老化沥青胶结料评价指标研究

1、老化沥青胶结料评价指标研究黄国威1 应荣华2（1广东能达高等级公路维护有限公司 广东 510030 2 长沙理工大学道路与铁道工程，湖南 长沙410076）摘要:再生技术因其资源利用率高、低能耗、低污染、施工方便等特点在我国有着广泛的应用前景。再生中再生剂的选择对再生混合料的性能有着重要的影响作用。再生剂类型以及剂量的选择依赖于回收的老化沥青的性质，然而目前再生技术中老化沥青评价指标还没有得到统一。本文采用采用现行规范推出的针入度分级体系和SHRP性能分级体系试验对老化沥青进行评价分析，以便为确定再生剂的种类和剂量提供参考依据。通过对比针入度分级体系和SHRP性能分级体系对老化沥青评价指标进行

2、对比可知它们之间具有较好的相关性，对评价老化沥青的性能有着重要的指导作用。关键词:老化沥青;再生技术; 针入度分级体系;评价指标Research on the evaluation of the aged asphalt performaceHuang Guowei; Ying RonghuaAbstract: Because of Recycling Technology has high resource utilization, low power consumption, low pollution and convenience features,so it has wide app

3、lication prospect. The choice of recycling agent has an important effect on the performance of regenerant mixture,which dependents on the performance of aged asphalt.However, renewable technologies currently asphalt aging evaluation has not yet been unified. The paper introduces the use of the exist

4、ing norms penetration SHRP performance grading system and grading system asphalt aging test to evaluate the analysis, in order to determine the type of regeneration agent and provide a reference dose. By comparing the penetration SHRP performance grading system and grading system for evaluation of t

5、he aging of asphalt, we can see their relevance, which has an important guiding role to enaluate the performance of aged asphalt .Keywords: Aged Asphalt; Recycling Technology; System of Penetration Grade; Evaluation Index. 0 引言目前再生技术因其独特的技术特征在我国近年来的路面维修、改造等工程中应用越来越广泛，然而再生混合料的性能与热拌沥青混合料性能存在一定的差距。再生混合

6、料性能很大程度依赖于再生剂的类型以及剂量，而再生剂类型以及剂量的选择依赖于回收的老化沥青的性质，因此研究老化沥青性能的评价指标有着极为重要的意义。1老化沥青抽提回收从旧沥青混合料中回收得到的沥青经过长时间的路用荷载和自然老化作用，导致其性能改变。有必要对老化沥青进行回收，以便利于对老化沥青的老化程度、化学组成成分及流变性能进行研究。本文的旧沥青回收材料来自于广东省某高速公路间的连接线，经抽提回收可知：RAP料的含水率和含油量如表1。表1 RAP料的含水量和含油量15编号原质量（g）烘干质量（g）矿粉质量（g）抽提后质量（g）沥青含量(%)5组材料均值1000972.18.25952.43.43

7、2胶结料材料性能评价方法与指标研究对回收沥青性质进行必要的检测分析有助于选择合适的冷再生粘结剂。考虑到沥青是一种十分复杂的烃类与非烃类的混合物,由于分子量大,结构复杂,难以对其进行精确地分离，因而本文采用现行规范推出的针入度分级体系和SHRP性能分级体系试验对老化沥青进行评价分析，以便为确定再生剂的种类和剂量提供参考依据。重交沥青70#（原路面使用沥青）与回收老化沥青如图1：图1 回收沥青与重交沥青70#2.1 常规试验分析1）针入度试验针入度试验表征了沥青的表观粘度，是一种剪切蠕变试验，反映了沥青在荷载作用下的抗变形能力。沥青材料的温度敏感性是评价沥青路用性能的核心指标。描述沥青感温性的指标

8、是针入度指数PI值 1。针入度指数P.I增加，说明沥青温度敏感性降低了，它是由15，25 30等三个不同温度的针入度(P)，采用最小二乘法，按式1gP=AT+K进行线性回归，在计算获得A后由式(2.1)求得。 (2.1) “八五”攻关建议以当量软化点T800代替实测软化点来评价沥青的高温使用性能，当量软化点升高，说明其高温稳定性得到了提高。T800计算公式见(2.2)： (2.2)“八五”攻关提出以当量脆点T1.2及10延度作为评价沥青低温抗裂性能指标。当量脆点降低，说明低温抗裂性得到了提高。公式见(2.3)： (2.3)试验结果列于表2。表2 针入度试验结果项目针入度（100g，5s；0.1

9、mm）P.IT800T1.2不同温度下针入度值回归方程相关系数( R2)152530重交沥青70#2573980.0406T + 0.80470.9839-0.151.7-17.9回收沥青2161800.0398T + 0.74130.98040.0354.3-16.6沥青的老化导致其针入度值变小, P.I、 T800、 T1.2增加，说明沥青的老化后其温度敏感性降低了，其高温稳定性得到了提高，但其低温抗裂性能下降。2）延度试验 延度反映了沥青材料的低温延伸性能。在4或者15时得到的延度试验结果能够间接地反映在路面使用温度时沥青粘度和剪切敏感性的关系2。在参考我国现行的沥青标准规范基础之上，在

10、试验温度为15下，测定各种沥青原始状态下的低温延度值。3）软化点试验软化点既是反映沥青材料热稳定性的指标，也是沥青粘性量度。按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ0522000）的要求对回收沥青和重交沥青70#进行了基本性能的测试，其结果列于表3。表3 沥青的主要技术性质试 验 项 目试验结果重交沥青70#回收沥青针入度 (25,100g，5s) 0.1mm7361延度 (5cm/min,15) cm140105软化点(环球法) 48.055密度 25 (g/cm3)1.0151.0302.2 SHRP试验分析1）旋转粘度试验沥青的粘性是沥青在外力作用下抵抗剪切变形的能力，它随温度变化的

11、程度直接反映了沥青的感温性，因此沥青的粘温关系是研究沥青流变学的基本内容之一，对沥青而言，其粘度越大，粘结力越强。并且，为了保证沥青的泵送和混合料的拌和，沥青必须有适当的粘度。所以，粘度是评价沥青高温性能的重要指标。参照SHRP标准，采用Brookfield旋转粘度仪(见图3)来测试沥青在60下的粘度。Brookfield旋转粘度仪试验原理如图2所示。采用转子S27，试验得到重交沥青70#粘度为218 Pa·s，回收沥青粘度为2315 Pa·s，由此可知沥青材料的粘度随着沥青的老化，其粘度明显增加。图2 旋转粘度示意图 图3 旋转粘度仪实物图2）高温动态剪切试验SHRP在沥

12、青混合料路用性能规范中提出对原样沥青及RTFOT后残留沥青试样分别进行两次动态剪切试验，以作为评价指标，反映沥青材料的永久变形性能。就是损失剪切柔量的倒数，也就是说沥青性质的粘性成分越大，表示J”越小，即高温时的流动变形越小，抗车辙能力越强。RTFOT试验(短期老化试验)：旋转薄膜烘箱(见图7)老化(又称短期老化)主要是模拟沥青在施工拌和、运输、摊铺及压实过程中沥青产生的老化作用。该试验是以加热前后沥青的质量损失、针入度比和残余延度等作为评价指标。动态剪切流变仪(DSR)是用来测试沥青胶结料粘性和弹性特征的仪器。动态剪切试验基本原理如图4。图5中列出了试验得出的正弦变化的剪应变及剪应力，其相位

13、角是。=0，表明结合料为完全弹性的； =90o时，表明结合料为完全粘性。图4 动态剪切试验基本原理 图5 弹性和粘性材料应力和应变关系图图6 DSR试验系统实物图 图7 旋转薄膜烘箱采用型号为MCR300的动态剪切流变仪(DSR)分别对基质沥青和老化沥青进行车辙因子的测试，在5282温度范围内进行试验，其结果如下：表4 不同沥青胶结料老化前后的复数模量、相位角、车辙因子温度沥青类型RTFOT前RTFOT后复数模量（KPa）车辙因子/（KPa）相位角(°)复数模量（KPa）车辙因子/（KPa）相位角(°)52重交沥青70#10.210.680.223.224.352.3回收沥

14、青19.721.860.529.632.743.258重交沥青70#5.96.181.713.514.253.6回收沥青11.812.362.317.718.546.564重交沥青70#3.43.683.17.58.354.4回收沥青3.63.865.75.45.947.870重交沥青70#1.31.484.23.63.755.7回收沥青1.82.066.63.65.248.876重交沥青70#0.70.884.91.61.756.3回收沥青1.11.267.12.22.449.482重交沥青70#0.40.482.50.91.058.1回收沥青0.60.665.21.31.350.9沥青的复

15、数模量和车辙因子/均随温度的升高而降低，随着沥青材料温度的升高，沥青材料劲度明显降低。依据沥青PG高温分级的标准可得回收沥青的高温分级为PG76。同基质沥青比较而言，原有回收沥青在经过短期老化后在各不同温度条件下的沥青车辙因子较原样老化沥青材料的基础上均存在上升的幅度，由此表明沥青随着老化的加深，胶体结构逐渐发生变化，非牛顿性质越来越突出，只不过回收沥青经过短期老化后的沥青车辙因子上升幅度小，回收沥青更加稳定。3）弯曲梁流变试验沥青路面的低温抗裂性能主要取决于沥青胶结料的低温拉伸性能。据有关研究报道3，沥青结合料对低温抗裂的贡献率占90%。(1) 试验原理根据Superpave研究成果4，采用

16、弯曲梁流变试验来评价沥青胶结料的低温流变性质。试验设备采用弯曲梁流变仪BBR(Beam Bending Rheometer，见9图)。为了全面理解这一评价方法，现对其工作原理作简要介绍，如图8所示，通过计算机对试件施加100g荷载，作用时间1秒钟，使试件定位。然后卸载至预载，并让其恢复20s。在20s结束时施加100g荷载，整个试验持续240s。空气轴承位移传感器试样 图8 弯曲流变仪（BBR）结构图 图9 弯曲流变仪（BBR）实物图(2) 试验参数的意义沥青路面的低温开裂发生在路面使用一段时期后，所以Superpave沥青规范规定:采用经过短期老化(RTFOT)及长期老化(PAV)后的沥青作

17、为试验对象。考虑到室内试验评价的可操作性，借助时一温变换法则，将试验温度取高于路面设计最低温度10，取60s所对应的蠕变劲度S及其对时间的变化率m作为评价沥青抗低温开裂性能的标准。 BBR试验采用了两个参数来评价沥青低温抗裂性能5要求弯曲蠕变劲度模量S不超过300MPa，劲度模量S越小，则表示沥青的低温柔性越大；蠕变曲线的斜率m要求不小于0.3，m值越大，则表示低温应力越不易累积，沥青路面不易发生低温开裂。参数蠕变劲度S的计算公式是从简支梁变形公式演化而来。弹性小梁在集中荷载作用下的跨中挠度公式为: (2.4)在同样的集中荷载作用下，粘弹性小梁中的应力分布和弹性小梁中的应力分布相同，只是粘弹性

18、体中的应变和位移依赖于时间，其位移大小可以借鉴弹性小梁的结果。因此只需对弹性简支梁的计算公式加以改动，即惯性矩，用拉伸蠕变模量取代弹性拉伸模量E，而，从而得出如下的沥青结合料低温蠕变劲度的计算公式: (2.5)式中：时间等于60s时的蠕变劲度； P 恒荷载(100g)； L 梁的有效长度(102mm)；b 梁的有效宽度(12.5mm)；h 梁的有效厚度(6.25mm)；时间等于60s时的挠度。SHRP研究认为，表征沥青低温劲度随时间的变化率m值越大越好。这意味着当温度下降而路面出现收缩时，沥青结合料的响应将如同降低了劲度的材料，从而导致材料中的拉应力减小，低温开裂的可能性也随之降低。(3)试验

19、结果分析采用美国CANNON公司生产的弯曲梁流变仪进行试验，其方法为AASHTO标准TP1-93。试样是经过RTFOT老化后的沥青残渣，试验结果列于表5。表5 不同沥青胶结料的蠕变劲度S和m值沥青试样蠕变劲度S（MPa）曲线斜率mPG低温等级（）-6-12-18-6-12-18重交沥青70#56.5101236.50.4760.3830.29-18回收沥青82.5186.4376.90.5140.4310.30-12同种沥青的蠕变劲度S随温度的降低而增大，回收沥青蠕变劲度S较基质沥青大，说明沥青老化后，使得沥青柔性减弱，降低了沥青的松弛能力。沥青的蠕变劲度模量S随时间的变化率m值的大小与温度有关，随温度的降低而减小，降低幅度的大小因沥青性质而异。3结论通过采用现行规范推出的针入度分级体系和SHRP性能分级体系试验对回收沥青及重交沥青70#性能的对比研究可知，它们能较好的评价沥青性质且两种指标具有较好相关性，分析认为对回收沥青性质进行必要的检测（针入度检测、延