生物瀝青、巖瀝青及復(fù)合改性瀝青常規(guī)性能與流變性能的相關(guān)性

曾夢(mèng)瀾　夏穎林　祝文強(qiáng)　周杰

摘? ?要：為探討生物瀝青改性瀝青和巖瀝青改性瀝青及其復(fù)合改性瀝青常規(guī)性能和流變性能的相關(guān)性，對(duì)不同摻量的3種改性瀝青進(jìn)行常規(guī)使用性能和流變性能試驗(yàn)，并從高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍和感溫性能等方面進(jìn)行相關(guān)性分析. 試驗(yàn)結(jié)果與分析表明：3種改性瀝青的軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)之間相關(guān)性較好，且當(dāng)量軟化點(diǎn)與高溫連續(xù)分級(jí)溫度呈顯著線性相關(guān);生物瀝青改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)與低溫連續(xù)分級(jí)溫度呈線性相關(guān)，另外兩種改性瀝青則為復(fù)雜拋物線關(guān)系，應(yīng)結(jié)合兩種性能指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)瀝青低溫性能;3種改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)與當(dāng)量脆點(diǎn)之差和高低溫連續(xù)分級(jí)溫度之差之間呈顯著線性相關(guān)，對(duì)瀝青可使用溫度范圍的評(píng)價(jià)具有一致性;3種改性瀝青的針入度指數(shù)和復(fù)數(shù)模量指數(shù)之間相關(guān)性較好，對(duì)感溫性能的評(píng)價(jià)具有一致性. 可以通過(guò)常規(guī)性能指標(biāo)來(lái)合理預(yù)估流變性能.

關(guān)鍵詞：生物瀝青;巖瀝青;使用性能;相關(guān)性

中圖分類號(hào)：U416.217? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Correlation between Conventional Performance and Rheological

Performance of Bio-asphalt， Rock Asphalt and Composite Modified Asphalt

ZENG Menglan，XIA Yinglin，ZHU Wenqiang，ZHOU Jie

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：In order to explore the correlation of the evaluation index between the conventional and rheological performance of bio-asphalt modified asphalt， rock asphalt modifier asphalt and its composite modified asphalt binder， the conventional and rheological properties of three kinds of modified asphalts were tested. The correlation analysis was conducted from the aspects of high temperature property， low temperature property， service temperature range and temperature susceptibility. The test results and analyses indicate that the correlation between the softening point and the equivalent softening point of the three kinds of modified asphalt is conspicuous， and the equivalent softening point has a significant linear correlation with the high continuous grading temperature. The linear correlativity between the bio-asphalt modified asphalt's equivalent breaking point and low continuous grading temperature of bio-asphalt modified asphalt is prominent， while the other two kinds of modified asphalts show complex parabola relation. It is necessary to evaluate the low temperature performance of asphalt comprehensively by combining these two indexes. The difference between the equivalent softening point and equivalent breaking point has a significant linear correlation with that between high continuous grading temperature minus and low continuous grading temperature， and the evaluation of service temperature range of asphalt is consistent. The correlation between penetration index and complex modulus index of three kinds of modified asphalts is noteworthy， and the evaluation of temperature susceptibility performance is consistent. The rheological performance can be estimated reasonably through the conventional performance index.

Key words： bio-asphalt;rock asphalt;performance;correlation

在我國(guó)瀝青路面的發(fā)展進(jìn)程中，通過(guò)不斷自我摸索和吸收借鑒國(guó)外性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，形成了以針入度為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)體系，并綜合考慮了道路實(shí)際工作中氣候分區(qū)情況和瀝青對(duì)溫度的敏感程度[1]. 然而，作為經(jīng)驗(yàn)型評(píng)價(jià)體系，存在以下缺陷：1）未考慮長(zhǎng)期老化，試驗(yàn)溫度區(qū)間狹窄，與實(shí)際道路工作環(huán)境不符;2）試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，精度不高;3）同一針入度等級(jí)的瀝青在使用性能方面可能存在巨大差異;4）大部分經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)物理意義模糊，難以與瀝青具體使用性能明確相關(guān)[2-4]. 另一方面，基于瀝青流變性能提出的PG（Performance Grade）性能分級(jí)體系則具有切合瀝青實(shí)際工作環(huán)境、精度高、各指標(biāo)與使用性能直接相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，但試驗(yàn)儀器價(jià)格高，實(shí)際推廣難度較大.

瀝青的常規(guī)性能與流變性能均為材料性能，二者之間應(yīng)存在某一聯(lián)系. 若可用瀝青常規(guī)性能來(lái)預(yù)估流變性能，則能在節(jié)省大量人力物力的同時(shí)，通過(guò)結(jié)合兩種指標(biāo)提升瀝青評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性. 但瀝青為粘彈性材料，流變性能相當(dāng)復(fù)雜，其變形兼有彈性體瞬時(shí)響應(yīng)的可恢復(fù)變形和粘性流體耗散能量的永久變形[5]. 此外，受瀝青品種、制備工藝、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多種因素影響，難以建立完全統(tǒng)一的常規(guī)性能與流變性能的相關(guān)性.

生物瀝青為新型綠色可再生材料，具有來(lái)源廣泛、原材料儲(chǔ)備豐富、環(huán)?？稍偕蛢r(jià)格低廉等顯著優(yōu)勢(shì). 采用其替代石油瀝青能緩解石油資源逐步枯竭的趨勢(shì)，同時(shí)降低道路成本，但摻入過(guò)量的生物瀝青會(huì)顯著降低瀝青高溫性能[6].如何推廣使用生物瀝青受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注. 巖瀝青為天然瀝青，常作為改性劑摻入基質(zhì)瀝青中，改性技術(shù)較為成熟，能顯著提高瀝青高溫性能、水穩(wěn)性能和抗老化性能，國(guó)內(nèi)外均已有研究應(yīng)用[7]. 在生物瀝青改性瀝青中摻入巖瀝青能提升瀝青高溫性能，降低生物瀝青的不利影響，從而大幅提高生物瀝青摻量.

本研究通過(guò)對(duì)給定的生物瀝青、巖瀝青及復(fù)合改性瀝青進(jìn)行常規(guī)使用性能試驗(yàn)和流變性能試驗(yàn)，從高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍和感溫性能等方面綜合探討了3種改性瀝青的常規(guī)使用性能指標(biāo)和流變性能指標(biāo)的相關(guān)性，為建立瀝青常規(guī)性能與流變性能統(tǒng)一關(guān)系提供參考依據(jù)，并為應(yīng)用生物瀝青、巖瀝青及復(fù)合改性瀝青奠定基礎(chǔ).

1? ?試驗(yàn)材料

1.1? ?原材料

本研究中生物瀝青為蓖麻油生物瀝青，由蓖麻子提煉蓖麻油后剩余腳料加工而成，在常溫下呈固態(tài)，色澤暗淡，外觀與普通瀝青相似. 巖瀝青為產(chǎn)于歐洲巴爾干半島的天然巖瀝青，經(jīng)破碎處理后呈黑色顆粒狀. 生物瀝青和巖瀝青的技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1和表2.

其中，生物瀝青改性瀝青采用50號(hào)基質(zhì)瀝青，巖瀝青改性瀝青和復(fù)合改性瀝青采用70號(hào)基質(zhì)瀝青. 兩種基質(zhì)瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]見(jiàn)表3.

1.2? ?改性瀝青的制備

將一定比例的生物瀝青直接摻入到50號(hào)基質(zhì)瀝青中，在105 ℃條件下以1 500 r/min轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，即可制得生物瀝青占瀝青總量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%的生物瀝青改性瀝青. 將巖瀝青與70號(hào)基質(zhì)瀝青按比例混合并在烘箱中發(fā)育一段時(shí)間后，在150～160 ℃條件下以3 000 r/min轉(zhuǎn)速剪切均勻后，即可制得巖瀝青占瀝青總量分別為0%、5%、10%、15%、20%和25%的巖瀝青改性瀝青. 復(fù)合改性瀝青則是先將巖瀝青摻入到70號(hào)基質(zhì)瀝青中，在160 ℃條件下攪拌均勻并剪切發(fā)育后，再摻入生物瀝青在145 ℃的條件下以1 500 r/min轉(zhuǎn)速剪切均勻后制得.

針入度作為我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中瀝青性能評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)，可以直觀反映瀝青粘稠度的大小[9]，故通過(guò)保證不同摻量的復(fù)合改性瀝青25 ℃針入度基本一致，即復(fù)合改性瀝青標(biāo)號(hào)不變，從而確定復(fù)合改性劑摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%和50%的復(fù)合改性瀝青中生物瀝青和巖瀝青各自所占比例. 摻配比例見(jiàn)表4.

另外，按與改性瀝青相同的制備工序?qū)|(zhì)瀝青進(jìn)行處理，獲得對(duì)比用零摻量試樣.

2? ?實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與性能指標(biāo)

2.1? ?改性瀝青的性能試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，分別進(jìn)行瀝青針入度、軟化點(diǎn)、彎曲蠕變勁度和流變性質(zhì)試驗(yàn)[8]. 按照試驗(yàn)規(guī)程T0604—2011進(jìn)行針入度試驗(yàn);按照試驗(yàn)規(guī)程T0606—2011進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn);按照試驗(yàn)規(guī)程T06027—2011進(jìn)行彎曲蠕變勁度試驗(yàn);按照試驗(yàn)規(guī)程T06028—2011進(jìn)行流變性質(zhì)試驗(yàn).

2.2? ?常規(guī)性能指標(biāo)

由于我國(guó)瀝青蠟含量普遍偏高，軟化點(diǎn)難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青高溫性能，故采用當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2作為常規(guī)性能指標(biāo). T800為針入度外延至800（0.1 mm）時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，T1.2則為針入度外延至1.2（0.1 mm）時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度.

另外，根據(jù)不同溫度下瀝青的針入度值，按式（1）和式（2）回歸計(jì)算得到PI值.

式中：T為針入度試驗(yàn)溫度，℃;lgP為針入度的對(duì)數(shù);K為回歸方程常數(shù)項(xiàng)a;Alg Pen為回歸方程常數(shù)

項(xiàng)b.

2.3? ?流變性能指標(biāo)

基于瀝青流變性能提出的瀝青PG性能分級(jí)體系以高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT和低溫連續(xù)分級(jí)溫度LT來(lái)直觀反映瀝青在道路合理服務(wù)的溫度上限值和下限值[10-11]. 其中，按式（3）計(jì)算RTFO老化前后瀝青的車轍因子G*/sin δ所對(duì)應(yīng)的分級(jí)溫度，取溫度較低值作為HT;按式（3）和式（4）分別計(jì)算在低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)中，PAV老化后瀝青的蠕變勁度S和勁度變化率m值各自對(duì)應(yīng)的分級(jí)溫度，取溫度較高值作為L(zhǎng)T[12-13].

式中：TC為連續(xù)分級(jí)溫度，℃;T1、T2為試驗(yàn)溫度，且T2比T1高6 ℃;PS，原狀瀝青PS = 1.0，RTFO老化瀝青PS = 2.2，S對(duì)應(yīng)的PS = 300，m對(duì)應(yīng)的PS = 0.3;P1、P2分別為試驗(yàn)溫度T1、T2所對(duì)應(yīng)的不同指標(biāo)值.

3? ?試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1? ?高溫性能相關(guān)性分析

軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)T800是我國(guó)瀝青高溫性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo). 對(duì)3種改性瀝青的軟化點(diǎn)與T800分別進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖1所示. 生物瀝青改性瀝青和巖瀝青改性瀝青的軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)均呈明顯的正相關(guān)，線性相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到了0.993 9和0.982 6. 復(fù)合改性瀝青的相關(guān)性相對(duì)較低，相關(guān)系數(shù)R2為0.759 2，這主要是由于復(fù)合改性劑的摻量較大，軟化點(diǎn)的增長(zhǎng)速度略大于T800的增長(zhǎng)速度，軟化點(diǎn)和T800準(zhǔn)確度不夠，不適用于高摻量的改性瀝青.

通常軟化點(diǎn)越高的瀝青，當(dāng)量軟化點(diǎn)和PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度也越高，高溫性能越好. 對(duì)3種改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖2所示. 3種改性瀝青的HT均隨著T800的增大而有不同幅度的提升，生物瀝青、巖瀝青和復(fù)合改性瀝青的T800與HT的相關(guān)系數(shù)R2分別高達(dá)0.995 1、0.987 6和0.960 7，這表明3種改性瀝青的常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)T800與流變性能指標(biāo)HT呈顯著線性相關(guān). 另外，軟化點(diǎn)與T800也具有一定的相關(guān)性，表明軟化點(diǎn)、T800和HT對(duì)3種改性瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)基本一致，可以通過(guò)軟化點(diǎn)和T800來(lái)合理預(yù)估PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT.

3.2? ?低溫性能相關(guān)性分析

我國(guó)目前通常采用延度指標(biāo)并結(jié)合當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2對(duì)瀝青的低溫性能進(jìn)行分析. 由于生物瀝青和巖瀝青均含較多雜質(zhì)，在瀝青拉伸過(guò)程中易造成應(yīng)力集中，影響延度試驗(yàn)結(jié)果[14-15]，故本研究采用當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2與PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度LT進(jìn)行相關(guān)性分析. 當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2和LT的相關(guān)性分析見(jiàn)圖3.

由圖3可知，隨著當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2的增大，生物瀝青改性瀝青和巖瀝青改性瀝青的PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度LT均有不同幅度的增大，復(fù)合改性瀝青則呈先減小后增大的趨勢(shì). 其中，生物瀝青改性瀝青的T1.2與LT之間呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.981 6，巖瀝青改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的T1.2與LT則呈二次相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.992和0.974 1. 表明T1.2和LT對(duì)生物瀝青改性瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)具有一致性，可以通過(guò)當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2來(lái)預(yù)估生物瀝青改性瀝青的PG低溫連續(xù)分級(jí)溫度LT. 而巖瀝青改性瀝青的T1.2變化速度大于LT的變化速度，復(fù)合改性瀝青的T1.2與LT則為更復(fù)雜的拋物線關(guān)系，難以建立統(tǒng)一的線性模型. 對(duì)巖瀝青改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的低溫性能，應(yīng)結(jié)合常規(guī)性能和流變性能指標(biāo)，并參考瀝青混合料相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)綜合評(píng)價(jià).

3.3? ?可使用溫度范圍相關(guān)性分析

瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)T800與當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2之差T800-T1.2與PG高低溫連續(xù)分級(jí)溫度之差HT-LT類似，均表示瀝青的可使用溫度范圍，即實(shí)際道路中瀝青能正常工作的溫度的上下限差值. 對(duì)3種改性瀝青的溫差T800-T1.2與HT-LT進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示. 由圖4可知，3種改性瀝青的溫差T800-

T1.2與HT-LT呈正相關(guān)，溫差HT-LT隨著T800-T1.2的增大而增大. 生物瀝青、巖瀝青和復(fù)合改性瀝青的溫差T800-T1.2與HT-LT擬合后的線性相關(guān)系數(shù)R2分別高達(dá)0.976 1、0.977 7和0.978 9. 表明盡管3種改性瀝青的T1.2與LT的相關(guān)性較復(fù)雜，但常規(guī)指標(biāo)溫差T800 - T1.2與流變指標(biāo)溫差HT-LT相關(guān)性顯著，均為線性相關(guān)模型，二者在表征瀝青可使用溫度范圍上基本一致.

3.4? ?感溫性能相關(guān)性分析

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中采用針入度指數(shù)PI值作為瀝青溫度敏感程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但PI值易受針入度試驗(yàn)精度的影響，且對(duì)有較寬使用溫度范圍的改性瀝青則準(zhǔn)確度不夠. PG性能分級(jí)評(píng)價(jià)體系則采用復(fù)數(shù)剪切模量指數(shù)GTS值[16]，GTS值按式（5）由復(fù)數(shù)剪切模量G*與溫度相關(guān)性計(jì)算得到.

式中：G*為復(fù)數(shù)剪切模量，Pa;T為試驗(yàn)溫度（絕對(duì)溫度），K;C為常數(shù);GTS為復(fù)數(shù)模量指數(shù).

復(fù)數(shù)剪切模量G*精度高，是瀝青材料內(nèi)在力學(xué)性質(zhì)的定量指標(biāo)，因而得到的GTS值精確，更能合理評(píng)價(jià)改性瀝青的感溫性能. 通常PI值越大的瀝青，GTS值也越大，感溫性能越好. 對(duì)PI值和GTS值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖5.

由圖5可知，3種改性瀝青的PI值和GTS值呈正相關(guān)，GTS值隨著PI值的增大而增大. 生物瀝青改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的PI值和GTS值為線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.980 5和0.972 2，巖瀝青改性瀝青則呈二次相關(guān)，PI值增大速度略大于GTS值增大速度，相關(guān)系數(shù)R2為0.939 9. 表明瀝青常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)PI值和流變性能指標(biāo)GTS值對(duì)3種改性瀝青感溫性能的評(píng)價(jià)具有一致性.

4? ?結(jié)? ?論

本研究分別以生物瀝青、巖瀝青及其復(fù)合改性瀝青作為改性劑，制備了不同摻量的3種改性瀝青. 采用不同試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系測(cè)試了高溫性能、低溫性能、可使用溫度范圍和感溫性能，分析確立了3種改性瀝青的常規(guī)性能與流變性能的相關(guān)性. 結(jié)論如下：

1）3種改性瀝青各常規(guī)性能與流變性能的回歸方程均不一樣，表明難以建立完全統(tǒng)一的回歸方程. 但對(duì)于同一品種的瀝青，其常規(guī)性能與流變性能存在顯著相關(guān)性.

2）軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT對(duì)3種改性瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)基本一致，可以通過(guò)常規(guī)性能指標(biāo)軟化點(diǎn)和T800來(lái)預(yù)估流變指標(biāo)PG高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT.

3）生物瀝青改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2和PG低

溫連續(xù)分級(jí)溫度LT呈顯著線性相關(guān)，但巖瀝青改性瀝青和復(fù)合改性瀝青為二次相關(guān). 表明T1.2和LT相關(guān)性較復(fù)雜，對(duì)低溫性能評(píng)價(jià)不完全一致，應(yīng)結(jié)合兩種指標(biāo)并參考混合料相關(guān)試驗(yàn)來(lái)綜合評(píng)價(jià)瀝青低溫性能.

4）3種瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)與當(dāng)量脆點(diǎn)之差和PG高低溫連續(xù)分級(jí)溫度之差之間線性擬合較好，采用針入度常規(guī)評(píng)價(jià)體系和流變?cè)u(píng)價(jià)體系均能合理描述3種改性瀝青的可使用溫度范圍.

5）3種改性瀝青的針入度指數(shù)PI值和復(fù)數(shù)剪切模量指數(shù)GTS值之間相關(guān)性較好，常規(guī)指標(biāo)和流變指標(biāo)對(duì)瀝青感溫性能的評(píng)價(jià)基本一致.

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