩国s b s 0 6 4 9 50 0 4 8 60 9 9 8 51 2 5 3 6 44 6 3 7 加德士+ 4 p e o 5 1 4 80 0 4 4 90 9 9 8 5- 0 7 5 5 0 15 3 1 9 加德士+ 3 m a c0 7 3 0 7o 0 4 0 50 9 9 8- 0 6 8 2 6 45 3 6 3 中海重交沥青 0 6 5 7 50 0 4 50 9 9 8- 0 7 6 9 2 34 9 9 镇海重交沥青 0 5 6 5 80 0 5 0 20 9 9 8 41 4 5 2 94 6 5 6 重庆美仑改性沥青 0 7 5 3 30 0 3 9 90 9 9 9 2o 0 1 6 6 9 45 3 8 8 泰普克改性沥青 0 5 7 8 50 0 5 0 50 9 9 9 81 4 8 9 44 6 0 3 路安特改性沥青 0 6 2 6 20 0 4 8 50 9 9 9 81 2 4 0 8 84 7 0 1 对比表2 3 和表2 4 计算的当量软化点可知，尽管两表中三个温度下回归相关 系数都大于了0 9 9 7 ，但计算得到的当量软化点却相差较大，相关系数仅为0 8 0 5 8 。 根据t 8 0 0 的定义，它依赖于回归系数a 和k 。如果在较宽的温度范围内l g p t 之间确实存在直线相关关系，那么式l g p a t + k 的外延应用是合理的。可是由图 2 - 2 图2 5 可知，无论是基质沥青还是改性沥青，l g p - - t 之间更符合二次曲线， 并且，5 时针入度值明显偏离回归直线l g p 一爿r + k ，于是就提出了这样一个问 题，在较宽的温度区间，l g p t 之间是否依然呈直线相关? 因为按照数值分析的 观点，回归方程仅在试验范围内有效，外延应用则缺乏事实根据。为此，研究表 明，无论在较宽还是在较窄的温度范围内，l g p t 之间呈直线相关，更符合曲线 相关，更符合关系式l g p = a t 2 + b t + c 。 1 1 2 5 2 龟1 5 一 l 0 5 0 图2 1 02 03 g4 0 德士重交沥青l g p - t 直线娶鬈氏度 2 f 1 0 二次曲线拟台 对同一沥青样品，取不同温度范围内的针入度值，按i g p = a t + k 确定的回归 系数a 和k 值有较大差异，从而使导出值t 8 0 0 成为非唯一性技术指标。即使规定 了针入度试验温度范围，不同的沥青在较宽温度范围内的性质变化规律不同，所 以难以用较窄温度范围内的性质的外延去描述其全貌。如扩大试验温度范围，并 使针入度值接近8 0 0 ，则按式：_ 1 9 8 0 0 - k ；三掣确定的t 8 0 0 还是可靠的。 总之，正是由于l g - - t 之间在较宽的温度范围内呈曲线而非线性相关，所以导致 按式l g p = a t + k 确定的t 8 0 0 值不能反映其在整个路面使用范田内的感温性。 2 3粘度 粘度是对流体流变特性的一种度量，反映流体发生流动时其内部分子间摩擦阻 力的大小。目前测量沥青粘度的方法有很多，本 文采用的美国b r o o k f i c l dd v - i i 型