2022-09-14
 
沥青胶结料基本高温性能指标相关性研究
2022年09月14日   阅读量:20382

摘 要

高温稳定性是沥青胶结料重要技术要求之一。针入度、软化点、60℃动力黏度和针入度指数是工程中最为常用的高温性能评价指标。为探究这些高温性能指标的区分度和关联性,对34种源于不同工程的沥青胶结料进行检测,基于聚类分析法和灰色关联分析法对试验数据进行分析沥青网sinoasphalt.com。结果表明,60℃动力黏度指标相比针入度和软化点指标能够更有效地区分不同沥青胶结料的高温性能;70号基质沥青和高黏度改性沥青的60℃动力黏度与软化点关联度高,但SBS改性沥青60℃动力黏度与其他高温性能指标的关联度低;考虑到动力黏度能够客观表征流变特性,建议在实际工程中可将60℃动力黏度列为强制性指标。


关键词

沥青胶结料 | 高温性能 | 60℃动力黏度 | 聚类分析 | 灰色关联分析


沥青材料具有温度敏感性,尤其是在夏季高温条件下,因其抵抗高温变形能力不足而产生车辙变形,进而劣化路面的使用性能。因此,一直以来研究人员非常关注沥青胶结料高温性能的测试方法和表征指标。目前,国际上公认的沥青性能分级体系有针入度分级体系、黏度分级体系和PG(PeiformanceGrade)性能分级体系。其中,针入度作为一个经验性的稠度指标,在我国实际道路工程中广泛应用,但其并不能真正反映沥青的高温流变性能,与沥青混合料的高温稳定性关联度不高。黏度分级体系是由美国在20世纪70年代提出的,该体系考虑了原样和短期老化沥青在60℃下的动力黏度,但由于黏度分级体系没有涉及低温抗裂性能及长期服役性能的评价指标,导致实际工程中易产生开裂和车辙等病害。


20世纪80年代美国开展的战略性公路研究计划(StrategicHighwayResearchProgram,简称SHRP)制定了基于性能的沥青胶结料规范(Su­perior Peiforming Asphalt Pavement,简称Super­pave),考虑了气候分区、交通荷载及加载时间对沥青胶结料性能的影响,确定了沥青高温、低温和常温三个温度范围内的性能控制指标[1-3]。最初采用时间扫描的车辙因子(G*•sin&)作为高温性能的评价指标,近年来引入多应力重复蠕变试验(MSCR)的不可恢复蠕变柔量(Jnr)和蠕变恢复率(R%)作为评价指标[4-6]。欧洲标准化委员会(ComiteEuropeendeNormalisation,简称CEN)在沥青高温性能方面重点考虑针入度、软化点和60℃动力黏度,以及对应指标在短期老化后的表现。近年来集中研究零剪切黏度(Zero-shearviscosity,简称ZSV)作为高温性能指标。我国1994年发布的JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》提出了以针入度为关键性指标,在评价高温性能方面主要采用软化点、60℃动力黏度和135℃运动黏度作为参考指标。“八五”国家科技攻关课题“道路沥青及沥青混合料的路用性能“采用当量软化点T800代替软化点表征沥青高温性能,以针入度指数PI为最主要指标。2004年提出的沥青评价体系,对基质沥青以实测软化点为主要指标,以60℃动力黏度为选择性指标,而聚合物改性沥青以135℃运动黏度为选择性指标。很多研究者[7-9]对这些试验指标进行了相关性分析,认为实测软化点和60℃动力黏度与SHRP高温性能指标存在差异,后者与沥青混合料的高温性能指标相关性较高。然而,在实际材料检测工作中,受限于PG性能分级的专门设备,往往仍以沥青”三大指标”为主要试验进行检测和评价,尽管部分沥青的各项指标能够满足施工技术要求,但实际路用性能往往不尽如人意。这主要是由于常规指标之间差距较小、对聚合物改性沥青适用性差以及测试不可控因素多导致的。


事实上,相较于针入度和软化点这类经验性指标,60℃动力黏度表征了沥青内部抵抗流动的阻力大小,黏度大的沥青在荷载作用下能产生较小的剪切变形,理论上能反映夏季高温条件下路面的抗高温变形能力。此外,从微观层面而言,黏度大的沥青含有较多的沥青质和胶质,具有较强的内聚力和黏附性。尽管60℃动力黏度作为一个推荐指标在沥青胶结料检测要求中出现,但是由于其测试过程较为复杂,时间久,并没有得到广泛的重视[10]。本研究基于实际工作经历,选取了34种不同来源的沥青胶结料作为研究对象,涵盖了我国公路工程常用的基质沥青和改性沥青,对其针入度、软化点、60℃动力黏度和针入度指数PI根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行了测试和数据分析,以说明60℃动力黏度的重要性及其与其他参数指标的关系。


试验材料与方法


为体现测试样本选择的多样性,本研究收集了实际公路工程中不同来源的34种沥青胶结料,根据出厂样品的检测报告,其中19种为基质沥青,15种为改性沥青,将其分别命名为JZ和GX。常规指标中针人度、软化点分别按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0604-2011、T0606-2011)进行标准测试并采集不同温度下的针入度计算针入度指数PI。


动力黏度测试方法


根据JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0620-2000)沥青动力黏度试验要求,试验温度为60℃,真空度为40kPa。首先将加热至流动状态的沥青注入真空减压毛细管黏度计中,使试样液面处千毛细管E标线±2mm之内并保证沥青不能粘在管壁上。在试验过程中,测量沥青胶结料在毛细管中连续通过一对标线的间隔时间,最终根据所用毛细管参数计算出沥青的动力黏度,如公式(1)所示,测试设备和测试样品如图1所示。

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数据分析


本研究采用聚类分析和灰色关联分析对沥青胶结料常规高温性能指标(针入度、软化点、针入度指数和60℃动力黏度)进行数据分析,以揭示指标间的关联性以及区别度。


聚类分析是通过数学方法将多个分类对象按照数据特征分成若干类。在分析过程中,首先将数据通过Z-Score方法进行标准化处理,即新数据为原数据减去均值后除以标准差的商;其次,采用欧式距离计算分类对象的间距,并利用类平均法建立聚类树形图;最后通过计算不一致系数确定最终的分类个数。


灰色关联分析法是基于灰关联理论对系统中各因素的相关程度进行量化的一种分析方法。采用灰关联理论分析沥青胶结料常规高温性能指标的相关性,受样本数量影响较小,计算方法较为成熟,量化结果与定性结果相一致。计算过程首先将沥青胶结料测试得到的60℃动力黏度作为参考数列,将针入度、软化点和针入度指数作为比较数列;其次,对参考数列和比较数列采用均质化方法进行无量纲处理;再次,采用式(2)和式(3)计算关联系数和关联度;最后,按照关联度的大小进行排序,确定参考数列与比较数列的相关性。

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结果发现


聚类分析


表1汇总了34种不同来源沥青胶结料的软化点、针入度、针入度指数PI和60℃黏度的测试数据。

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通过对上表数据进行基于欧式距离的聚类分析可得到如图2所示的聚类树形图。

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从图2中可以发现,34种被测沥青可根据常规高温性能指标分为三类,类型Ⅰ是基质沥青,类型Ⅱ和类型Ⅲ均为改性沥青,且类型Ⅲ比类型Ⅱ的黏度高。3种类型沥青的常规高温性能指标形成的箱型图,如图3所示。

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从图3中可以发现,3个类型沥青的高温性能具有显著差异。体现在:


a)从针入度的角度,类型Ⅰ沥青的针入度范围在60-70 1/10m之间,可认为是70#基质沥青,而类型Ⅱ和类型Ⅲ沥青的针入度范围在50-60 1/10m之间,相比类型Ⅰ沥青具有更大的稠度,类型Ⅲ沥青稠度略大于类型Ⅱ沥青;


b)从软化点来看,类型Ⅰ沥青远小于其他两种类型,但类型Ⅱ和类型Ⅲ沥青之间的差距不明显;


c)针入度指数作为感温性指标,针入度指数越大则说明沥青对温度越不敏感,从图中可以看出类型Ⅰ对温度的敏感程度大于其他两种沥青,一定程度上可以认为类型Ⅰ沥青的抵抗温度荷载性能较差,而类型Ⅱ和类型Ⅲ沥青的差异不明显;


d)60℃动力黏度反映了沥青在高温下抵抗流动变形的能力,从图3中可以看出类型Ⅰ沥青的60℃动力黏度仅为200Pa•s左右且相同类型的沥青差异不大,而类型Ⅲ沥青的60℃动力黏度大于类型Ⅱ沥青,远大于类型Ⅰ沥青,说明60℃动力黏度作为常规高温性能评价指标能够显著区别不同类型沥青(尤其是改性沥青)的高温性能。


通过对比3个类型沥青的常规高温性能评价指标可得到,从针入度、软化点和针入度指数指标考虑的高温性能排序为类型Ⅱ≈类型Ⅲ>类型Ⅰ,而从60℃动力黏度指标考虑的高温性能排序为类型Ⅲ>类型Ⅱ>类型Ⅰ。由此说明60℃动力黏度指标相比针入度和软化点指标具有更优异的沥青高温性能区分度。有研究人员曾对Su­perpave的车辙因子指标与常规高温性能指标的相关性进行了研究[11],发现不同指标与沥青高温性能的相关性大小排序为:60℃动力黏度>针入度指数>软化点>针入度,说明三大指标中的针入度和软化点不能很好地表征沥青的高温性能,而60℃动力黏度具有较好的表征效果。


灰关联分析


在聚类分析的基础上,针对3个类型沥青胶结料采用灰关联分析法,对针入度、软化点和针入度指数PI与60℃动力黏度指标进行分析。本研究选取沥青胶结料测试得到的60℃动力黏度作为参考数列,将针入度、软化点和针入度指数作为比较数列,量化分析沥青胶结料常规高温性能指标的关联度。表2汇总了软化点、针入度和针入度指数PI与60℃动力黏度的关联度计算结果。

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从表2中可以发现,不同类型沥青胶结料的60°C动力黏度指标与其他三个指标之间的关系不同。类型Ⅰ由70#基质沥青组成,60°C动力黏度与软化点的关联性最大,其次是针入度指数和针入度。此规律说明对于基质沥青而言,软化点和针入度指数均可很好地表征沥青胶结料的高温性能,并且与60°C动力黏度具有很强的一致性。根据沥青出厂样品的检测报告,类型Ⅱ主要是SBS改性沥青,尽管软化点指标仍然与60°C动力黏度具有最高的关联度,但这个关联度相比基质沥青较低,并且针入度和针入度指数与60°C动力黏度的关联度更低,由此说明SBS改性沥青作为一种高分子聚合物改性沥青,采用常规高温性能表征指标尤法准确区分不同改性沥青的高温性能,需要考虑车辙因子和不可恢复蠕变柔量等基于流变学的指标[12]。类型Ⅲ相比类型Ⅱ的特征在于其高黏度特征,从关联度计算结果来看,类型Ⅲ的60°C动力黏度与软化点和针入度指标均具有很强的关联度,而与针入度指数的关联度较差。由此说明,在评价高黏度改性沥青(60°C动力黏度接近0.3MPa•s)的高温性能时,可考虑采用60℃动力黏度、软化点以及针入度指标。


对于沥青这种黏弹性材料,基千经验的针入度和软化点测试方法一方面没有考虑材料应用的气候条件、地理位置等因素,均在标准条件下进行测试,另一方面测试结果与沥青路面性能是通过经验性关系建立的,没有很好的理论依据且与实际路面受力和破坏情况有较大差别,在表征沥青高温性能时具有局限性。而动力黏度指标作为流体内摩擦系数的客观表征,具有很强的理论基础,且在实践中与路面的实际高温性能有很强的关联性。此外,相关研究表明,动力黏度与车辙试验的相关性非常好。在夏季高温条件下,沥青路面的温度基本能达到60°C以上,因此60°C的动力黏度可以作为表征沥青在高温下抗车辙性能的指标。然而,我国现行JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中,动力黏度的指标仍是作为选择性的指标。综上所述,在进行招标或者施工过程中,沥青的60°C动力黏度指标可考虑列为一个强制性指标要求。


结论


本研究采用标准测试方法检测了34种不同来源沥青的针入度、软化点、针入度指数PI和60℃动力黏度,通过基于欧式距离的聚类分析发现常规高温性能指标能够将沥青胶结料聚类为3种类型,表明不同沥青之间在高温性能指标层面存在显著差异;


a)从针入度、软化点和针入度指数指标考虑的高温性能排序为类型Ⅱ=类型Ⅲ>类型Ⅰ,而从60℃动力黏度指标考虑的高温性能排序为类型Ⅲ>类型Ⅱ>类型Ⅰ表明60℃动力黏度指标相比针入度和软化点指标具有更优异的高温性能区分度,尤其对于改性沥青;


灰色关联分析结果表明,类型Ⅰ和类型Ⅲ沥青的60℃动力黏度与软化点关联度高,而类型Ⅱ沥青的60℃动力黏度与其他高温性能指标的关联度低,说明常规经验性指标(软化点与针入度)难以准确区分类型Ⅱ沥青(SBS改性沥青)的高温性能。另外,考虑到动力黏度是流体内摩擦系数的客观表征,具有较强的理论基础,在实际工程中可考虑将沥青的60℃动力黏度指标列为一个强制性指标要求。

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