道路石油沥青技术性能-高温及低温性能

1、道路沥青的路用性能沥青混合料的高温及低温性能沥青结合料的高温及低温性能感温性感温性高温性能高温性能低温性能低温性能抗疲劳性抗疲劳性老化性老化性粘附性粘附性其他性能指标其他性能指标软化点和当量软化点软化点和当量软化点粘粘 度度DSR（SHRP）高温性能高温性能低温性能低温性能低温劲度模量低温劲度模量低温针入度低温针入度脆点与当量脆点脆点与当量脆点延延 度度低温收缩低温收缩DTT（SHRP）BBR（SHRP）低温粘度低温粘度玻璃化温度玻璃化温度路用性能结构示意图高温性能相关指标高温性能问题的提出F沥青路面的高温流动变形问题是世界各国普遍关注沥青路面的高温流动变形问题是世界各国普遍关注的路面损坏形式

2、之一。的路面损坏形式之一。F我国大部分地区夏季高温，沥青路面温度最高达我国大部分地区夏季高温，沥青路面温度最高达70，沥青材料接近塑性流动状态，抗变形能力差。，沥青材料接近塑性流动状态，抗变形能力差。F与沥青高温下劲度息息相关。与沥青高温下劲度息息相关。高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q软化点F基本意义：基本意义：!在特定条件下，表示沥青软硬程度的条件温度。!沥青的最基本性质指标，我国三大常用沥青指标之一，也是大多数国家用来表征沥青高温性能的指标。!数字表达形式直观，直接与路面软化变形程度相关联。高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q软化点F试验方法试验方法!中国：采用环与

3、球法，TR&B高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q软化点F环与球法环与球法!钢球质量3.5g!升温速率5/min!起始温度5高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q软化点F其他国家其他国家!德国：克-沙氏法（Kramer Sarnow test），测定值K（）与环球法软化点之间的关系：!美国:立体法（Cube Method）1095. 0RK高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q软化点F影响因素影响因素!沥青质的含量n根据J.R. Dickie的研究，沥青的软化点由沥青的组分决定。以x、y、z、w分别表示沥青质、树脂、芳香烃、饱和烃的含量，则软化点可由下式表示，

4、其误差的标准差为3。!蜡含量6 .831038. 81082. 61071. 619. 1211&wzyxTBR高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q软化点F主要应用主要应用!与针入度一样，常常作为控制制造工艺、检验产品质量、评定沥青性质及选择使用条件等。!与针入度一起求解PI值，表征沥青的感温性。!与弗拉斯脆点一起评价沥青的使用性能。高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q当量软化点F软化点指标的弊端软化点指标的弊端!W型沥青中的蜡成分对软化点造成假象!软化点结果受试验操作影响大n试件预处理方法、时间、水浴的搅拌、加热速率、测温方法及升温速率高温性能相关指标一、沥青的软

5、化点与当量软化点Q当量软化点F概念的提出概念的提出!在我国，多蜡沥青的问题比其他国家都突出，为了解决软化点的问题，我们经过“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，称为当量软化点。!当量软化点根据“等粘温度”原理提出，表达沥青粘度所能承受的极限，大体相当于针入度达到800时的温度，遂定义此温度为当量软化点，T800.高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q当量软化点F确定方法（一）确定方法（一）!根据温度敏感性系数得到：25lg800lg25lg800lg80025&25TPTPABR25lg800lg25800APT高温性能相关指

6、标一、沥青的软化点与当量软化点Q当量软化点F确定方法（二）确定方法（二）!根据三个及三个以上温度下的针入度回归PI值，确定A、K!由PI回归公式进行反算：n以针入度为基础，容易掌握；实验设备，推广应用不存在任何困难！AKAKT9031. 2800lg800较之方法一、较之方法一、更为准确！更为准确！高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q当量软化点F优点：优点：!当量软化点发挥了软化点的功能，具有软化点的所有优点，又克服了多蜡沥青的影响。F“八五八五”专题要求：专题要求：!“八五”根据各地区所要求的PI值，提出T800的最低值。2520)10()log9031. 2(5025800PIP

7、IPT要求值高温性能相关指标一、沥青的软化点与当量软化点Q当量软化单F注意事项：注意事项：!当量软化点取决于沥青的针入度值，它的本质仍然是指数。!提出当量软化点并不等于将环球法测定的软化点全盘否定。!实测软化点在沥青生产和质量检验上仍然是重要而方便的指标。高温性能相关指标二、沥青结合料的粘度Q粘度F定义：定义：!沥青式样在规定条件下流动时所产生的抵抗力或内部阻力。F常用试验方法常用试验方法!普通道路石油沥青：n真空减压毛细管法高温性能相关指标二、沥青结合料的粘度Q粘度F常用试验方法常用试验方法!聚合物改性沥青n孔径较粗的毛细管法n布洛克菲尔德（Brookfield）粘度计法(旋转粘度计法，RA

8、V）!确定高温粘度n逆流式毛细管法n赛波特粘度计法nRAV!乳化沥青和煤沥青n恩格拉粘度计法n标准粘度计法高温性能相关指标二、沥青结合料的粘度Q粘度F60粘度粘度!60恰好处在夏季路面的高温条件，反映路面的实际情况，为了使沥青混合料具有良好的抗流动变形能力，希望沥青在此温度下有较高的粘度。!我国采用的试验方法为真空减压毛细管法。高温性能相关指标二、沥青结合料的粘度Q粘度F60粘度粘度!理论公式的推导：3244228rQDLrPrLPrSQLpRDS)()(301.20107312. 6/5339.13313221222243LLLLhthrcmgd水银密度)(3)(28313221222Zhd

9、LLZhdLLgtrkt高温性能相关指标二、沥青结合料的粘度Q粘度F60粘度粘度!试验注意事项：n选择适当的毛细管，使流出时间t不小于60sn毛细管的清洗、预热以及成样后的恒温n水浴温度控制n真空度的稳定状况高温性能相关指标二、沥青结合料的粘度Q粘度F双筒旋转式粘度计双筒旋转式粘度计!主要用于测定牛顿流体，适用于测定高温（一般在软化点以上）的视粘度。高温性能相关指标二、沥青结合料的粘度Q粘度F双筒旋转粘度计双筒旋转粘度计!若干假定：n圆筒内流体式样为非压缩性n外筒作等速旋转时，液体的运动也做等速运动，即d/dt=0n内外筒长度方向无限，忽略筒底面粘滞力的影响n式样在圆筒表面无滑移，不做相对运动

10、n运动过程中不考虑内部温升高温性能相关指标二、沥青结合料的粘度Q粘度F简化双筒旋转粘度计简化双筒旋转粘度计布洛克菲尔德粘度计（布洛克菲尔德粘度计（RAV）!用于测定牛顿流体或非牛顿流体之剪应力与剪变率之比，即表观粘度!常用于测定沥青的高温粘度高温性能相关指标三、动态剪切试验Q优越性F道路的行车荷载不是静止的，而是连续不断的反复道路的行车荷载不是静止的，而是连续不断的反复荷载，要研究沥青材料的真正的力学响应，应注重荷载，要研究沥青材料的真正的力学响应，应注重动载作用下的变形特性，即动粘弹性。动载作用下的变形特性，即动粘弹性。F振动荷载下，沥青的流变特性受到粘弹性的影响，振动荷载下，沥青的流变特性

11、受到粘弹性的影响，与静载下有很大不同。与静载下有很大不同。高温性能相关指标三、动态剪切试验F动态剪切流变仪（动态剪切流变仪（DSR）!美国战略公路研究计划（SHRP）在沥青胶结料路用性能规范中提出评价沥青结合料高温稳定性指标，采用动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer）!主要的试验方法n应力控制n应变控制高温性能相关指标三、动态剪切试验Q主要指标ACB时间时间t施加的剪应力施加的剪应力时间时间t产生的剪应变产生的剪应变tmaxmaxminmin高温性能相关指标三、动态剪切试验Q主要指标计算tfGhrrT22minmaxminmax3实轴实轴虚轴虚轴G GG高温性能相关指

12、标三、动态剪切试验Q主要指标控制FSHRP对原样沥青及对原样沥青及RTFOT后残留沥青分别进行两后残留沥青分别进行两次动态剪切试验，在设计高温下以次动态剪切试验，在设计高温下以10rad/s的角速的角速度进行，以度进行，以G*/sin为评价指标为评价指标!原样沥青的G*/sin不得小于1.0kPa!RTFOT后的残留沥青的G*/sin不得小于2.2kPa高温性能相关指标四、零剪切粘度F提出背景提出背景!现行现行Superpave 沥青结合料规范通过动态剪切流变试验沥青结合料规范通过动态剪切流变试验计算车辙因子计算车辙因子G*/ Sin,以此来评价沥青结合料的高温性以此来评价沥青结合料的高温性能

13、。然而能。然而, FHWA 和沥青协会的试验证明和沥青协会的试验证明,车辙因子车辙因子G*/ Sin并不能很好地评价聚合物改性沥青的高温性能并不能很好地评价聚合物改性沥青的高温性能,许多许多试验路段的结果也都证实试验路段的结果也都证实PG高温等级相同沥青的路用性高温等级相同沥青的路用性能存在差异能存在差异,这促使道路工作者着力于寻求更合理的高温这促使道路工作者着力于寻求更合理的高温性能评价指标。在这一背景下性能评价指标。在这一背景下,沥青结合料零剪切粘度沥青结合料零剪切粘度( Zero Shear - rateViscosity ,ZSV) 的提出在以欧洲为的提出在以欧洲为首的许多国家和地区引

14、起了广泛的关注。首的许多国家和地区引起了广泛的关注。高温性能相关指标四、零剪切粘度 大多数沥青结合料在路面工作温度下属于伪塑性非牛顿流体。研究发现,在剪切速率(或剪应力) 非常小或非常大的极限情况下,伪塑性非牛顿流体的粘度接近于常数。伪塑性流体在第一牛顿流区域中粘度趋于常数,并达到最大值,这一粘度被称为零剪切粘度或绝对粘度。高温性能相关指标四、零剪切粘度粘度随剪切速率的变化趋势粘度随剪切速率的变化趋势高温性能相关指标四、零剪切粘度Q主要的求算方法F低频率正弦剪切试验低频率正弦剪切试验!该方法在低频率正弦剪切荷载作用下测定沥青结合料的剪切损失模量G或损失柔量J，当剪切速率w很小时，近似认为G/w

15、或1/（wJ)既为零剪切粘度ZSV（或0）值： 00 001limlimwJwGww或高温性能相关指标四、零剪切粘度图形外推法 ： 对不同剪切频率下的复合粘度值进行扫描,得出复合粘度随剪切频率的变化曲线,曲线向低频率方向进行外推即可得到ZSV 值。高温性能相关指标四、零剪切粘度四参数十字方程（四参数十字方程（Cross Equation）：mK )(11)(0或或mK )()(0在在0.1100的剪切频率内，假设的剪切频率内，假设 有有0mK )(10高温性能相关指标四、零剪切粘度F蠕变及蠕变回复试验法：蠕变及蠕变回复试验法：!蠕变试验中，施加的0为恒量，而应变响应则为时间的函数，测得的应变与

16、施加的应力之比为蠕变柔量：0/ )()(trtJ高温性能相关指标四、零剪切粘度tJcreeptcreep/1lim0 曲线变化规律按蠕变现象可分为蠕变迁移、蠕变稳定和蠕变回复三个阶段。其中蠕变稳定阶段的应变增长率保持恒定，柔量（或应变）随时间呈直线增长，直线斜率的倒数既为0： 蠕变回复阶段应力被卸除，应变(或柔量) 中的弹性部分逐渐回复，通过残余的粘性部分亦可得到0eryrecreeptJtcreepcov0/lim低温性能相关指标低温问题的提出F沥青混凝土面层的温度开裂是路面破坏的主要形式沥青混凝土面层的温度开裂是路面破坏的主要形式之一。之一。!气温骤降造成面层温度收缩!温度疲劳!半刚性基层

17、温缩、干缩对沥青面层的综合作用F沥青路面的低温抗裂性能取决于沥青结合料的低温沥青路面的低温抗裂性能取决于沥青结合料的低温拉伸变形能力，贡献率达拉伸变形能力，贡献率达90%。F加拿大、美国、日本等国家在各自的国家公路计划加拿大、美国、日本等国家在各自的国家公路计划中对低温性能做了大量的研究。中对低温性能做了大量的研究。低温性能相关指标低温问题的提出F我国在我国在“七五七五”、“八五八五”两个国家科技攻关专题两个国家科技攻关专题中，对沥青及沥青混合料的低温性能作了比较深入中，对沥青及沥青混合料的低温性能作了比较深入的研究的研究F在制定相关规范时，结合国内外的研究工作，提出在制定相关规范时，结合国内

18、外的研究工作，提出了一系列的低温性能指标。了一系列的低温性能指标。低温性能相关指标一、沥青的低温劲度模量Q定义F在一定的时间和温度作用下，应力与应变之间的关系。在一定的时间和温度作用下，应力与应变之间的关系。Q特点F不是沥青材料的性质常数，而是取决于温度和时间变化的不是沥青材料的性质常数，而是取决于温度和时间变化的参数。参数。TttS，T低温性能相关指标一、沥青的低温劲度模量Q确定方法F由实验得到由实验得到!不同的试验方法在温度和时间（速率）的控制上相差较大，造成的大的系统误差F由由Van der Poer诺谟图得到诺谟图得到!取决于沥青的针入度指数PI、软化点及和荷载的作用时间!PI值由针入

19、度回归得到，软化点采用当量软化点T800F粘度已知时，由公式得到粘度已知时，由公式得到tttSbit3低温性能相关指标一、沥青的低温劲度模量Q应用F沥青混合料的低温劲度是决定是否开裂的最根本因沥青混合料的低温劲度是决定是否开裂的最根本因素，而决定沥青混合料低温劲度的主要因素是沥青素，而决定沥青混合料低温劲度的主要因素是沥青结合料的劲度和在沥青混合料的所占的比例。结合料的劲度和在沥青混合料的所占的比例。F根据经验公式计算沥青混合料的低温劲度模量，判根据经验公式计算沥青混合料的低温劲度模量，判断开裂条件。断开裂条件。低温性能相关指标二、低温针入度Q意义F针入度值是许多国家选择沥青标号的而重要指标针

20、入度值是许多国家选择沥青标号的而重要指标F老化后的针入度与沥青的抗裂性能关系密切老化后的针入度与沥青的抗裂性能关系密切F评价沥青的低温性能，更低温度的针入度价值更大评价沥青的低温性能，更低温度的针入度价值更大!沥青混合料的脆化点温度与5针入度有较好的相关关系，标准差仅为22 .1872. 05g1005sP，脆化点温度低温性能相关指标二、低温针入度Q试验设备低温性能相关指标二、低温针入度Q确定方法F任意改变针入度试验的三大要素：温度、荷载条件、贯入任意改变针入度试验的三大要素：温度、荷载条件、贯入时间，得出大范围的沥青流变学性质时间，得出大范围的沥青流变学性质F回归针入度时间指数回归针入度时间

21、指数BF测定低温下，较长作用时间下的针入度值，在双对数坐标测定低温下，较长作用时间下的针入度值，在双对数坐标上绘制针入度时间流变曲线，得到良好的线性关系，从而上绘制针入度时间流变曲线，得到良好的线性关系，从而延伸得到低温下的针入度值延伸得到低温下的针入度值CtBPlglg低温性能相关指标二、低温针入度Q针入度与粘度之间的关系FSaal公式公式F日本有福武治公式日本有福武治公式F林诚之公式林诚之公式FAAPT222. 228. 050.1060. 21015. 21016. 21010105 . 91045. 11058. 1PtTRMgPPPPPI6060PP低温性能相关指标三、脆点与当量脆点

22、Q弗拉斯脆点F定义定义!在等速降温条件下用弯曲受力方式测定沥青脆裂的温度。F意义意义!反映沥青低温脆性，一般认为针入度大、针入度指数大的沥青其脆点越低、抗裂性能越好。!弗拉斯脆点是低温条件下沥青结合料脆裂的温度，主要是描述路面荷载作用下开裂的模式。低温性能相关指标三、脆点与当量脆点Q确定方法F玻璃板试验玻璃板试验F皿氏脆点试验皿氏脆点试验F弗拉斯法弗拉斯法!涂于金属片上的沥青试样薄膜在规定条件下，因被冷却和弯曲而出现裂纹时的温度，以表示，既为弗拉斯脆点。FBTDC图表图表低温性能相关指标三、脆点与当量脆点Q当量脆点计算公式Q“八五”成果F该专题明确采用该专题明确采用T1.2作为评价沥青结合料的

23、低温性能指标，作为评价沥青结合料的低温性能指标，并为各气候分区的最小并为各气候分区的最小PI要求值，提出了最低要求值，提出了最低T1.2的要求。的要求。AKABT0792. 02 . 1lg2 . 1PIPIPT20)10()0792. 0lg5025252 . 1（要求值低温性能相关指标四、延度Q定义F在规定的拉伸速度和温度下，拉伸标准试件的两端直到断裂的长度。在规定的拉伸速度和温度下，拉伸标准试件的两端直到断裂的长度。Q意义F4或或15时得到的延度结果能够间接地反映在路面使用温度时的时得到的延度结果能够间接地反映在路面使用温度时的沥青粘度和剪切敏感性的关系。沥青粘度和剪切敏感性的关系。F0

24、与沥青路面抗裂性有重要关系。与沥青路面抗裂性有重要关系。F虽然国内外对延度意义有不同看法，但是大都认为沥青的延度与路虽然国内外对延度意义有不同看法，但是大都认为沥青的延度与路面的使用性能有一定相关性，尤其是低温延度与低温开裂性能关系面的使用性能有一定相关性，尤其是低温延度与低温开裂性能关系密切。密切。F在我国，沥青的延度对于限制蜡的含量也有重要意义。在我国，沥青的延度对于限制蜡的含量也有重要意义。低温性能相关指标四、延度Q试验概况低温性能相关指标四、延度Q低温延度F低温环境下，延度值普遍偏小，很难将不同的沥青低温环境下，延度值普遍偏小，很难将不同的沥青性能区分开，可减小拉伸速率。性能区分开，可

25、减小拉伸速率。F温度过低，试件多发生脆性断裂，因此，选择合适温度过低，试件多发生脆性断裂，因此，选择合适的试验温度很必要。的试验温度很必要。Q测力延度F测力延度在一定程度上反映了沥青的拉伸性能，更测力延度在一定程度上反映了沥青的拉伸性能，更加适用于改性沥青。加适用于改性沥青。低温性能相关指标五、低温收缩Q定义FHills和和Biren推荐的温度应力公式：推荐的温度应力公式：TTSTfTT)()(0式中，式中，(T)是在降温速率是在降温速率T条件下引起的温度应力的累积；条件下引起的温度应力的累积； S(T)为各个温度间隔为各个温度间隔T中值时的混合料劲度模量；中值时的混合料劲度模量； 是在温度下

26、降是在温度下降T0Tf时沥青混合料的平均温度收缩系时沥青混合料的平均温度收缩系 数。数。低温性能相关指标五、低温收缩Q确定方法F一端固定一端自由的悬臂小梁做等速降温测定其长一端固定一端自由的悬臂小梁做等速降温测定其长度的变化度的变化F其他试验方法其他试验方法!仿水泥砂浆收缩仪试验法!进入液体法!“七五”计划中，沥青及沥青混合料线性收缩法低温性能相关指标五、低温收缩Q一般规律F不同降温速率的沥青收缩系数也不同，降温速率越不同降温速率的沥青收缩系数也不同，降温速率越快，收缩系数越小。快，收缩系数越小。F即使降温速率相同，不同温度区间的收缩系数也不即使降温速率相同，不同温度区间的收缩系数也不同，温度

27、越低，收缩系数越小。同，温度越低，收缩系数越小。低温性能相关指标六、直接拉伸试验（DTT）F美国美国SHRP沥青结合料路用性能规范推荐的抗裂指沥青结合料路用性能规范推荐的抗裂指标，确定沥青试件极限拉伸应变。标，确定沥青试件极限拉伸应变。F通常的沥青结合料在低温时劲度小，延伸性好通常的沥青结合料在低温时劲度小，延伸性好 ；劲；劲度大的延伸性差，但不排除有的沥青结合料劲度并度大的延伸性差，但不排除有的沥青结合料劲度并不低，可在破裂前却能进一步延伸。不低，可在破裂前却能进一步延伸。BBR并不能完并不能完全反映这一延伸特性。全反映这一延伸特性。FDTT的目的是评价沥青结合料的低温拉伸性能，所的目的是评

28、价沥青结合料的低温拉伸性能，所以要求采用经过旋转薄膜加热试验（以要求采用经过旋转薄膜加热试验（RTFOT）及压）及压力老化试验（力老化试验（PAV）后的残留沥青进行。）后的残留沥青进行。低温性能相关指标六、直接拉伸试验（DTT）Q试验概况低温性能相关指标六、直接拉伸试验（DTT）Q试验概况试验温度：设计温度试验温度：设计温度+10拉伸速率：拉伸速率：1mm/min）有效标准长度（）长度变化（伸长应变（试样截面积最大荷载）应力（mm27)Lf低温性能相关指标六、直接拉伸试验（DTT）Q试验概况直接拉伸试验和不同温度的拉伸破坏直接拉伸试验和不同温度的拉伸破坏模式模式低温性能相关指标七、简支梁弯曲蠕

29、变试验（BBR)F美国美国SHRP沥青结合料路用性能规范推荐弯曲梁流沥青结合料路用性能规范推荐弯曲梁流变仪（变仪（Bending Beam Rheometer）FBBR结合动态剪切试验可以评价沥青结合料从低温结合动态剪切试验可以评价沥青结合料从低温到高温的很大温度范围的劲度模量的全部信息。到高温的很大温度范围的劲度模量的全部信息。FBBR结合直接拉伸试验能更全面的了解结合料的低结合直接拉伸试验能更全面的了解结合料的低温抗裂性能。温抗裂性能。低温性能相关指标七、简支梁弯曲蠕变试验（BBR）F沥青样本沥青样本!沥青路面的低温开裂是发生在沥青路面使用一定时间、沥青老化、劲度增大、极限劲度减小后的低温

30、情况下，所以SHRP建议采用先经过RTFOT模拟沥青在施工过程中的热老化，再经压力老化试验（PAV）模拟沥青路面经过至少5年的使用期老化后的沥青样本。低温性能相关指标七、简支梁弯曲蠕变试验（BBR）Q试验概况试验温度：设计温度试验温度：设计温度+10计算机自动采集荷载、计算机自动采集荷载、变形，并自动计算蠕变形，并自动计算蠕变劲度变劲度S、蠕变速率、蠕变速率m。低温性能相关指标七、简支梁弯曲蠕变试验（BBR）Q试验概况弯曲蠕变曲线弯曲蠕变曲线低温性能相关指标八、低温粘度Q意义F沥青的低温粘度反映沥青在低温条件下的变形性能，沥青的低温粘度反映沥青在低温条件下的变形性能，低温粘度越大，说明低温下有较大的柔性，抗开裂低温粘度越大，说明低温下有较大的柔性，抗开裂性能好。性能好。低温性能相关指标八、低温粘性Q试验方法F落柱式粘度计落柱式粘度计!温度