PG分级对改性沥青适用性研究标准.doc

长沙理工大学开题报告学位论文选题名称：PG分级对于改性沥青有效性的探讨学科专业、研究方向： 道路与铁道工程 研究生姓名： 刘亮指导教师姓名： 邵腊庚副教授 攻读学位级别：硕 士论文起止年限：2004年6月至2005年5月PG分级对于改性沥青有效性的探讨一、问题的提出沥青路面有足够的力学强度和一定的弹性和塑性变形能力，能很好地承受荷载而不破坏，而且沥青与汽车轮胎的粘着力好，保证了行车安全；有高度的减震性，使汽车快速行使时平稳而低噪声；不扬尘，易清扫和冲洗；维修工作简单，可再生利用。鉴于以上优点，在高等级道路中，沥青路面占有很大的比重。但是沥青路面也有其致命的弱点，在高温地区的夏天，车流量较大时，会出现车辙、波浪、推移、粘轮等现象；而在寒冷的低温气候下，路面又会开裂，降低了路面的耐久性和使用寿命。另外，沥青路面还有容易老化的弊病。众所周知，沥青混合料是由沥青胶浆及骨料两部分组成。其中，沥青胶浆由沥青、矿粉（还可能包括纤维等添加剂）组成。胶浆在沥青混合料中占比例不大，但对路面性能却起着十分重要的作用。沥青路面病害常常是由于沥青结合料的性质较差引起的，如车辙是由于结合料在使用温度下的劲度小的缘故；而低温开裂则是由于在低温下结合料劲度增大，变形能力变差，路面内产生的温度应力超过抗拉强度而产生的。由于沥青对路用性能起着如此重要的作用，所以对沥青的分级及选用显得至关重要。产品标准是产品在供需矛盾一定条件下的统一，它反映了国家本行业生产技术的发展水平。一种产品，既要满足用户对产品的使用要求，又要在生产上可行，经济上合理。沥青现存的分类的种类及优缺点1、按针入度分级优点：(1) 25的温度基本反映了沥青路面常用的温度，因此用25的针入度间接反映了沥青的粘度，可以反映沥青在使用温度下的性能。(2) 沥青针入度测试的方法简单，仪器造价低，操作方便，方法比较完整。(3) 通过测定不同温度下的针入度，可以确定沥青的感温性。缺点：(1) 针入度试验是经验性试验，不能像粘度那样能够直接体现沥青本身的稠度；(2) 试验过程中剪切速度很高，对非牛顿流体，沥青的粘度与剪切速率有关，沥青的针入度不同，在测定过程中剪切速率也不同。(3) 在25具有同样性能的沥青，在高温或低温下可能存在很大的差别，没有反映沥青在使用温度区间内的性能。通过这些规格指标，不能得到与石料拌和时的温度和路面压实温度。2、按粘度分级优点：由于针入度分级存在许多缺点，60年代又出现了以60粘度分级的体系。以粘度分级代替针入度分级的原因有两个，一是以理性的、科学的粘度试验代替经验性的针入度试验；二是60更接近于炎热夏季路面的最高温度，不同的粘度分级适用于不同的气候条件和施工需要。(1) 粘度是物质固有的性质，而不是经验数值；(2) 60接近于沥青路面的最高使用温度，能够更好的反映沥青的高温性能；(3) 用不同温度下的粘度可以表征沥青的感温性。(4) 试验方法精确度较高，规格指标重叠少。缺点：粘度分级存在以下缺点：(1) 按60粘度分级，忽视了低温和常温下沥青的性能；(2) 试验仪器较复杂，试验时间较长，试验条件控制严格，不易在现场使用；(3) 在同一个粘度级别中，薄膜烘箱后的粘度可能相差很大，这一分级体系没有考虑沥青拌和和施工过程中沥青的热老化。因为在路面使用中的沥青是新鲜沥青经拌和老化后的沥青，用新鲜沥青分级不考虑沥青的老化显然是不可取的，因此，又出现了以薄膜烘箱后沥青的粘度分级的标准体系(AR级)。AR分级的先进性在于它能够代表沥青热拌和后的性质，反映了实际铺到路面上的沥青的质量，它的缺点是需要使用较多的设备，试验时间较长，另外这一标准体系对新鲜沥青没有技术要求，无法检验沥青的老化程度，用薄膜烘箱后的沥青粘度分级，产品标准同样没有考虑沥青在常温和低温下的使用性能。60年代后期，Heukelom把针入度、软化点、脆点和粘度作为温度的函数描绘在同一张坐标图上，这就是人们目前所熟悉的沥青试验数据图，即BTDC图，此图以温度为横坐标，以针入度和粘度为纵坐标。BTDC图可以反映不同类型沥青的粘度-温度特性，因此又出现了由BTDC图分级的分级体系。BTDC可以区别3种不同类别的沥青，S级沥青，沥青的试验数据描绘在BTDC图上成一条直线，它代表了蜡含量较低的一类沥青。由同一种原油生产的具有不同针入度级别的沥青在BTDC上表现为一组直线，直线越靠近左下方说明沥青的针入度越大。它们的斜率相同，说明它们有相同的感温性。B级沥青，即氧化沥青，在BTDC图上出现两条相交的直线，在高温范围内与同一来源的非氧化沥青斜率基本相同，在低温区斜率较小。W级沥青，一般是含蜡较高的沥青，在高温区和低温区出现两条斜率基本相同但不能相交的直线。BTDC图比较综合的反映了沥青的高、低温性能，但由于所使用的试验方法对反映沥青本身性能上的局限性，不能反映沥青在路面使用过程中在荷载作用下的力学特性，特别是改性沥青的出现对沥青的评价方法提出了新的挑战。综上所述，沥青的产品标准和评价方法随着人们对沥青本身特性和使用环境认识的深入在不断的完善，目前，各国都根据自己的具体情况和工作的延续性制定产品标准和评价方法标准，有的国家采用针入度分级，有的采用粘度分级，有的同时采用两个分级体系，中国的石油沥青产品标准大部分是按针入度分级的，也有按软化点或针入度指数分级的，方法标准大部分等效或非等效采用AMTM的相应标准，也有部分采用了日本或IP的标准。现行沥青标准最大的弊病在于：沥青指标与路用性能联系不紧密。一个指标可以反映多个路用性能，而沥青使用过程中的主要路用性能要求又缺乏相应的指标来描述。因此，美国战略公路研究计划经5年的研究工作，开发了以性能分级的标准体系(PG分级)。这一标准体系只保留了传统的安全指标闪点指标和施工指标135粘度，其他全部采用了流变性能指标，更确切地反映了沥青的粘弹特性和沥青在使用环境下的受力情况。目前该标准已引起各国沥青领域的重视，试验方法和产品技术规范正在推广完善中。美国战略公路研究计划（SHRP）制定于1987年，旨在提高沥青路面的服务质量和耐久性，该计划总投资1.5亿美元，为期5年，其中5千万美元用于开发以路用性能为基础的沥青及沥青混合料规范。经过近5年的研究，提出了SHRP的研究成果Superpave，Superpave主要包括沥青规范及沥青混合料设计体系等。基于路用性能的Superpave沥青规范现在已在美国、加拿大等地得到不同程度的应用，在其他地区也备受关注，我国一些单位也购置了相关的设备并在工程实践中进行了一些尝试。同传统以针入度、粘度为指标的经验性规范性相比，Superpave沥青规范特别强调了沥青的路用性能，即在规范中全面考虑了高温、低温、疲劳和老化，并在混合料设计中考虑了水损害，沥青等级是根据预定的统一路用性能指标（高温车辙、低温开裂、常温疲劳）来确定其最高和最低路面温度的适用范围，即路用性能等级SHRP-PG。其中某一地区的最高路面温度HT由过去30年中连续7天的最高平均气温来推算，而最低路面温度LT是由过去30年中最低的气温来推算，中等路面温度IT则为HT与LT的平均值以上4，或与低温指标试验温度的平均值以下1。此外，在选择沥青等级时还将交通量及行驶速度等交通因素进行了综合考虑。因此，对于一特定工程项目中沥青的选用要根据温度及交通条件“量体裁衣”。对于沥青产品而言，每种产品都有一个确定的温度及荷载使用范围，没用不合规范的产品，仅有不恰当的选择。Superpave沥青性能规范最突出的优点是所有的指标概念清晰，对路用性能进行了较为全面的考虑，便于用户选择同温度及荷载条件相适应的沥青路用性能等级PG。由于Superpave沥青规范是基于对基质沥青研究基础上提出的规范，由于近年来随着经济的不断发展，道路所承受的交通量、交通荷载及轮胎压力不断增加，导致了沥青路面的车辙、开裂、剥落、抗滑能力不足等日益严重，为了改善路面的路用性能，在基质沥青中加入各种改性剂提高沥青的性能，诸如温度敏感性、粘附性、弹性、抗老化性、抗疲劳性能等，从而改善沥青路面的使用性能。一般认为沥青是一种胶体体系，高分子量的沥青质胶团弥散或溶解于低分子量的油类介质内。加入改性剂，由于它的高分子量、结构、链的作用，改变了沥青的成分及结构，使沥青的流变性能发生了变化。Superpave是基于路用性能的结合料规范，其评价结合料路用性能指标的有效性引起了人们的高度关注，研究表明，这些指标用于评价简单流变体的非改性沥青非常有效，但对于复杂流变体的改性沥青却值得讨论。由于近年来高速公路飞速发展，改性沥青在工程中运用相当普遍，现行沥青分级规范不能有效的反映沥青的路用性能，而美国开发的Superpave沥青规范虽然很好的建立了与路用性能的关系，但它是基于基质沥青研究的基础上建立的，对流变学性质已发生变化的改性沥青的适用性缺乏足够的论证，本论文对改性沥青的流变学性质进行研究，分析Superpave规范对改性沥青的有效性。二、国内外研究状况2.1改性沥青对高温、低温、疲劳和老化性能的的评价2.1.1改性沥青的高温稳定性评价改性沥青是一种粘弹性材料，其变形表现为弹性、延迟弹性和粘性变形，前二者在外力卸去后会马上或逐渐完全恢复，而后者因不能恢复而成为永久变形。改性剂的添加会提高沥青的弹性和延迟弹性变形，降低粘性变形，不同的改性剂对其变形的影响有明显的差异。Superpave用DSR实验来测定结合料的复合剪切模量及相位角，用来反应结合料的粘弹性组成，表明结合料为完全弹性的，而表明结合料为完全粘性，指标被用来评价结合料的抗车辙能力。深入分析发现，DSR的加载方式同路面产生车辙时沥青的受力方式差异很大，试验过程中的应变很小，不能模拟路面中沥青在大应变下的变形特性。美国研究人员对改性沥青的与抗车辙性能的相关性进行了试验研究，相关系数非常低，可见并不能完全反映改性沥青的抗车辙能力。的根本问题在于这一指标未能区分沥青结合料的延迟弹性变形和粘性变形。而将延迟弹性变形部分地纳入了粘性变形，致使延迟弹性大的结合料（如SBS改性沥青）的高温PG等级被低估。高性能路面规范中反应沥青的高温性能，评价沥青路面抗车辙能力的指标已受到怀疑，指标的失效性已被Stuart和Mogawer1977年在Turner-Fairbank道路研究中心的加速加载设备上试验得到的野外数据所论证，同时也被Bahia et al.1999年在美国国家联合公路研究计划项目中的室内试验数据所论证。基于不能充分反映改性沥青的高温性能，研究者试图对此指标进行优化或寻找新的指标，现在已提出多种指标，但每一种都有其局限性，其中有较大价值的当数基于流变学基本概念通过理论推导对优化提出的，它对相位角较原指标更为敏感，并且更精确的反映了沥青未恢复的粘形应变。壳牌的研究发现，“零剪切速率”粘度能有效的排除各种沥青混合料延迟弹性的影响。同抗车辙能力有着非常好的一致性，可作为结合料抗车辙能力评价指标。2.1.2Superpave结合料低温性能评价指标Superpave用小梁弯曲流变仪BBR和直接拉伸仪DTT来评价沥青的低温性能。BBR用来测定小梁试件的劲度S及m值，m是反映应力松弛的低温抗收缩开裂的指标。DTT则用来测定试件在一定应变速率下直至破坏的应变。SHRP项目的主要研究成果“按性能分级的沥青胶结料标准规范（AASHTO MP1）”于1994年首次发表后，经过几次小的改动，在2001年公布的最新临时规范中做出重大调整，主要是首次推出了“确定沥青胶结料低温等级的标准实验方法”（AASHTO PP42-01）。该方法规定，通过对压力老化实验（PAV）后沥青试样在不同温度条件下弯曲流变实验和直接拉伸实验数据进行回归计算，得到沥青胶结料在低温条件下的临界开裂温度，再对照标准确定沥青的低温性能等级。不再要求PAV试样在相关温度下BBR实验应力小于300MPa，m值大于0.300及DT实验破坏应变大于1.0。修订后的规范，使直接拉伸实验在规范中的重要作用更加突出修订前的规范要求当BBR实验的蠕变劲度在300Mpa至600 Mpa之间时，通过进行之间拉伸实验验证沥青的低温性能是否达标，而现在直接拉伸实验成为确定沥青胶结料临界开裂温度的标准方法。Superpave在评价沥青的低温等级时，假定所有的结合料都以同样的模式进行应力松弛（m值），而实际上弹性体类（如SBS）改性沥青的应力松弛模式同塑性体类及非改性沥青有明显的差异，由此往往会导致Superpave PG低估弹性体类（如SBS）改性沥青的低温抗裂能力。大量的SHRP PG实验发现，在基质沥青中添加不同用量的SBS，其PG低温等级始终保持在基质沥青的PG等级上，亦即从低温等级角度讲，SBS并不改善沥青的低温抗裂等级，这一点引起人们的重视。壳牌的研究认为BBR不能反映SBS改性剂对低温的影响，DTT有所改善而控制应变的低温收缩实验（TSRST，以10/h的速率降温，直至两端固定的试件断裂）则更好地反映改性沥青的低温抗裂性能。2.1.3Superpave结合料疲劳抗裂评价指标Superpave用动态剪切流变仪DSR所测定的来评价结合料的疲劳性能，但该实验反映的是材料线性粘弹性，而疲劳是一种非线性破坏。美国对评价疲劳抗裂的有效性进行了大量的实验，研究结果为其相关性很差。此外，经验还证明，在确定沥青结合料的PG等级时，疲劳指标往往不起控制作用即“名存实亡”。美国专家组准备用新的指标代替。有关研究显示，能量消耗比是一个很有前景的指标。2.1.4Superpave对结合料老化的评价老化会导致沥青的疲劳开裂和低温开裂。Superpave对沥青材料的长期老化和短期老化都进行了实验模拟，并对其残留物进行相关的路用性能评估，这是一大突破。短期老化采用旋转薄膜烘箱实验RTFOR来模拟沥青在贮存、运输及混合料拌和时产生的老化。但对于改性沥青而言，进行RTFOR实验时会在试样表面形成结皮，影响了老化的彻底性，有关方面正在研究改进措施。长期老化采用压力老化实验PAV（压力2 070kPa，20h，90/100/110）来模拟沥青在路面中56年的老化，但这种老化模式仅考虑了氧化引起的老化，而没用反映挥发及渗析等造成的老化。此外，PAV的残留物在制作BBR及DTT试件时易形成气泡，会严重影响实验的精度，有关方面也正在研究相应的改进措施。2.2Superpave沥青结合料规范应用于改性沥青的局限性2.2.1基本假设的局限性Superpave结合料规范不能够有效地区分改性沥青路用性能的内在原因是基本假设的局限性。现行的Superpave结合料规范在制定过程中主要是针对基质沥青开发的，并基于如下的2个假设：结合料流变特性与薄膜厚度、试样的几何尺寸无关；实验是在线粘弹特性范围内进行的，在该范围内结合料的流变特性与采用的应力或应变水平无关。如在动态剪切（DSR）实验中，可以采用应力控制模式或者应变控制模式，两者均可完成结合料实验。事实上改性沥青已不再满足上述假设条件，因此得出的改性沥青结合料流变学参数和混合料车辙、疲劳性能之间的相关性较差。2.2.2流变模型的局限性现行的Superpave结合料规范不适用于改性沥青的另一方面原因：对路面损失行为和路面结构的模拟考虑不够。现行结合料规范中使用次数最多的动态剪切流变（DSR）实验为例进行说明。在Superpave沥青结合料规范中，采用参数和的组合来进行评价沥青结合料的高温性能和中等温度的抗疲劳性能。该参数由动态剪切流变（DSR）实验提供。沥青试样在两平行板之间经受摆式剪切作用，要求沥青在某一温度下的参数值不小于一特定值。对于原样沥青，要求值不小于1.0kPa；对于短期老化后的沥青要求不小于2.2kPa；对于长期老化后的沥青要求不大于5000kPa，除了上述参数值的要求之外，对于不同状态下的沥青结合料，其实验条件也存在一定的差异。如在动态剪切流变（DSR）实验中，采用应变控制模式，对于原样沥青，实验采用的控制应变为12，对于短期老化后沥青结合料采用10控制应变，对于长期老化后沥青结合料则采用1应变，角速度均采用10md/s。 路面损失行为路面损失行为主要是指沥青结合料在重复荷载作用下复数模量会发生一定程度的损失。对于相同性能等级的基质沥青和改性沥青，或者相同性能等级的改性沥青之间，其复数模量随荷载作用次数而变化的规律是截然不同的。通过比较沥青结合料在荷载作用次数50次和5000次时的复数模量和相位角，可以发现复数模量比率能够区分不同的沥青结合料，而相位角比率对于大部分沥青结合料的变化差异较小，因此试图采用与相位角相关的参数来表征改性沥青抗疲劳性能可能是徒劳的。路面结构（应变）依赖性动态剪切流变（DSR）实验采用的应变水平是和路面结构和强度密切相关的。如果采用小应变，即意味着路面结构较强；反之，则路面结构较弱的采用大应变。研究结果表明：在高温时，大部分沥青结合料对应变的依赖性较弱，对于高温时的采用12和10应变水平是比较符合实际结果的；在中等温度时，大部分改性沥青结合料表现出很强的应变依赖性，不同类型的改性沥青结合料之间的差异是比较明显的。因此可以认为，应变依赖性是区分基质、改性沥青结合料以及不同类型改性沥青结合料的重要特征，可以作为评价沥青结合料性能优劣的重要参数。根据上述分析可知，Superpave结合料规范中评价改性沥青路用性能的主要指标同路用性能的相关性都比较差，尚要进一步完善。美国有关方面成立了专家组（ETG）正在致力于相关的研究，并取得了一些进展。可以预见，在不仅的将来，Superpave改性沥青性能评论家指标将会有较大的改变。也正是基于以上原因，欧洲各国对Superpave的处理就非常客观与冷静。一方面他们在积极跟踪研究，另一方面他们坚持在Superpave的有效性被工程实践证实之前，继续使用现有的规范，并注意及时引进成熟的成果。目前，欧洲各国的结合料规范还是基于常规的指标，尽管其规范在理论上没有Superpave先进与完善，但事实上欧洲各主要国家的路面质量却是有目共睹的。现阶段的Superpave结合料规范并没有像人们所希望的那样能很好的评价改性沥青的路用性能。这同Superpave基于路用性能的沥青规范并不一致。而且一个规范能否反映路用性能需要长时间的应用效果的验证，而不能急功近利。三、研究内容1、基于改性剂的添加改变了沥青的胶体结构和流变特性，高温下动态剪切（DSR）实验无法区分沥青的粘性和延迟弹性，致使Superpave结合料现行评价参数与改性沥青混合料抗车辙性能之间缺乏良好的相关性，结合国内外研究成果，对比、零剪切粘度、评价沥青高温性质的差异，并试图建立一种流变学模型以分析重交沥青与改性沥青流变学性质差异的原因。2、基于Superpave结合料规范对结合料流变特性与薄膜厚度、试样的几何尺寸无关，实验是在线粘弹特性范围内进行的；在该范围内结合料的流变特性与采用的应力或应变水平无关2条基本假设的局限性，以及未考虑沥青混合料类型及路面结构的影响，对DSR实验，分别调整沥青膜的厚度、加载控制模式和应变水平，分析改性沥青对沥青膜厚度、加载方式及应变水平的依赖程度。3、引起沥青路面低温开裂的温度应力累计与沥青应力松弛性能密切相关，改性沥青的应力松弛模式同塑性体类及非改性沥青有明显的差异，现行Superpave规范忽视了这一差别，由此导致Superpave PG低估弹性体类（如SBS）改性沥青的低温抗裂能力，本论文试图对改性沥青低温蠕变建立一种模型，来分析改性沥青与基质沥青的低温性能的差异。4、比较改性沥青与重交沥青复数模量、相位角随荷载作用次数损失规律的差异，并试图建立能量消耗比与现行Superpave疲劳评价指标的联系。5、基于SHRP设备较为昂贵，目前国内大部分生产、施工单位难以配置，本论文试图利用SHRP流变思想，建立常规沥青指标与Superpave分级指标之间的联系，为我国沥青指标向流变学指标靠拢提供参考依据。四、研究技术路线国内外文献对于Superpave结合料性能范围是否适用于改性沥青这一问题，通过对流变模型和相应假设的分析可以认为：结合料的相关设备可以继续保留，但是相应的实验方法需要进行重新研究，自然相应的评价参数也应与基质沥青有所不同。针对改性沥青的特性，将流变学的理论进一步应用到改性沥青的研究中是十分必要的，是对目前Superpave结合料性能规范的进一步深化。除此之外，对于改性沥青的短期老化和储存性能亦需要开发新的设备和评价方法，以完善改性沥青的评价体系。因此本论文采用从美国进口的一套SHRP性能分级仪器：动态剪切流变仪（DSR）、弯曲梁流变仪（BBR）、直接拉伸试验（DTT）、压力老化仪（PAV）和旋转薄膜烘箱实验（RTFOR）并结合广西南友路课题运用流变学知识对改性沥青的流变学性质进行研究。五、具体的解决措施及难点1、在Superpave沥青结合料规范中，采用参数来进行评价结合料的高温抗车辙性能。对于改性沥青结合料而言，现有的结合料规范所采用流变学模型和相应的假设都有其自身的局限性。因此该参数和改性沥青混合料抗车辙性能之间缺乏良好的相关性是必然的。对于改性沥青结合料，有必要建立新的流变模型和进行相应的假设。如果将重复蠕变作用考虑进入流变学模型，就可以进一步考察改性沥青在线性或非线性范围内的损失行为。为新的流变模型将应变分为弹性部分、粘滞部分，其中采用模型中的粘性部分来表征改性沥青抗车辙能力。2、对于长期老化部分PAV后改性沥青的抗疲劳性能，原有的评价参数5000kPa是基于长期性能的实践，认为沥青结合料的劲度不能过大，否则会导致疲劳开裂。事实上在动态剪切流变（DSR）实验中并未很好地将重复荷载作用下的损失考虑进去。因此如果将上式损失作用整合进流变模型，则可以假设沥青结合料疲劳经过如下三个阶段：孕育阶段，能量重要用于抵抗粘弹阻尼的作用，损失作用可以忽略不计；形成阶段，能量除了用于抵抗粘弹阻尼外，还有部分用于损失作用的附加部分；扩展阶段，由于损失作用急剧增大，导致粘弹性恢复困难，结合料发生疲劳破坏。因此可将从第二阶段向第三阶段转变的转折处作为衡量改性沥青抗疲劳性能的一个参数。通过考察重复荷载作用次数与消散能比率发生的突变时的荷载作用次数，采用该作用次数表征改性沥青的抗疲劳能力。六、预期成果1、根据动态剪切流变（DSR）实验对高温下沥青的流变性建立流变学模型，以区分改性沥青的延迟弹性和粘性。2、改性沥青流变学对温度、加载方式、应变水平、沥青膜厚度的依赖性。3、根据弯曲梁流变仪（BBR）、直接拉伸实验（DTT）分析改性沥青低温下劲度松弛性能，并建立低温松弛模型。4、通过动态剪切流变（DSR）中温下实验，得出复数模量和相位角等参数随剪切次数的衰败规律。5、建立沥青常规指标与PG分级指标之间的联系。七、参考文献：1、沈金安.道路沥青及沥青混合料路用性能.人民交通出版社2、石油沥青的生产与应用.张德勤.中国石化出版社3、张登梁.沥青及沥青混合料.人民出版社4、中华人民共和国行业标准.公路工程沥青及沥青混合料实验规程（JTJ 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