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            瀝青膠結料基本高溫性能指標相關性研究
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            瀝青膠結料基本高溫性能指標相關性研究
            2022年09月14日    閱讀量:38661    新聞來源:《石油瀝青》2021年2月  |  投稿

            摘 要

            高溫穩定性是瀝青膠結料重要技術要求之一。針入度、軟化點、60℃動力黏度和針入度指數是工程中最為常用的高溫性能評價指標。為探究這些高溫性能指標的區分度和關聯性,對34種源于不同工程的瀝青膠結料進行檢測,基于聚類分析法和灰色關聯分析法對試驗數據進行分析瀝青網sinoasphalt.com。結果表明,60℃動力黏度指標相比針入度和軟化點指標能夠更有效地區分不同瀝青膠結料的高溫性能;70號基質瀝青和高黏度改性瀝青的60℃動力黏度與軟化點關聯度高,但SBS改性瀝青60℃動力黏度與其他高溫性能指標的關聯度低;考慮到動力黏度能夠客觀表征流變特性,建議在實際工程中可將60℃動力黏度列為強制性指標。


            關鍵詞

            瀝青膠結料 | 高溫性能 | 60℃動力黏度 | 聚類分析 | 灰色關聯分析


            瀝青材料具有溫度敏感性,尤其是在夏季高溫條件下,因其抵抗高溫變形能力不足而產生車轍變形,進而劣化路面的使用性能。因此,一直以來研究人員非常關注瀝青膠結料高溫性能的測試方法和表征指標。目前,國際上公認的瀝青性能分級體系有針入度分級體系、黏度分級體系和PG(PeiformanceGrade)性能分級體系。其中,針入度作為一個經驗性的稠度指標,在我國實際道路工程中廣泛應用,但其并不能真正反映瀝青的高溫流變性能,與瀝青混合料的高溫穩定性關聯度不高。黏度分級體系是由美國在20世紀70年代提出的,該體系考慮了原樣和短期老化瀝青在60℃下的動力黏度,但由于黏度分級體系沒有涉及低溫抗裂性能及長期服役性能的評價指標,導致實際工程中易產生開裂和車轍等病害。


            20世紀80年代美國開展的戰略性公路研究計劃(StrategicHighwayResearchProgram,簡稱SHRP)制定了基于性能的瀝青膠結料規范(Su-perior Peiforming Asphalt Pavement,簡稱Super-pave),考慮了氣候分區、交通荷載及加載時間對瀝青膠結料性能的影響,確定了瀝青高溫、低溫和常溫三個溫度范圍內的性能控制指標[1-3]。最初采用時間掃描的車轍因子(G*?sin&)作為高溫性能的評價指標,近年來引入多應力重復蠕變試驗(MSCR)的不可恢復蠕變柔量(Jnr)和蠕變恢復率(R%)作為評價指標[4-6]。歐洲標準化委員會(ComiteEuropeendeNormalisation,簡稱CEN)在瀝青高溫性能方面重點考慮針入度、軟化點和60℃動力黏度,以及對應指標在短期老化后的表現。近年來集中研究零剪切黏度(Zero-shearviscosity,簡稱ZSV)作為高溫性能指標。我國1994年發布的JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》提出了以針入度為關鍵性指標,在評價高溫性能方面主要采用軟化點、60℃動力黏度和135℃運動黏度作為參考指標?!鞍宋濉眹铱萍脊リP課題“道路瀝青及瀝青混合料的路用性能“采用當量軟化點T800代替軟化點表征瀝青高溫性能,以針入度指數PI為最主要指標。2004年提出的瀝青評價體系,對基質瀝青以實測軟化點為主要指標,以60℃動力黏度為選擇性指標,而聚合物改性瀝青以135℃運動黏度為選擇性指標。很多研究者[7-9]對這些試驗指標進行了相關性分析,認為實測軟化點和60℃動力黏度與SHRP高溫性能指標存在差異,后者與瀝青混合料的高溫性能指標相關性較高。然而,在實際材料檢測工作中,受限于PG性能分級的專門設備,往往仍以瀝青”三大指標”為主要試驗進行檢測和評價,盡管部分瀝青的各項指標能夠滿足施工技術要求,但實際路用性能往往不盡如人意。這主要是由于常規指標之間差距較小、對聚合物改性瀝青適用性差以及測試不可控因素多導致的。


            事實上,相較于針入度和軟化點這類經驗性指標,60℃動力黏度表征了瀝青內部抵抗流動的阻力大小,黏度大的瀝青在荷載作用下能產生較小的剪切變形,理論上能反映夏季高溫條件下路面的抗高溫變形能力。此外,從微觀層面而言,黏度大的瀝青含有較多的瀝青質和膠質,具有較強的內聚力和黏附性。盡管60℃動力黏度作為一個推薦指標在瀝青膠結料檢測要求中出現,但是由于其測試過程較為復雜,時間久,并沒有得到廣泛的重視[10]。本研究基于實際工作經歷,選取了34種不同來源的瀝青膠結料作為研究對象,涵蓋了我國公路工程常用的基質瀝青和改性瀝青,對其針入度、軟化點、60℃動力黏度和針入度指數PI根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行了測試和數據分析,以說明60℃動力黏度的重要性及其與其他參數指標的關系。


            試驗材料與方法


            為體現測試樣本選擇的多樣性,本研究收集了實際公路工程中不同來源的34種瀝青膠結料,根據出廠樣品的檢測報告,其中19種為基質瀝青,15種為改性瀝青,將其分別命名為JZ和GX。常規指標中針人度、軟化點分別按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(T0604-2011、T0606-2011)進行標準測試并采集不同溫度下的針入度計算針入度指數PI。


            動力黏度測試方法


            根據JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(T0620-2000)瀝青動力黏度試驗要求,試驗溫度為60℃,真空度為40kPa。首先將加熱至流動狀態的瀝青注入真空減壓毛細管黏度計中,使試樣液面處千毛細管E標線±2mm之內并保證瀝青不能粘在管壁上。在試驗過程中,測量瀝青膠結料在毛細管中連續通過一對標線的間隔時間,最終根據所用毛細管參數計算出瀝青的動力黏度,如公式(1)所示,測試設備和測試樣品如圖1所示。

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            數據分析


            本研究采用聚類分析和灰色關聯分析對瀝青膠結料常規高溫性能指標(針入度、軟化點、針入度指數和60℃動力黏度)進行數據分析,以揭示指標間的關聯性以及區別度。


            聚類分析是通過數學方法將多個分類對象按照數據特征分成若干類。在分析過程中,首先將數據通過Z-Score方法進行標準化處理,即新數據為原數據減去均值后除以標準差的商;其次,采用歐式距離計算分類對象的間距,并利用類平均法建立聚類樹形圖;最后通過計算不一致系數確定最終的分類個數。


            灰色關聯分析法是基于灰關聯理論對系統中各因素的相關程度進行量化的一種分析方法。采用灰關聯理論分析瀝青膠結料常規高溫性能指標的相關性,受樣本數量影響較小,計算方法較為成熟,量化結果與定性結果相一致。計算過程首先將瀝青膠結料測試得到的60℃動力黏度作為參考數列,將針入度、軟化點和針入度指數作為比較數列;其次,對參考數列和比較數列采用均質化方法進行無量綱處理;再次,采用式(2)和式(3)計算關聯系數和關聯度;最后,按照關聯度的大小進行排序,確定參考數列與比較數列的相關性。

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            結果發現


            聚類分析


            表1匯總了34種不同來源瀝青膠結料的軟化點、針入度、針入度指數PI和60℃黏度的測試數據。

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            通過對上表數據進行基于歐式距離的聚類分析可得到如圖2所示的聚類樹形圖。

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            從圖2中可以發現,34種被測瀝青可根據常規高溫性能指標分為三類,類型Ⅰ是基質瀝青,類型Ⅱ和類型Ⅲ均為改性瀝青,且類型Ⅲ比類型Ⅱ的黏度高。3種類型瀝青的常規高溫性能指標形成的箱型圖,如圖3所示。

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            從圖3中可以發現,3個類型瀝青的高溫性能具有顯著差異。體現在:


            a)從針入度的角度,類型Ⅰ瀝青的針入度范圍在60-70 1/10m之間,可認為是70?;|瀝青,而類型Ⅱ和類型Ⅲ瀝青的針入度范圍在50-60 1/10m之間,相比類型Ⅰ瀝青具有更大的稠度,類型Ⅲ瀝青稠度略大于類型Ⅱ瀝青;


            b)從軟化點來看,類型Ⅰ瀝青遠小于其他兩種類型,但類型Ⅱ和類型Ⅲ瀝青之間的差距不明顯;


            c)針入度指數作為感溫性指標,針入度指數越大則說明瀝青對溫度越不敏感,從圖中可以看出類型Ⅰ對溫度的敏感程度大于其他兩種瀝青,一定程度上可以認為類型Ⅰ瀝青的抵抗溫度荷載性能較差,而類型Ⅱ和類型Ⅲ瀝青的差異不明顯;


            d)60℃動力黏度反映了瀝青在高溫下抵抗流動變形的能力,從圖3中可以看出類型Ⅰ瀝青的60℃動力黏度僅為200Pa?s左右且相同類型的瀝青差異不大,而類型Ⅲ瀝青的60℃動力黏度大于類型Ⅱ瀝青,遠大于類型Ⅰ瀝青,說明60℃動力黏度作為常規高溫性能評價指標能夠顯著區別不同類型瀝青(尤其是改性瀝青)的高溫性能。


            通過對比3個類型瀝青的常規高溫性能評價指標可得到,從針入度、軟化點和針入度指數指標考慮的高溫性能排序為類型Ⅱ≈類型Ⅲ>類型Ⅰ,而從60℃動力黏度指標考慮的高溫性能排序為類型Ⅲ>類型Ⅱ>類型Ⅰ。由此說明60℃動力黏度指標相比針入度和軟化點指標具有更優異的瀝青高溫性能區分度。有研究人員曾對Su-perpave的車轍因子指標與常規高溫性能指標的相關性進行了研究[11],發現不同指標與瀝青高溫性能的相關性大小排序為:60℃動力黏度>針入度指數>軟化點>針入度,說明三大指標中的針入度和軟化點不能很好地表征瀝青的高溫性能,而60℃動力黏度具有較好的表征效果。


            灰關聯分析


            在聚類分析的基礎上,針對3個類型瀝青膠結料采用灰關聯分析法,對針入度、軟化點和針入度指數PI與60℃動力黏度指標進行分析。本研究選取瀝青膠結料測試得到的60℃動力黏度作為參考數列,將針入度、軟化點和針入度指數作為比較數列,量化分析瀝青膠結料常規高溫性能指標的關聯度。表2匯總了軟化點、針入度和針入度指數PI與60℃動力黏度的關聯度計算結果。

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            從表2中可以發現,不同類型瀝青膠結料的60°C動力黏度指標與其他三個指標之間的關系不同。類型Ⅰ由70?;|瀝青組成,60°C動力黏度與軟化點的關聯性最大,其次是針入度指數和針入度。此規律說明對于基質瀝青而言,軟化點和針入度指數均可很好地表征瀝青膠結料的高溫性能,并且與60°C動力黏度具有很強的一致性。根據瀝青出廠樣品的檢測報告,類型Ⅱ主要是SBS改性瀝青,盡管軟化點指標仍然與60°C動力黏度具有最高的關聯度,但這個關聯度相比基質瀝青較低,并且針入度和針入度指數與60°C動力黏度的關聯度更低,由此說明SBS改性瀝青作為一種高分子聚合物改性瀝青,采用常規高溫性能表征指標尤法準確區分不同改性瀝青的高溫性能,需要考慮車轍因子和不可恢復蠕變柔量等基于流變學的指標[12]。類型Ⅲ相比類型Ⅱ的特征在于其高黏度特征,從關聯度計算結果來看,類型Ⅲ的60°C動力黏度與軟化點和針入度指標均具有很強的關聯度,而與針入度指數的關聯度較差。由此說明,在評價高黏度改性瀝青(60°C動力黏度接近0.3MPa?s)的高溫性能時,可考慮采用60℃動力黏度、軟化點以及針入度指標。


            對于瀝青這種黏彈性材料,基千經驗的針入度和軟化點測試方法一方面沒有考慮材料應用的氣候條件、地理位置等因素,均在標準條件下進行測試,另一方面測試結果與瀝青路面性能是通過經驗性關系建立的,沒有很好的理論依據且與實際路面受力和破壞情況有較大差別,在表征瀝青高溫性能時具有局限性。而動力黏度指標作為流體內摩擦系數的客觀表征,具有很強的理論基礎,且在實踐中與路面的實際高溫性能有很強的關聯性。此外,相關研究表明,動力黏度與車轍試驗的相關性非常好。在夏季高溫條件下,瀝青路面的溫度基本能達到60°C以上,因此60°C的動力黏度可以作為表征瀝青在高溫下抗車轍性能的指標。然而,我國現行JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》中,動力黏度的指標仍是作為選擇性的指標。綜上所述,在進行招標或者施工過程中,瀝青的60°C動力黏度指標可考慮列為一個強制性指標要求。


            結論


            本研究采用標準測試方法檢測了34種不同來源瀝青的針入度、軟化點、針入度指數PI和60℃動力黏度,通過基于歐式距離的聚類分析發現常規高溫性能指標能夠將瀝青膠結料聚類為3種類型,表明不同瀝青之間在高溫性能指標層面存在顯著差異;


            a)從針入度、軟化點和針入度指數指標考慮的高溫性能排序為類型Ⅱ=類型Ⅲ>類型Ⅰ,而從60℃動力黏度指標考慮的高溫性能排序為類型Ⅲ>類型Ⅱ>類型Ⅰ表明60℃動力黏度指標相比針入度和軟化點指標具有更優異的高溫性能區分度,尤其對于改性瀝青;


            灰色關聯分析結果表明,類型Ⅰ和類型Ⅲ瀝青的60℃動力黏度與軟化點關聯度高,而類型Ⅱ瀝青的60℃動力黏度與其他高溫性能指標的關聯度低,說明常規經驗性指標(軟化點與針入度)難以準確區分類型Ⅱ瀝青(SBS改性瀝青)的高溫性能。另外,考慮到動力黏度是流體內摩擦系數的客觀表征,具有較強的理論基礎,在實際工程中可考慮將瀝青的60℃動力黏度指標列為一個強制性指標要求。

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            標簽:綜合論文,技術中心,再生瀝青,瀝青混凝土
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