基于灰关联的SBS改性沥青低温流变性能评价指标研究.pdf

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（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 。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，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 改性沥青的松弛时间大小排序为 ，改性沥青的松弛时间最小，低温性能最好；温度降低，改性沥青的松弛时间增大，这是因为温度降低，沥青弹性增大，黏性减小，能量消耗速率减小，应力变化的时间增大，松弛时间增大。图不同温度下不同掺量犛 犅 犛改性沥青的松弛时间耗散能比反映沥青结合料的松弛能力，其值越大，沥青结合料的低温抗裂性能越好。种 改性沥青的耗散能比见图。从图可以看出：温度变化过程中，种 改性沥青的耗散能比大小排序 为 ，改性沥青的低温性能最好，与松弛时间的评价结果一致；温度降低，沥青的耗散能比降低，说明沥青中的耗散能减小，储存能增大，低温抗裂性能变差；时种 改性沥青的耗散能比减小程度较大，时减小程度较小，说明随着温度的降低，沥青的弹性比例明显增大，但当温度下降到一定程度时，沥青接近于弹性体。图不同温度下不同掺量犛 犅 犛改性沥青的耗散能比低温弯曲试验结果与分析采用低温弯曲试验中试件破坏时的最大弯拉应变评价沥青混合料的低温性能。表示沥青混合料在低温状态下的极限抗变形能力，其值越大，沥青混合料的低温抗裂性能越好。种 改性沥青混合料的低温弯曲试验结果见表。表犛 犅 犛改性沥青混合料的低温弯曲试验结果不同掺量 改性沥青混合料最大弯拉应变不同掺量 改性沥青混合料最大弯拉应变 从表可以看出：种 改性沥青混合料的低温 抗 裂 性 能 大 小 排 序 为 ，改性沥青混合料的低温抗裂性能最好，改性沥青混合料的低温抗裂性能最差。灰色关联分析以 温度条件下 改性沥青的低温黏弹特 性 评 价 指 标犛、犿、犜、犜、犿犛值、犠（狋）犠（狋）作为比较序列，沥青混合料低温弯曲试验的最大弯拉应变作为参考序列进行灰色关联分析。先对参考序列和比较序列按式（）、式（）进行无量纲化处理，然后分别按式（）、式（）计算比较序列与参考序列的关联系数和关联度，比较序列的关联度越大，则比较序列与参考序列的关联性越强。各指标灰色关联度计算结果见表。犢犡（）犡，犡（）犡，犡（狀）犡（）犢犻犡犻（）犡犻，犡犻（）犡犻，犡犻（狀）犡犻（）式中：犡为参考序列，令犡犡（），犡（），犡（狀）；犡狀狀犽犡（犽）；犡犻为 比 较序 列，令犡犻犡犻（），犡犻（），犡犻（狀）；犡犻狀狀犽犡犻（犽）。犻（犽）犻（犻（）犻（犻（）狓（犽）狓犻（犽）犻（犻（）（）式中：犻（犽）为灰色关联系数；犻（犻（）为矩阵公路与汽运 年月的最小值；犻（犻（）为矩阵的最大值；狓（犽）为参考序列；狓犻（犽）为比较序列。狉犻犖犖犽犻（犽）（）式中：狉犻为关联度；犖为样本总数。表低温黏弹特性评价指标的灰色关联度评价指标灰色关联度蠕变劲度犛 蠕变速率犿 低温连续分级温度犜 犜 犿犛值 耗散能比犠（狋）犠（狋）松弛时间 从表可以看出：改性沥青混合料低温黏弹特性评价指标与低温弯曲试验最大弯拉应变的灰色关联度大小排序为犿犜犿犛值犛犠（狋）犠（狋）犜，蠕变速率犿、犜和犿犛值的灰色关联度均大于且相近，蠕变劲度和松弛时间的灰色关联度相近，而耗散能比和犜的灰色关联度较小。因此，当采用单一的蠕变速率或蠕变劲度评价聚合物改性沥青低温性能出现矛盾时，优先采用蠕变速率；采用 模型计算的耗散能比和松弛时间可在一定程度上反映 改性沥青的低温性能，相比耗散能比，松弛时间更适合评价 改性沥青的低温性能；犜与低温弯曲试验最大弯拉应变的灰色关联度最小，相比其他种低温黏弹特性指标，犜并不适宜用来评价 改性沥青的低温特性，但它可以反映聚合物改性沥青的低温行为是受犛控制还是受犿控制，具有一定意义。建议优先选用蠕变速率、低温连续分级温度犜和犿犛值评价聚合物改性沥青的低温黏弹特性。结论（）以蠕变劲度犛、蠕变速率犿、低温连续分级温度犜、犜、犿犛值、松弛时间和耗散能比犠（狋）犠（狋）作为聚合物改性沥青低温黏弹特性的评价指标，就低温黏弹特性而言，掺量越高，改性沥青的低温性能越好。（）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 间和 耗 散 能 比犠（狋）犠（狋）与沥青混合料低温弯曲试验最大弯拉应变的灰色关联度大小排序为犿犜犿犛值犛犠（狋）犠（狋）犜，当采用单一蠕变速率或蠕变劲度评价聚合物改性沥青的低温性能出现矛盾时，优先采用蠕变速率；建议采用流变学手段评价聚合物改性沥青的低温性能时优先选用蠕变速率、低温连续分级温度犜和犿犛值作为评价指标。（）犜不适宜用来评价 改性沥青的黏弹特性，但它可以判别聚合物改性沥青的低温行为是受蠕变劲度主导还是受蠕变速率主导，研究中应引起重视。参考文献：张家伟，黄卫东，吕泉，等 胶粉复合 改性沥青及混合料的低温性能建筑材料学报，（）：袁东东，蒋玮，肖晶晶，等热氧老化作用对高黏改性沥青黏弹特性的影响长安大学学报（自然科学版），（）：，：宋云连，张扬，吕鹏基于分数阶黏弹性模型的温拌改性沥 青 低 温 性 能 复 合 材 料 学 报，（）：谭忆秋，符永康，纪伦，等橡胶沥青低温评价指标哈尔滨工业大学学报，（）：董文龙，关维阳，黄卫东不同老化状态下 改性沥青的低温性能分析建筑材料学报，（）：耿韩，李立寒，张磊，等高模量沥青低温抗裂性能的评价指标建筑材料学报，（）：颜 可 珍，王 道?聚 合 物 改 性 沥 青 低 温 性 能 指 标 研究建筑材料学报，（）：黄卫东，傅星恺，李彦伟，等 类改性沥青低温性能评价及 指 标 相 关 性 分 析 建 筑 材 料 学 报，（）：徐加秋，阳恩慧，王世法，等 温拌沥青的低温性能评价指标研究公路交通科技，（）：，（下转第 页）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结论在加速加载足尺试验 万次的条件下，对京沪高速公路淮江段改扩建工程旧路芯样的沥青面层进行重复荷载蠕变试验和半圆弯曲试验，对芯样的基层进行回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验，得到以下结论：（）随加载次数的增加，相对于加载前，旧路沥青面层材料的蠕变次数呈现下降趋势，蠕变次数指数则有增有减。相同加载次数下对加铺层、上面层、中面层、下面层分别取芯，同一结构层的半圆弯曲试验应变能释放速率波动明显。（）随着加载次数的增加，旧路上基层的回弹模量总体呈现上升趋势，下基层的回弹模量总体处于稳定状态；旧路基层的无侧限抗压强度出现一定波动，加载 万次时无侧限抗压强度达到最高，万次时出现下降；旧路基层的劈裂强度出现一定波动。（）经过 万次的加速加载足尺试验，该高速公路改扩建工程旧路沥青面层的高温性能与抗裂性能及基层的力学性能总体处于稳定状态，扩建后的试验车道在低荷载情况下能满足路用性能要求。参考文献：廖朝华，王家强多车道高速公路改扩建工程路面分车道设计探讨中外公路，（）：雷春鸣湖南省高速公路改扩建工程初探公路与汽运，（）：刘鹏举基于高速公路沥青加铺层结构设计方案的研究科技资讯，（）：蔡宏亮足尺沥青路面加速加载试验数据的采集与分析北方交通，（）：黄民伟基于路面加速加载系统的冷再生混合料生产配合比研究公路与汽运，（）：田泽峰 足尺沥青路面加速加载试验北京：人民交通出版社股份有限公司，陈少幸，张肖宁，孟书涛，等基于 加速加载试验的沥青层疲劳损伤公路交通科技，（）：田泽峰高速公路沥青路面典型结构加速加载试验研究北方交通，（）：周丹，马泽欣，刘黎萍，等基于足尺加速加载试验的现役沥青路面疲劳特性研究公路交通科技，（）：吕松涛，陈杰基于加速加载试验的沥青混合料刚度衰变规律研究公路交通科技，（）：赵永成高抗剪强度级配碎石基层沥青路面加速加载试验研 究公 路 交 通 科 技（应 用 技 术 版），（）：中交路桥技术有限公司公路沥青路面 设 计规 范：北京：人民交通出版社股份有限公司，交通部公路科学研究院公路工程无机结合料稳定材料试验规程：北京：人民交通出版社，收稿日期：櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙（上接第 页）：，：王岚，王子豪，李超基于黏弹性理论的多聚磷酸改性沥青低温性能复合材料学报，（）：邢明亮，孙岳，谢超，等基于灰熵法的 混合料级配组成范围研究公路，（）：，（），（）：收稿日期：年 第期江臣，等：基于加速加载试验的改扩建工程旧路材料性能衰变规律研究