沥青结合料高温性能流变学指标分析

1、82公 路 与 汽 运 第1期 Highways&AutomotiveApplications 2006年2月沥青结合料高温性能流变学指标分析黎永皆(海南公路工程公司,海南海口 570126)摘 要:车辙变形是当前世界上热拌沥青砼路面高温病害的主要破坏形式。Superpave规范采用指标|G*|/sin 区分不同沥青特别是改性沥青高温表现的差异;结合料重复蠕变回复试验(RCRB)能给出准确的结果,但对试验设备要求较高。文中介绍了一个新指标|G*|/ 1-1/(tan sin ) ,它在评价沥青结合料高温性能方面具有很多优点。关键词:公路;沥青结合料;高温性能;流变学中图分类号:U414.7 文

2、献标识码:A 文章编号:1671-2668(2006)01-0082-02车辙变形是当前世界上热拌沥青砼路面高温病害的主要破坏形式,其产生与热拌沥青混合料的粘弹性质有关。由于交通荷载的重复作用,沥青混合料再次固结产生塑性变形积累,在路面上形成车辙。而混合料的粘弹性变形问题可用蠕变的基本原理来解决,蠕变试验是目前普遍接受的测定热拌沥青混合料潜在永久变形性质的基本方法。虽然软弱的下承层也很可能促使车辙的形成,但大量的研究发现,绝大部分路面车辙还是由于热拌沥青混合料面层的永久变形形成的。这除了与沥青混合料本身的性质有关外,还与交通量、行车的轮胎压力和轴载有较大关系。在评价沥青结合料高温性能方面比较有

3、影响的主要有Superpave规范中的|G*|/sin 指标、ZSV指标以及利用与沥青流变学关系密切的G和 通过试验和推算产生的新指标等。*仪(DSR)上,先对结合料施加1s的蠕变荷载,荷载大小为0.3kPa,然后释放荷载,让结合料自由回复9s,此为一个蠕变回复循环,如此做100个循环即完成重复蠕变回复试验。美国学者通过对在相同温度下利用重复蠕变回复试验对3种结合料进行试验,对其累积变形结果进行比较,发现弹性结合料的累积变形最小,氧化后的结合料的累积变形最大。很明显,弹性体结合料具有较强的应变恢复能力,而氧化后的结合料不具有这么强的能力。但是Superpave规范采用的指标|G*|/sin 区

4、分不出它们之间上述表现的差异,RCRB试验却可以区分。虽然RCRB试验给出了较准确的结果,但是它所测得的数据的重现性以及对试验设备的要求也引起了广泛关注。这项试验需要在应力控制型流变仪上进行,而在应变控制型流变仪上不行。这对那些没有应力控制型流变仪的单位来说,无疑是增加了一项开支。于是,又出现了一项可以替代的更加简便易行的试验方法,而且这种方法可以得到与RCRB试验相同的试验结论。2001年,Shenoy在RCRB试验中发现,结合料的不可恢复变形可以利用从动态剪切流变仪(DSR)的频率扫描试验中得到的数据推算出来,并且She noy:100 01-(1) unr=*tan sin|G|从式(1

5、)中可以看出,要使不可恢复应变(永久应变)达到最小,则必须使|G|/ 1-1/(tan sin ) 达到最大:,*|/()*1 评价方法和指标的分析Superpave规范中根据流变学理论定义了损失柔量J!,用由损失柔量J!直接得到的|G|/sin 作为测量沥青对车辙抵抗力的指标。但是研究发现,这个指标对非改性沥青具有很好的效果,而对于聚合物改性沥青,它不能对沥青的抗车辙能力作出正确的预测。且加速加载试验的现场数据也证明了这个指标不能区分不同沥青结合料高温性能之间的差异。因此,对路用沥青的抗车辙能力的分级成为一个亟待解决的问题。为了评价结合料中永久累积变形的速率,Bahia在1999年提出了一个

6、可行的方法:结合料重复蠕变(*总第112期 Highways&AutomotiveApplications 作为Superpave规范对沥青性能分级的改进指标。Rowe等(2002年)建议用零剪切粘度(ZSV)作为沥青高温性能的规范性指标。虽然ZSV评价沥青高温性能方面有一定的优越性,但是也有很多原因使它不能作为规范性指标。首先,其应用中没有显示特别突出的优越性。通过比较由软件计算出的ZSV值和通过加速加载试验测得的实际变形之间的关系,发现ZSV并没有表现出比Superpave规范试验温度/585852645852705870应变超过10%的加载次数公 路 与 汽 运83的|G*|/sin 指

7、标更好的特点,也没有Shenoy提出的|G*|/ 1-1/(tan sin ) 指标好。沥青结合料的零剪切粘度、|G|/sin 、|G|/ 1-1/(tan sin ) 与加速加载试验数据见表1。通过比较计算数据和实测结果的相关性,发现在相近的相关系数下,|G*|/ 1-1/(tan sin ) 指标表现出最好的相关关系,接下来是ZSV,最后是|G|/sin 。|G*|/sin|G*|/ 1-1/(tan sin )/Pa*表1 沥青结合料各高温评价指标比较表结合料AC5AC10AC20styrelfNovophalt其次,|G*|/ 1-1/(tan sin ) 指标比ZSV指标具有更多的优

8、点。要测出准确的ZSV值需要等到试验达到稳定状态,这就需要较长的时间,特别是聚合物改性沥青,要达到稳定状态可能需要十几个小时,这样既浪费时间又增加了难度。而|G*|/ 1-1/(tan sin ) 指标很容易测得,精度也比ZSV高得多。而且在|G|/ 1-1/(tan sin ) 指标中有表征沥青材料弹性性质的指标 ,与沥青材料的粘弹性联系紧密。相比之下,ZSV只是单纯从沥青材料的粘度性质出发,而且增加了粘度测定难度。另外,|G|/ 1-1/(tan sin ) 指标对弹性行为具有更高的敏感性,所以能够更精确地描述沥青结合料特别是聚合物改性沥青的不可恢复应变。但是|G|/ 1-1/(tan s

9、in ) 指标也有不足之处,它不能反应相同等级沥青在高温时不同的表现。但是进一步的研究也发现,利用|G*|/ 1-1/(tan sin ) 与频率!曲线,可以反应出相同等级沥青在流变学行为上的差异,这一结论还需更多试验数据进行验证。*蠕变回复试验能够比较准确地评价沥青结合料的高温性能。2)与其他指标相比,Shenoy提出的基于流变学的|G|/ 1-1/(tan sin ) 指标具有试验方便、精度高、敏感性好等优点,但是其实用性还需进一步试验验证。3)沥青混合料最常用的评价高温性能的指标是动稳定度,|G|/ 1-1/(tan sin ) 只能较好地评价沥青结合料的高温性能,它和动稳定度之间的关系还需进一步研究。参考文献:1 杨挺青.粘弹性力学M.武汉:华中理工大学出版社,1990.tionofmodifiedasphaltbindersinsuperpavemixde signJ.Press,2001.3 AroonShenoy.Hightemperatureperformancegradingofasphaltst