SBS改性瀝青混合料高溫性能多指標(biāo)綜合評價

1、SBS改性瀝青混合料高溫性能多指標(biāo)綜合評價陳富強(qiáng)1，宋永朝1，陳富堅1,2（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實驗室,上海201804;2.桂林工學(xué)院 土木系,廣西 桂林541004）摘要：通過采用室內(nèi)車轍試驗以及靜態(tài)蠕變、動態(tài)蠕變試驗方法,研究了混合料在特定溫度和壓力等條件下的變形特性, 全面考察了瀝青混合料的高溫性能，提出宜采用車轍動穩(wěn)定度、相對變形、靜態(tài)蠕變勁度和動態(tài)蠕變勁度等指標(biāo)對混合料高溫性能進(jìn)行多指標(biāo)綜合評價；相關(guān)分析表明，不同厚度試件（5070mm）的車轍動穩(wěn)定度以及相對變形均表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性，試驗溫度40的條件下的靜態(tài)蠕變勁度和動態(tài)蠕變勁度之間也表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系.

2、關(guān)鍵詞：SBS改性瀝青；瀝青混合料；車轍試驗；靜態(tài)蠕變；動態(tài)蠕變；勁度；高溫穩(wěn)定性；綜合評價中圖分類號：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A Multiple-index Comprehensive Evaluation of High Temperature Performance of SBS Modified Asphalt MixtureCHEN Fuqiang1 SONG Yongchao1 CHEN Fujian1,2(1. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education ,Tongji

3、 University, Shanghai 201804,China; 2. Department of Civil Engineering, Guilin Institute of Technology, Guilin 541004, Guangxi ,China)Abstract: Through wheel track test indoors, static creep test as well as dynamic creep test, deformation characteristics have been studied under specific condition of

4、 temperature, pressure and so on，and high temperature performance of bituminous mixture is comprehensively evaluated; It is put forward that such indices as dynamic stability, relative deformation, static creep stiffness and dynamic creep stiffness should be used to make a multi-indices evaluation o

5、f high temperature performance. Meanwhile, Analysis of the correlation between these indicators shows that both dynamic stability and relative deformation between samples of different thickness (5070mm) shows a good linear correlation, and there is also a good linear relationship between static stif

6、fness and dynamic stiffness under the conditions of temperature of 40 .Keywords: SBS-modified asphalt; asphalt mixture; rutting test; static creep; dynamic creep; stiffness; high temperature performance; multi-indices evaluation收稿日期：2008-07-14作者簡介：陳富強(qiáng)（1978-），男，博士生，主要研究方向為道路與鐵道工程。E-mail:happylife2u瀝青

7、混合料是一種典型的粘彈性材料,其物理力學(xué)性能與溫度和荷載作用時間密切相關(guān),特別是它的強(qiáng)度和勁度模量可隨溫度的升高而顯著降低.瀝青混合料在夏季高溫條件下,經(jīng)車輛荷載長期重復(fù)作用后,會產(chǎn)生車轍、推移、波浪、擁包、泛油等病害,這些都是混合料高溫性能不足的主要表現(xiàn)形式,而在高溫地區(qū)尤以車轍問題最為突出.“高溫”條件通常是指高于2530的氣溫條件,低于這個溫度,一般不會產(chǎn)生嚴(yán)重的高溫塑性變形1.作者簡介：陳富強(qiáng)(1978-)，男，漢族，廣西人，博士，主要從事道路與鐵道工程的研究工作E-mail: chenfuqiang725 但目前大多數(shù)國家雖然采用馬歇爾穩(wěn)定度和流值指標(biāo)對瀝青混合料的高溫性能設(shè)計,有的

8、國家如日本將穩(wěn)定度與流值的比值（S/F）作為瀝青混合料的一個控制指標(biāo)2，這兩種方式并不能對路面車轍等進(jìn)行有效的控制.大量研究證明 3-5,車轍試驗的動穩(wěn)定度與瀝青路面的車轍深度有著較好的相關(guān)性.日本對車轍試驗動穩(wěn)定度指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)做了大量的試驗研究工作,美國地瀝青協(xié)會（AI）、殼牌石油公司（Shell）、英國、比利時等根據(jù)各國的氣候、交通等具體情況,提出了各種的容許車轍深度,作為路面維修養(yǎng)護(hù)的極限標(biāo)準(zhǔn),我國則采用了專家咨詢法,針對不同道路等級提出了相應(yīng)的容許車轍深度建議值6 .我國公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2004）規(guī)定：對采用馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料,應(yīng)進(jìn)行抗車轍性能檢驗.此外，

9、蠕變試驗也能較好的反映粘彈性材料的特性.普遍認(rèn)為,三軸重復(fù)加載試驗比較接近瀝青路面的三維受力狀態(tài),但由于對試驗人員和試驗設(shè)備要求較高,很難在工程應(yīng)用中推廣.目前研究較多的是單軸靜載蠕變試驗,動態(tài)蠕變的研究相對較少.國外一些研究者（如Viljoen和Kronfuss等）提出了瀝青混合料蠕變勁度極限值,我國采用單軸靜載蠕變試驗方法對瀝青混合料進(jìn)行過較多研究,但由于影響蠕變試驗結(jié)果的因素很多,變異性較大,還沒能提出相應(yīng)的蠕變勁度極限值,而動態(tài)加載方式比靜態(tài)加載方式復(fù)雜得多,因此對動態(tài)蠕變試驗研究比較少,動態(tài)蠕變試驗?zāi)壳斑€尚未發(fā)現(xiàn)有相應(yīng)的指標(biāo).本文從考察瀝青混合料高溫性能入手,基于常用車轍板試驗和靜態(tài)

10、、動態(tài)蠕變試驗進(jìn)行高溫性能的評價,并對各種評價指標(biāo)進(jìn)行了比較分析,指出了進(jìn)行多指標(biāo)綜合評價的必要性和重要性.1 試驗概況1.1原材料選擇研究中瀝青混合料AC-13所選用的材料如下：膠結(jié)料和集料均來自重慶.由于是用作表面層,所以選用了堅固的花崗巖作為粗集料,并嘗試把粒徑為2.36mm以上的都作為粗集料；2.36mm以下的細(xì)集料則采用石灰?guī)r；礦粉采用普通石灰?guī)r礦粉,過0.075mm 的方孔篩后使用.瀝青膠結(jié)料選用SBS-70號改性瀝青.1.2試驗儀器采用北京今古神箭有限公司生產(chǎn)的車轍試驗儀進(jìn)行非浸水條件下的輪載試驗.該系統(tǒng)采用曲柄連桿驅(qū)動試件的變速行走方式,輪壓為0.7MPa,按照部頒標(biāo)準(zhǔn)，試驗輪

11、往返碾壓速度（壓實速度）為42次mm-1.蠕變試驗根據(jù)加載方式的不同分為靜態(tài)蠕變試驗和動態(tài)蠕變試驗,本研究采用英國COOPER技術(shù)研究有限公司(COOPER Research Technology Limited）生產(chǎn)的氣動伺服系統(tǒng)（如圖1）,靜、動態(tài)蠕變試驗在ASTM-D4123測試程序的操作下進(jìn)行.圖1 瀝青混合料氣動伺服系統(tǒng)Fig.1 Pneumatic servo system for asphalt mixture1.3試驗方案根據(jù)正交試驗結(jié)果分別按照流值、鉆心試件空隙率、車轍試件空隙率以及綜合指標(biāo)選取4種級配的瀝青混合料作為考察對象7,級配詳見表1.成型300mm×300

12、mm×50mm的車轍試件進(jìn)行動穩(wěn)定度的測定,試驗溫度T=60,試驗時間60min;成型300mm×300mm×70mm的車轍試件,經(jīng)過鉆心和切割以及磨平,消除試件高度等因素對試驗結(jié)果的不良影響,所得芯樣（101.6 mm×64.0mm）進(jìn)行無側(cè)限靜態(tài)和動態(tài)蠕變試驗.試驗條件為：試驗溫度T=40,加載應(yīng)力為100kPa, 預(yù)壓應(yīng)力為10kPa,預(yù)壓時間為10min.對靜態(tài)蠕變,試驗總耗時2h,先持續(xù)加載1h,再卸載1h；對于動態(tài)蠕變,試驗總耗時也為2h,但采用方波加載,其加載頻率為0.5Hz，即加載時間1s,接著是卸載時間1s, 2s為一個方波周期.加載過

13、程詳見圖2.表1 按照不同指標(biāo)得到的4種考察級配Tab.1 Gradations obtained from different indices級配編號不同篩孔尺寸(mm)的通過率/%0.0750.150.30.61.182.364.759.513.21613-16.510.513.515.52024.537.57587.510013-23.54.55.57.51216.529.58089.510013-36.58.510.515.52228.535.58092.510013-46.58.59.511.51620.525.57587.5100應(yīng)力應(yīng)變過程加載方式100kPa10kPa永久變形1

14、h1h10mintt0預(yù)壓加載卸載a) 靜態(tài)蠕變100kPa10kPa加載方式應(yīng)力應(yīng)變過程1s10min1s0預(yù)壓加載卸載永久變形ttb) 動態(tài)蠕變圖 2 蠕變加載方式示意圖Fig.2 Sketch map of creep test process 2 試驗結(jié)果分析2.1基于車轍試驗的高溫性能評價從車轍試驗得到的變形-時間曲線的直線段上求取試驗時間t1=45min,t2=60min時對應(yīng)的車轍變形量d1和d2.如果試件在未到60min時變形就已經(jīng)達(dá)到25mm,則以達(dá)到25mm時的時間為t2,此時d2=25mm,而將此前15min所對應(yīng)的時刻定為t1,即t1=t2-15,此時的變形量為d1.按

15、照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程（JTJ052-2000）中的方法計算出動穩(wěn)定度（DS）和相對變形(),如表2所示.此外，相關(guān)分析結(jié)果表明，不同厚度試件的動穩(wěn)定以及相對變形線性相關(guān)性良好，見圖3和圖4.表2 不同厚度試件的動穩(wěn)定度與相對變形Tab.2 Ds andof different height specimens級配編號動穩(wěn)定度/（次mm-1）相對變形（%）50mm70mm50mm70mm13-1391632004.713.6013-247131618.5313.9213-32573 2422 4.09 2.7513-41780 951 7.276.56 圖3 不同厚度試件的車轍動穩(wěn)

16、定度(DS)相關(guān)關(guān)系Fig.3 Dynamic stability for different thicknesses specimens車轍動穩(wěn)定度能夠較好地評價混合料的抗車轍性能,即動穩(wěn)定度越大,其抗變形能力也就越強(qiáng),但從車轍變形曲線不難發(fā)現(xiàn),有時車轍動穩(wěn)定度很大,其變形量并不一定小.如表2所示，13-1的動穩(wěn)定度比13-3要大,但其相對變形也比它大,所以，若兩種級配動穩(wěn)定度相差不是很大,但相對變形有較大差別時,就不應(yīng)該堅持“動穩(wěn)定度越大越優(yōu)”的原則,而應(yīng)根據(jù)變形的大小來擇優(yōu)選取.圖4 不同厚度試件的相對變形相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relative deformation for differ

17、ent thicknesses specimens2.2基于蠕變試驗的高溫性能評價蠕變試驗溫度為40,荷載應(yīng)力水平為0.1MP,加載總耗時和卸載總耗時均為60min,氣動伺服系統(tǒng)自動記錄試件隨時間的變化的曲線,結(jié)果見圖5和6.圖5 四種不同級配的靜態(tài)蠕變曲線Fig.5 Static creep curve for four different gradations從圖5可以看出,瀝青混合料的變形由瞬時彈性變形、延遲彈性變形和粘性流動變形3部分組成.在最初的100s加載時間內(nèi),試件發(fā)生瞬時彈性變形,此變形量很大,變形速率很快,變形曲線斜率接近 90º；當(dāng)荷載進(jìn)入持載階段,試件的變形速率

18、逐漸減小并隨時間增加緩慢,這說明這個階段的變形量很小,這與瀝青路面車轍前期增長較快而后期較慢的情況相吻合；而在卸載階段,試件的彈性變形瞬時得到恢復(fù)而粘性流動變形則殘留下來,這部分不能恢復(fù)的變形就形成了瀝青混合料的永久變形.圖6 四種不同級配的動態(tài)蠕變曲線Fig.6 Dynamic creep curve for four different gradations從圖6動態(tài)蠕變曲線可以看出,與靜態(tài)蠕變相似,在加載開始的較短時間內(nèi),試件發(fā)生了彈性變形,且此時的變形量很大；隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加,蠕變變形斜率開始減小并逐漸穩(wěn)定增加,達(dá)到一定的作用次數(shù)后,蠕變變形斜率則又開始增加,此時試件開始進(jìn)入失穩(wěn)

19、破壞階段.圖6中的13-2曲線表現(xiàn)出了一個較為完整的動態(tài)蠕變破壞全過程.而其他幾種級配在加載循壞數(shù)內(nèi)依然處于穩(wěn)定期,尚未進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段.從所選擇的4種考察級配的靜態(tài)和動態(tài)蠕變曲線來看,級配13-2無論是靜態(tài)蠕變還是動態(tài)蠕變曲線都與其他3種級配偏離很大,在動態(tài)曲線中該級配甚至從2100次時就出現(xiàn)了“上翹”現(xiàn)象,即此時混合料進(jìn)入了破壞階段,級配較差,其他3種則差別不大.表3給出了其靜態(tài)和動態(tài)蠕變勁度值。此外，相關(guān)分析結(jié)果表明，靜態(tài)勁度與動態(tài)勁度線性相關(guān)性較好，如圖7所示.對于靜態(tài)蠕變變形來說,13-2級配>13-4級配>13-1級配>13-3級配；而對于動態(tài)蠕變變形來說,13-

20、2級配>13-3級配>13-4級配>13-1級配.綜合考慮可認(rèn)為13-1級配和13-3級配較好,而13-2級配最差.另外從蠕變曲線來看,級配不良會使破壞提前,即在試驗次數(shù)內(nèi)就出現(xiàn)了“上翹”,曲線斜率逐漸增大.表3考察級配的靜、動態(tài)蠕變勁度Tab.3 Static and dynamic creep stiffness for selected gradations級配編號13-113-213-313-4勁度/Mpa靜態(tài)45.3222.4250.8938.32動態(tài)39.0113.5227.2028.06圖7瀝青混合料動、靜態(tài)蠕變勁度相關(guān)關(guān)系Fig.7 Dynamic and s

21、tatic creep stiffness of mixtures3 多指標(biāo)綜合分析由于瀝青混合料本身的復(fù)雜性,以及其性能影響因素很多,比如說動穩(wěn)定度指標(biāo),它雖然采用了與輪胎接觸應(yīng)力一致的荷載,但所對應(yīng)的車輪行走速度是否也準(zhǔn)確合理,還有靜態(tài)蠕變,它更多的反映路面在靜載交通下的力學(xué)行為,而動態(tài)蠕變則更多的是模擬動載交通下的變形,因此,試圖用一種方法或單一指標(biāo)來概括是不合實際的,應(yīng)該采用多指標(biāo)來評價,才能獲得良好的效果.從圖8可看出,若以動穩(wěn)定度或動態(tài)蠕變勁度為評價指標(biāo),則13-1為最好,若以相對變形或靜態(tài)蠕變勁度為評價指標(biāo),則13-3為最好.但是,13-1的動穩(wěn)定度和動態(tài)蠕變勁度都明顯高于13-

22、3,而且即使相對變形和靜態(tài)蠕變勁度方面都比13-3差,但差別并不明顯,因此,綜合考慮可認(rèn)為13-1具有最好的高溫性能.圖8 級配類型與各高溫性能指標(biāo)的關(guān)系Fig.8 Dynamic stability of different gradations4結(jié)論（1）從動穩(wěn)定度值及其相對變形可以看出,動穩(wěn)定度大時不一定變形就很小,相反,有時動穩(wěn)定度小時其變形反而更小.（2）不同厚度試件（50mm70mm）的車轍動穩(wěn)定度以及相對變形均表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性，且試驗溫度40的條件下的靜態(tài)蠕變勁度和動態(tài)蠕變勁度之間也表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系.（3）由于瀝青混合料本身的復(fù)雜性, 以及其性能影響因素很多,而且不同的

23、評價指標(biāo)只是近似地模擬了瀝青混合料高溫性能的某些方面，試圖用一種指標(biāo)來概括是不合實際的,應(yīng)該采用多指標(biāo)來評價,才能獲得良好的效果.本研究通過采用動穩(wěn)定度、相對變形、靜態(tài)蠕變勁度和動態(tài)蠕變勁度指標(biāo)來進(jìn)行綜合評價,得到了較好的結(jié)果，可以為高溫性能的評價提供一個思路.參考文獻(xiàn)：1陳拴發(fā)，陳華鑫，鄭木蓮.瀝青混合料設(shè)計與施工M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006CHEN Shuanfa, CHEN Huaxin, ZHENG Mulian. Asphalt mixture design and constructionM. Beijing: Chemistry Industry Press,20062呂

24、偉民瀝青混合料設(shè)計原理與方法M.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2001LU Weimin. Design principle and method of ashalt mixturesM.Shanghai:Tongji University Press,20013Archilla A R, Medanat S. Development of asphalt pavement rutting mold from experimental dataC/CD.The 79th Annual TBR Meeting. Washington D.C: National Research Council,20004 Sousa J B,Weisswnan S L,Deacon J A,et a1.Permanent pavement deformation response of asphalt aggregate mixes R.Washington DC: SHRP, National Research Counci