沥青布氏粘度与动力粘度换算关系(高模量改性沥青低温性能多指标评价研究)

Posted 2023-05-31

篇首语：四方食事，不过一碗人间烟火。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了沥青布氏粘度与动力粘度换算关系(高模量改性沥青低温性能多指标评价研究)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

沥青布氏粘度与动力粘度换算关系(高模量改性沥青低温性能多指标评价研究)

黄琪 刘安 严二虎

华北水利水电大学土木与交通学院 交通运输部公路科学研究院

摘 要：为准确评价高模量改性沥青的低温性能，选取了有代表性的3种高模量剂以不同掺量进行高模量改性沥青的制备，通过傅里叶红外光谱试验研究了高模量剂对沥青的改性机理，并在-12℃下开展了样品压力老化下的BBR试验，得到各高模量改性沥青的劲度模量S、蠕变速率m等低温参数。利用Burgers模型分别对3种高模量改性沥青蠕变柔量曲线进行拟合，通过劲度模量S、蠕变速率m以及Burgers模型参数构建了低温评价指标，即k指标、黏性流动参数η1和综合柔量参数JC,并分别与混合料的最大弯拉应变进行相关性分析。结果表明：k指标、η1和JC相对S和m值，综合考虑了沥青的应力松弛能力和变形能力，且与混合料的最大弯拉应变具有显著相关性，能够更加科学准确地对高模量改性沥青的低温性能进行评价。不同高模量改性沥青所表现的低温性能也不尽相同，进行多指标评价研究，能在一定程度上为工程应用提供理论参考。

关键词：道路工程;多指标评价;BBR试验;高模量改性沥青;Burgers模型;低温性能;

基金：河南省高校重点科研项目，项目编号21A580005;

近年来，由于车辆超载、渠化交通等的影响，车辙成为了沥青路面的主要病害之一。而大量试验结果显示，在重载和超载的作用下，车辙的最大剪应力部分主要是在沥青路面的中面层[1,2]。为此，境内外学者通过在中面层采用高模量沥青，能显著减少沥青路面在行车荷载下的应变和不可恢复变形。且高模量沥青硬度大，能很大程度降低路面厚度，从而节省工程造价[3]。在高模量沥青表现出优异的抗车辙性能的同时，也要兼顾其低温性能。目前对高模量沥青低温性能的评价研究主要建立在基质沥青的基础上，而美国SHRP计划中的低温弯曲梁试验(BBR)是研究沥青低温性能最常见、最有效的方法之一。但BBR试验研究中低温性能主要是单指标评价，致使有时发生劲度模量S和蠕变速率m结果不一致的情况[4,5]。因此，本文将基于BBR试验，结合Burgers模型对3种高模量改性沥青进行多指标评价研究，为高模量改性沥青在我国低温地区的合理应用提供理论参考。

1 试验材料及试验方法

1.1试验材料

本文选取的是京博70号基质沥青。高模量改性剂为法国的PR、国产的BL和HC,每种高模量剂分别以3%、6%和9%的掺量加入到基质沥青中进行高模量改性沥青的制备。制备方法：利用高速剪切机进行剪切改性，使高模量剂能够均匀分散在沥青中，剪切时间为30 min,剪切速率为4 000 r/min,剪切温度为160℃[6,7]。

本文涉及到的高模量改性沥青代号为：70号沥青+PR、70号沥青+BL、70号沥青+HC(下同)。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对基质沥青进行基本性能指标测定，见表1。

表1 70号沥青技术指标

1.2傅里叶红外光谱分析试验

在石油沥青及聚合物化学结构分析中，红外吸收光谱法是最常见的方法之一。由于不同物质具有不同的分子结构，通过红外光的照射后，利用傅里叶变换红外光谱仪能够得到不同的谱图，从而对物质进行定性分析[8]。本试验选取PR高模量沥青，采用尼高力Is5傅里叶变换红外光谱仪对其进行FTIR分析，并以70号基质沥青作为对照，具体结果如图1所示。

图1 沥青红外光谱

对于沥青的红外光谱分析，一般将红外波段划分为1 300～600 cm-1的指纹区和4 000～1 300 cm-1的官能团区[9]。从图1可知，70号基质沥青和PR高模量沥青在指纹区最大吸收峰值均出现在1 400 cm-1左右处，在官能团区的吸收峰位置也基本一致，并且整个官能团区没有出现新的吸收峰，说明高模量剂掺入到70号基质沥青中，基本上未发生化学反应，属于物理共混。

1.3高模量改性沥青BBR试验

采用CANNON弯曲梁流变仪在-12℃下对70号基质沥青和PR、BL及HC等3种高模量改性沥青进行240 s的恒定加载试验，可得到第8 s、15 s、30 s、60 s、120 s及240 s时的劲度模量S及蠕变速率m。按照国际规范标准，以第60 s的S、m值作为沥青低温性能的评价指标[10,11]。为模拟沥青在道路服役过程中的氧化老化，对试验中制备的沥青样品均经过TFOT短期老化及PAV长期老化。其中短期老化时间为5 h, 老化温度为163℃;长期老化时间为20 h, 老化温度为100℃。试件的尺寸为长127.00 mm×高6.35 mm×宽12.70 mm。

试验时沥青小梁的应力σ0、应变ε(t)以及蠕变柔量按式(1)～式(3)计算：

σ0=3PL2bh3         (1)ε(t)=6hδ(t)L2         (2)J(t)=ε(t)σ0         (3)σ0=3ΡL2bh3         (1)ε(t)=6hδ(t)L2         (2)J(t)=ε(t)σ0         (3)

式中：b、h、L分别为小梁宽度、高度和长度，mm; P为施加的恒定荷载，N;δ(t)为跨中挠度，mm; J(t)为蠕变柔量，MPa-1。

1.4高模量沥青混合料小梁弯曲试验

采用SHIMADZU沥青混合料弯曲试验检测仪对3种高模量沥青混合料进行3点弯曲试验，以70号沥青混合料为对照组，试件尺寸为长250 mm×宽30 mm×高35 mm, 试验温度为-10℃,测定并记录最大弯拉应变值。

2 试验结果与讨论

2.1低温性能指标分析

2.1.1BBR试验指标

通过试验，得到3种高模量改性沥青在-12℃下S和m值的测试结果，如表2与图2所示。沥青的劲度模量S和蠕变速率m分别表征其低温时的变形性能和应力松弛能力，一般而言，劲度模量S越小，蠕变速率m越大，则沥青的低温性能越好[12]。由图2可知，3种高模量改性沥青的劲度模量和蠕变速率均小于基质沥青。即高模量剂的掺入，削弱了沥青的低温抗裂能力。分析高模量剂掺量对沥青低温性能的影响，单从劲度模量S或蠕变速率m评价存在一定的局限性。以图2中BL高模量沥青为例，随着BL掺量的增加，劲度模量S逐渐降低，而对应的蠕变速率应当是逐渐增加，但实际中却出现先增后减的趋势。这表明单一考虑变形能力或应力松弛能力评价高模量改性沥青的低温性能是片面的、不科学的。

表2 高模量改性沥青的BBR试验数据

图2 劲度模量S和蠕变速率m随高模量剂掺量的变化

2.1.2k指标

考虑到单一采取劲度模量S或蠕变速率m评价沥青低温性能时未能同时兼顾沥青的变形能力和应力松弛能力，谭忆秋等[13]综合S和m值构建了新指标k。其算式为：

k=Sm         (4)k=Sm         (4)

由式(4)可知，k值与劲度模量S值成正比，即k越小，沥青低温性能越好。通过k指标对高模量改性沥青进行低温性能评价，其结果如图3所示。从图3中趋势可知，PR、BL和HC等3种高模量剂的掺量分别在6%、9%和3%时，k指标最小，因此6%、9%和3%可作为3种高模量剂的推荐掺量。

图3 k指标随不同高模量剂掺量的变化

2.1.3基于Burgers模型的黏性参数η1

沥青是黏弹性材料。大量研究表明，Burgers模型可用来描述此类材料的力学行为。Burgers模型是由Maxwell模型与Kelvin模型串联组成的4元件模型[14,15],其本构方程通过一系列数学推演可得到蠕变柔量方程式：

J(t)=1E1+tη1+1E2(1−e−E2η2t)         (5)J(t)=1E1+tη1+1E2(1-e-E2η2t)         (5)

式中：J(t)为蠕变柔量；t为时间；E1、E2、η1、η2为模型参数。

以70号基质沥青和70号沥青+PR在-12℃下的蠕变数据为算例，结合Burgers蠕变方程，利用Origin非线性曲线拟合功能进行蠕变柔量曲线的拟合，结果如图4所示。研究者认为，Burgers模型4元参数中的黏性流动参数η1决定了沥青的变形能力，η1越小对应沥青的低温性能越好[16]。图5显示出，3种高模量剂的推荐掺量和k指标的结果一致。

图4 -12℃下蠕变柔量主曲线

图5η1在不同高模量剂掺量下的变化情况

2.1.4低温综合柔量参数JC

同时，Burgers蠕变方程又可以分为瞬时弹性部分JE、延迟弹性部分JDe和黏性部分JV等3个部分[17],即表示为：

J(t)=JE+JDe+JV         (6)J(t)=JE+JDe+JV         (6)

其中：JE=1E1JE=1E1;JDe=1E2(1−e−tE2η2)JDe=1E2(1-e-tE2η2);JV=tη1JV=tη1。

而综合柔量参数JC=1/[JV(1−JE+JDeJE+JDe+JV)]JC=1/[JV(1-JE+JDeJE+JDe+JV)]是利用Burgers模型中黏弹变形比例来综合评价沥青材料的低温性能[18]。在较低的温度下，沥青可通过其自身的黏性特性以流动的形式将应力松弛掉，从而减少低温开裂，因此JV所占比例越大或数值越大，综合柔量参数JC则越小，沥青所表现的低温性能越强[19]。图6为3种高模量剂在不同掺量下的低温综合柔量参数。分析可知，随着高模量剂的掺入，沥青的低温性能被削弱了。由JC对不同掺量下的高模量沥青低温性能进行对比可得，PR、BL和HC分别在6%、9%和3%时其低温性能最佳。

图6 -12℃下JC在不同高模量剂掺量下的变化

综上所述，相比劲度模量S和蠕变速率m,k指标、基于Burgers模型所衍生的低温性能评价指标黏性参数η1及综合柔量参数JC考虑了沥青的变形能力和应力松弛能力，能更加科学准确地评价高模量改性沥青的低温抗裂性能。通过上述多指标评价，PR、BL和HC等3种高模量剂的推荐掺量分别为6%、9%和3%。在推荐掺量下，3种高模量改性沥青的低温性能对比如图7所示，排序为70号基质沥青>70号沥青+HC>70号沥青+PR>70号沥青+BL。

图7 不同高模量改性沥青低温性能多指标评价

2.2高模量沥青混合料小梁弯曲试验验证

沥青混合料的低温性能主要由沥青的性质决定，因此本研究选用小梁弯曲试验作为高模量改性沥青低温评价指标的验证试验。沥青混合料级配为AC-20C,具体见表3。由马歇尔试验确定最佳油石比为4.5%,高模量剂掺量采用前述中的推荐掺量。

表3 AC-20C矿料级配

试验结果如表4和图8所示。小梁弯曲试验通常采用最大弯拉应变表征沥青混合料的低温抗裂性能。由图8可知，3种高模量沥青混合料的低温性能均劣于基质沥青，但均满足规范的最低要求(冬冷区-9.0～-21.5℃),排序为70号基质沥青>70号沥青+HC>70号沥青+PR>70号沥青+BL。这与前述中k指标、η1和JC评价高模量改性沥青低温性能排序结果一致，在一定程度上反映了上述评价指标的可行性。

表4 高模量沥青小梁弯曲试验结果

图8 高模量沥青混合料低温性能指标

2.3低温性能指标的相关性分析

图9给出了劲度模量S、蠕变速率m、k指标、黏性参数η1及综合柔量参数JC与小梁弯曲最大弯拉应变的相关性分析，其中S和m的相关系数均小于其他评价指标，说明k指标、η1及JC能更全面评价高模量改性沥青的低温抗裂性能，且物理意义明确。通过相关性分析，进一步论证了k指标、η1及JC评价高模量改性沥青低温性能的可行性、科学性。

图9 低温性能评价指标的相关性分析

3 结语

(1)劲度模量S和蠕变速率m由BBR试验直接得出，但在描述不同掺量下的高模量沥青低温性能变化趋势时，结果呈现出不一致，无法准确地评价高模量改性沥青的低温性能。

(2)相比S和m,k指标、η1及JC综合考虑了沥青在低温状态下的应力松弛能力和变形能力，且与混合料最大弯拉应变的相关系数R2在0.85以上，用以评价高模量改性沥青低温性能具备可行性。

(3)通过多指标评价与分析，PR、BL和HC等3种高模量剂的推荐掺量为6%、9%和3%;在推荐掺量下，通过混合料小梁弯曲试验的验证，3种高模量改性沥青的低温性能优劣排序为70号沥青+HC>70号沥青+PR>70号沥青+BL。

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