基于针入度等级与PG等级的改性沥青性能评价指标相关性研究
本文通过对制备的天然岩沥青(BRA)改性沥青进行针入度等级和PG性能等级双技术指标体系的试验研究,实测了各相关技术指标,采用线性回归数理统计方法建立了数学模型,并对高温性能指标、低温性能指标、感温性能指标的路用性能相关性进行了计算分析,确定了各评价指标之间的直接相关性系数。
1 高温性能指标
针入度等级评价指标体系中,反映沥青高温性能的指标有针入度、软化点、当量软化点、动力黏度等;PG性能等级评价指标体系中,沥青高温性能主要采用车辙因子G*/sinδ作为评价指标。天然岩沥青改性沥青针入度等级高温性能评价指标与PG性能等级高温性能评价指标间关系如图1所示。
由图1可知:25℃针入度、软化点TR&B、当量软化点T800与SHRP高温性能评价指标车辙因子G*/sinδ相关性系数R2均在0.85以上,指标间有良好的线性相关性,这表明它们都是天然岩沥青改性沥青高温性能的有效评价指标。
2 低温性能指标
针入度等级评价指标体系中反映沥青低温性能的指标主要有低温延度、脆点、当量脆点、黏韧性、最大拉力值、拉伸柔量等;PG性能等级评价指标体系主要采用蠕变劲度S和蠕变速率m值来评价沥青低温性能。
图1 25℃针入度、软化点TR&B、当量软化点T800与车辙因子G*/sinδ的相关性
Fig.1 The relationship between 25℃penetration,softening point TR&B,equivalent softening point T800and rutting factor G*/sinδ
测力延度试验结果表明:不同掺量的天然岩沥青改性沥青低温延度值均很小,区分性不大,且试验时会清晰地听到沥青被拉断时的崩断声,单一的低温延度指标并不能客观评价天然岩沥青改性沥青的低温性能。这是由于其中的矿物质导致沥青内部产生许多不连续点且纯沥青又使得沥青油分含量相对减少,沥青低温劲度增大而造成。测力延度试验是基于力与变形的评价方法,能客观描述天然岩沥青掺入前后低温性能的变化,黏韧性指标主要适用于评价聚合物改性沥青,而本文采用的拉伸柔量f/L克服了低温延度的缺陷,集拉力与变形两方面于一体,能直观描述天然岩沥青改性剂对基质沥青改性时带来的沥青内部劲度的变化特征,客观评价天然岩沥青改性沥青的低温性能。天然岩沥青改性沥青针入度等级低温性能评价指标与PG性能等级低温性能评价指标间关系如图2～5所示。
由图2～5可知:拉伸柔量f/L、当量脆点T1.2与沥青SHRP低温性能评价指标蠕变劲度S、蠕变速率m值间相关性系数R2均在0.8以上,各技术指标间具有良好的线性相关性,这表明它们都是天然岩沥青改性沥青低温性能的有效评价指标。
图2 拉伸柔量f/L与蠕变劲度S关系
Fig.2 The relationship between tensile flexibility f/L and creep stiffness S
图4 当量脆点T1.2与蠕变劲度S关系
Fig.4 The relationship between equivalent breaking point T1.2and creep stiffness S
3 感温性能指标
3.1 传统针入度指数PI
沥青的感温性是指沥青在热量的作用下对温度变化的敏感程度,它对沥青的路用性能有重要影响。优质的沥青材料在夏季高温季节不致过分软化,而保持足够的黏滞性;在寒冷的冬季又能收缩自如,具有足够的柔韧性。
针入度等级评价体系中主要采用针入度指数PI评价沥青的感温性能。因为PI是基于沥青15～30℃常温条件下的针入度试验经线性回归计算得到,所以PI只能反映沥青在常温状态下对温度变化的敏感性,而对于沥青流变性能影响巨大的中、高温区间和低温区间PI便失去意义。
3.2 中、高温敏感指数ATI与低温敏感指数STI
PG性能分级指标体系中的复数剪切模量G*和相位角δ是表征沥青弹性和黏性的本质指标。以Asphalt的首字母“A”代表沥青在中、高温条件下整体的弹性分量G*·cosδ和黏性分量G*·sinδ的总和,即A=G*·cosδ+G*·sinδ。A随温度的变化确切反映了沥青在中、高温区间的感温性能;基于流变学原理的沥青低温蠕变劲度S的变化能确切反映沥青在低温区间的温度敏感性。
以温度T为横坐标,分别以沥青弹性分量和黏性分量总和的对数lg A及沥青低温蠕变劲度的对数lg S为纵坐标进行线性方程回归分析,如式(1)和式(2)所示,lg A,lg S与T之间都具有良好的线性关系,如图6所示。不同掺量的天然岩沥青改性沥青中、高温敏感指数ATI和低温敏感指数STI如表1,2所示。
式中:ATI为沥青中、高温敏感指数;A为沥青弹性分量和黏性分量总和;T为DSR试验温度;C1为回归常数;STI为沥青低温敏感指数;S为沥青蠕变劲度;T为BBR试验温度;C2为回归常数。
由表1,2和图6可知:
1)随着天然岩沥青改性剂掺量的增加,沥青的中、高温敏感指数ATI从-0.063 9提高到-0.046,低温敏感指数STI从-0.082 7提高到-0.043 5,ATI和STI的绝对值均呈现减小趋势,即回归直线的斜率逐渐减小,直线趋于平缓,沥青的温度敏感性减弱。
2)A,S具有明确的物理意义,能准确反映沥青中、高温及低温状态下的温度敏感性。不同掺量天然岩沥青改性沥青的lg A,lg S与T间相关系数均在0.96以上,线性相关性良好,这表明ATI是天然岩沥青改性沥青中、高温区间感温性能的有效评价指标,STI是其低温区间感温性能有效评价指标。
图6 不同掺量天然岩沥青改性沥青lg A,lg S与T关系
Fig.6 The relationship between T and natural rock asphalt modified asphalt with different dosage lg A,lg S
4 结语
1)25℃针入度、软化点TR&B、当量软化点T800与SHRP高温性能评价指标车辙因子G*/sinδ相关性系数R2均在0.85以上,各技术指标间有良好的线性相关性,它们都是天然岩沥青改性沥青高温性能的有效评价指标。
2)拉伸柔量f/L、当量脆点T1.2与沥青SHRP低温性能评价指标蠕变劲度S、蠕变速率m值间相关性系数R2均在0.8以上,各技术指标间具有良好的线性相关性,它们都是天然岩沥青改性沥青低温性能的有效评价指标。
3)针入度指数PI只能评价沥青在常温状态下的感温性能,而针对沥青流变性能影响巨大的中、高温区间和低温区间PI便失去意义。
表1 天然岩沥青改性沥青的中、高温敏感指数ATI
Table 1 Medium and high temperature sensitivity index ATI of natural rock asphalt modified asphalt 
表2 天然岩沥青改性沥青的低温敏感指数STI
Table 2 Low temperature sensitivity index STI of natural rock asphalt modified asphalt
4)随着天然岩沥青改性剂掺量的增加,中、高温敏感指数ATI从-0.063 9提高到-0.046,低温敏感指数STI从-0.082 7提高到-0.043 5,ATI和STI的绝对值均呈现减小趋势,回归直线的斜率逐渐减小,直线趋于平缓,沥青的温度敏感性减弱。
5)A,S具有明确的物理意义,克服了针入度指数PI的不足,能准确反映沥青中、高温和低温状态下的温度敏感程度。不同掺量天然岩沥青改性沥青的lg A,lg S与T间相关系数均在0.96以上,线性相关性良好,ATI是中、高温区间感温性能的有效评价指标,STI是低温区间感温性能有效评价指标。
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