基于灰关联的SBS改性沥青低温流变性能评价指标研究.pdf
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1、针对目前 改性沥青低温流变性能评价指标不明确的问题,采用灰色关联分析方法,以弯曲蠕变劲度试验的蠕变劲度犛、蠕变速率犿、低温连续分级温度犜、犜、犿犛值、松弛时间、耗散能比犠(狋)犠(狋)等 改性沥青低温流变性能评价指标作为比较序列,以沥青混合料低温弯曲试验的最大弯拉应变作为参考序列,研究聚合物改性沥青的低温黏弹特性评价指标。结果表明,采用单一考虑低温变形能力或应力松弛能力的评价指标评价聚合物改性沥青的低温性能存在一定矛盾,须采用综合考虑模量与松弛能力的指标评价 改性沥青的低温黏弹特性;采用单一蠕变速率或蠕变劲度评价指标出现矛盾时,优先采用蠕变速率犿进行评价;建议用流变学手段评价 改性沥青的低温性
2、能时优先选用蠕变速率犿、低温连续分级温度犜和犿犛值;利用犜可以判别聚合物改性沥青的低温行为是由蠕变劲度犛主导还是由蠕变速率犿主导,研究中应引起重视。关键词:公路;改性沥青;低温流变性能;评价指标;灰色关联分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()低温开裂是沥青路面主要损坏类型之一,不仅影响路面的整体性、连续性与行车舒适性,还会导致路基软化、路面承载力下降,并加速沥青路面破坏。沥青路面的低温开裂与沥青结合料的低温性能有较大关系。沥青结合料低温性能评价指标主要有低温延度、低温针入度、蠕变劲度犛、蠕变速率犿、()分级、耗散能比、松弛时间、犿犛值等。谭忆秋等对橡胶沥青的低温性能评价指标进行比选,认为工
3、程中宜优先采用犿犛值评价橡胶沥青的低温性能,科学研究中优先选用综合考虑沥青模量和松弛能力的评价指标犛。董文龙等的研究表明蠕变速率很大程度上影响 改性沥青的低温性能,建议采用犿犛值评价 改性沥青的低温性能。耿韩等认为蠕变劲度不能准确评价高模量沥青的低温性能,建议采用单边切口弯曲梁试验的断裂能作为高模量沥青的低温评价指标。颜可珍等认为玻璃态转变温度和低温流变指标可以较好 地 评 价聚 合 物改 性 沥 青 的 低 温 性能。黄卫东等的研究表明低温延度不适宜用来评价基质沥青和 改性沥青的低温性能。徐加秋等认为低温连续分级温度可以更精确地评价温拌改性沥青的低温性能。综上,采用弯曲蠕变劲度试验得到的低温
4、黏弹特性评价指标可以较准确地反映沥青结合料的低温性能,但具体采用何种评价指标目前尚未有统一的结论。鉴于中国大多数高速公路采用 改性沥青,本文以种不同掺量的 改性沥青为研究对象,采用低温流变性能评价指标,基于灰关联分析方法研究评价 改性沥青低温流变性能的关键指标。试验方案试验材料采用 作为基质沥青,添加线形 改性剂制备 改性沥青,改性剂掺量为、(按质量分数计)。制备方法如下:将基质沥青加热 至 熔 融状 态,然 后 将 改性 剂加 入其中,在 温度下,先以 低速剪切 ,再以 高速剪切 ,剪切完成后在 烘箱中保温发育 。、掺量 改性沥青分别以 、表示。不同沥青的基本性能见表。沥青混合料采用 级配(
5、见表),沥青用量为。粗集料采用闪长岩,细集料采用石灰岩,矿粉由石灰岩研磨而成。公路与汽运总第 期犎 犻 犵 犺 狑 犪 狔 狊犃 狌 狋 狅 犿 狅 狋 犻 狏 犲犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 狊表沥青的技术性质沥青类型针入度(,)()软化点延度()改性沥青 表犃 犆 沥青混合料的级配筛孔尺寸通过率筛孔尺寸通过率 试验方法依据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 对 改性沥青进行弯曲蠕变劲度试验,采用双支撑中点加载模式,两个支撑点之间的距离约 。小梁长 ,厚,宽 。试验时施加 的恒定荷载,加载时间 。试验温度为、。通过低温弯曲试验测试沥青混合料的低温性能,试验温度为 ,加载速率为
6、。小梁长 ,宽,高,试验时跨径 。试验采用微机控制电子万能试验机。试验结果与分析弯曲蠕变劲度试验结果与分析蠕变劲度和蠕变速率种不同掺量 改性沥青的蠕变劲度犛和蠕变速率犿分别见图、图。图不同掺量犛 犅 犛改性沥青的蠕变劲度图不同掺量犛 犅 犛改性沥青的蠕变速率由图、图可知:温度降低,改性沥青的蠕变劲度增大,蠕变速率减小,低温抗裂性能变差;在不同低温条件下,种 改性沥青的蠕变劲度和蠕变速率没有明显的规律,且蠕变劲度和蠕变速率作为评价指标在相同温度条件下评价改性沥青并不同步。美国战略公路研究计划()以加载 时的蠕变劲度犛 、蠕变速率犿 来评价沥青材料的低温性能。根据图、图,试验温度为 时种 改性沥青
7、的犛和犿超过 的要求,但在 温度条件下种 改性沥青的犛和犿符合要求。因此,选择 温度条件下弯曲蠕变劲度试验指标研究 改性沥青的低温性能。在 温度条件下,种 改性沥青的蠕变劲度大小排序为 ,犿值 大 小 排 序 为 ,改性沥青的低温性能最好,改性沥青的低温性能最差。低温连续分级温度 采用低温 分级指标评价沥青的低温性能,但有关研究表明低温 分级指标只能区分不同分级温度下沥青的低温性能,而无法有效比较同一分级温度下沥青的低温性能,采用低温 分级指 标 评 价 沥 青 的 低 温 性 能 存 在 一 定 局 限。以犛 、犿 进行插值,并计算犛和犿的分级温度差,采用两者中较大者作为低温连续分级温度犜,
8、评价沥青的低温性能。犜插值计算方法见式()、式()。种 改性沥青的犜见图。犜犜 犘 犘 犘 犘(犜犜)()式中:犜为犛分级温度();犜、犜为试验计算温度(),犜比犜高;犘 ;犘、犘为公路与汽运 年月犜、犜对应的犛值。犜犜犘犘犘犘(犜犜)()式中:犜为犿分级温度();犜、犜为试验计算温度(),犜比犜高;犘;犘、犘为犜、犜对应的犿值。图不同掺量犛 犅 犛改性沥青的低温连续分级温度从图可以看出:种 改性沥青的犜高低排序 为 ,改性沥青的低温连续分级温度最低,具有较好的低温性能。犜犜是反映沥青在低温状态下劲度和应力消除能力之间平衡程度的参数,犜为正值说明沥青的低温行为主要受犛控制,犜为负值说明沥青的低
9、温行为主要受犿控制,犜绝对值大小表示沥青受犛或犿控制的程度。类似于低温连续分级温度,计算犜时以犛 、犿 通过内插法确定,计算方法见式()()。种 改性沥青的犜见图。犜,犛犜(犜犜)(犛)犛 犛 ()犜,犿犜(犜犜)(犿)犿犿()式中:犛、犛分别为犜、犜时刻的蠕变劲度();犿、犿分别为犜、犜时刻的蠕变速率;犜、犜为计算温度(),犜比犜高。图不同掺量犛 犅 犛改性沥青的犜犆犜犜,犛犜,犿()从图可以看出:改性沥青的低温行为主要受犿控制,且 改性沥青在低温状态下的应力释放能力较弱。犿犛值相关研究表明,可以用犿和犛的比值表征沥青的低温 性 能,比 值 越大,沥 青 材料 的低 温 性能 越好。图为不同
10、低温条件下种 改性沥青的犿犛值。图不同掺量犛 犅 犛改性沥青的犿犛值从图可以看出:不同低温条件下,种 改性沥青的犿犛值大小排序为 ,改性沥青具有较好的低温性能;时种 改性 沥青的犿犛值增大速率小于 时的增大速率,这是由于温度升高,沥青内部分子运动能量增大,沥青中分子链段的运动较活跃,导致沥青的分子结构活动增强。松弛时间和耗散能比聚合物改性沥青是典型的黏弹性材料,可以用 模型 描 述 聚 合 物 改 性 沥 青 的 黏 弹 特 性。模型是由 模型和 模型通过串联 得 到 的 四 元 件 黏 弹 本 构 模 型,其 数 学 表 达式为:(狋)犈狋犈犈狋()()式中:为应变;为施加的应力();犈为瞬
11、时弹性模 量;为 瞬 时 黏 性 系 数;狋为 应 力 作 用 时间();犈为施加应力后发生的缓慢变形;为施加的应力撤除后形变没有马上消失的黏性指标。利用 模型对种 改性沥青的弯曲蠕变劲度试验结果进行非线性拟合,根据拟合参数犈、犈、按式()、式()计算种 改性沥青的松弛时间和耗散能比犠(狋)犠(狋)。犈()年 第期魏晋,等:基于灰关联的 改性沥青低温流变性能评价指标研究犠(狋)犠(狋)狋(犈)(犈狋)犈(犈)(犈狋 犈狋)()松弛时间反映沥青结合料经受的应力随时间的变化,松弛时间越长,对沥青结合料快速消散应力越不利。种 改性沥青的松弛时间见图。从图可以看出:温度变化过程中,种 改性沥青的松弛时
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