SBS改性瀝青混合料高溫性能多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

1、SBS改性瀝青混合料高溫性能多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)陳富強(qiáng)1，宋永朝1，陳富堅(jiān)1,2（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)以及靜態(tài)蠕變、動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)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(dòng)穩(wěn)定度、相對(duì)變形、靜態(tài)蠕變勁度和動(dòng)態(tài)蠕變勁度等指標(biāo)對(duì)混合料高溫性能進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)；相關(guān)分析表明，不同厚度試件（5070mm）的車轍動(dòng)穩(wěn)定度以及相對(duì)變形均表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性，試驗(yàn)溫度40的條件下的靜態(tài)蠕變勁度和動(dòng)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(yàn)；靜態(tài)蠕變；動(dòng)態(tài)蠕變；勁度；高溫穩(wěn)定性；綜合評(píng)價(jià)中圖分類號(hào)：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiǎn)介：陳富強(qiáng)（1978-），男，博士生，主要研究方向?yàn)榈缆放c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(shí)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(zhǎng)期重復(fù)作用后,會(huì)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(gè)溫度,一般不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的高溫塑性變形1.作者簡(jiǎn)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(guó)家雖然采用馬歇爾穩(wěn)定度和流值指標(biāo)對(duì)瀝青混合料的高溫性能設(shè)計(jì),有的

8、國(guó)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(gè)控制指標(biāo)2，這兩種方式并不能對(duì)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(yàn)的動(dòng)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(duì)車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)做了大量的試驗(yàn)研究工作,美國(guó)地瀝青協(xié)會(huì)（AI）、殼牌石油公司（Shell）、英國(guó)、比利時(shí)等根據(jù)各國(guó)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(guó)則采用了專家咨詢法,針對(duì)不同道路等級(jí)提出了相應(yīng)的容許車轍深度建議值6 .我國(guó)公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2004）規(guī)定：對(duì)采用馬歇爾法設(shè)計(jì)的瀝青混合料,應(yīng)進(jìn)行抗車轍性能檢驗(yàn).此外，

9、蠕變?cè)囼?yàn)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(yàn)比較接近瀝青路面的三維受力狀態(tài),但由于對(duì)試驗(yàn)人員和試驗(yàn)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?cè)囼?yàn),動(dòng)態(tài)蠕變的研究相對(duì)較少.國(guó)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(guó)采用單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)方法對(duì)瀝青混合料進(jìn)行過較多研究,但由于影響蠕變?cè)囼?yàn)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(dòng)態(tài)加載方式比靜態(tài)加載方式復(fù)雜得多,因此對(duì)動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)研究比較少,動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)?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(yàn)和靜態(tài)

10、、動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行高溫性能的評(píng)價(jià),并對(duì)各種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了比較分析,指出了進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的必要性和重要性.1 試驗(yàn)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(jiān)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(hào)改性瀝青.1.2試驗(yàn)儀器采用北京今古神箭有限公司生產(chǎn)的車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行非浸水條件下的輪載試驗(yàn).該系統(tǒng)采用曲柄連桿驅(qū)動(dòng)試件的變速行走方式,輪壓為0.7MPa,按照部頒標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)輪

11、往返碾壓速度（壓實(shí)速度）為42次mm-1.蠕變?cè)囼?yàn)根據(jù)加載方式的不同分為靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)和動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn),本研究采用英國(guó)COOPER技術(shù)研究有限公司(COOPER Research Technology Limited）生產(chǎn)的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)（如圖1）,靜、動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)在ASTM-D4123測(cè)試程序的操作下進(jìn)行.圖1 瀝青混合料氣動(dòng)伺服系統(tǒng)Fig.1 Pneumatic servo system for asphalt mixture1.3試驗(yàn)方案根據(jù)正交試驗(yàn)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(jí)配的瀝青混合料作為考察對(duì)象7,級(jí)配詳見表1.成型300mm×300

12、mm×50mm的車轍試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度的測(cè)定,試驗(yàn)溫度T=60,試驗(yàn)時(shí)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的不良影響,所得芯樣（101.6 mm×64.0mm）進(jìn)行無(wú)側(cè)限靜態(tài)和動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn).試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)溫度T=40,加載應(yīng)力為100kPa, 預(yù)壓應(yīng)力為10kPa,預(yù)壓時(shí)間為10min.對(duì)靜態(tài)蠕變,試驗(yàn)總耗時(shí)2h,先持續(xù)加載1h,再卸載1h；對(duì)于動(dòng)態(tài)蠕變,試驗(yàn)總耗時(shí)也為2h,但采用方波加載,其加載頻率為0.5Hz，即加載時(shí)間1s,接著是卸載時(shí)間1s, 2s為一個(gè)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(jí)配Tab.1 Gradations obtained from different indices級(jí)配編號(hào)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(dòng)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(yàn)結(jié)果分析2.1基于車轍試驗(yàn)的高溫性能評(píng)價(jià)從車轍試驗(yàn)得到的變形-時(shí)間曲線的直線段上求取試驗(yàn)時(shí)間t1=45min,t2=60min時(shí)對(duì)應(yīng)的車轍變形量d1和d2.如果試件在未到60min時(shí)變形就已經(jīng)達(dá)到25mm,則以達(dá)到25mm時(shí)的時(shí)間為t2,此時(shí)d2=25mm,而將此前15min所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻定為t1,即t1=t2-15,此時(shí)的變形量為d1.按

15、照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTJ052-2000）中的方法計(jì)算出動(dòng)穩(wěn)定度（DS）和相對(duì)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(dòng)穩(wěn)定以及相對(duì)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(dòng)穩(wěn)定度與相對(duì)變形Tab.2 Ds andof different height specimens級(jí)配編號(hào)動(dòng)穩(wěn)定度/（次mm-1）相對(duì)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(dòng)穩(wěn)

16、定度(DS)相關(guān)關(guān)系Fig.3 Dynamic stability for different thicknesses specimens車轍動(dòng)穩(wěn)定度能夠較好地評(píng)價(jià)混合料的抗車轍性能,即動(dòng)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(shí)車轍動(dòng)穩(wěn)定度很大,其變形量并不一定小.如表2所示，13-1的動(dòng)穩(wěn)定度比13-3要大,但其相對(duì)變形也比它大,所以，若兩種級(jí)配動(dòng)穩(wěn)定度相差不是很大,但相對(duì)變形有較大差別時(shí),就不應(yīng)該堅(jiān)持“動(dòng)穩(wěn)定度越大越優(yōu)”的原則,而應(yīng)根據(jù)變形的大小來?yè)駜?yōu)選取.圖4 不同厚度試件的相對(duì)變形相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relative deformation for differ

17、ent thicknesses specimens2.2基于蠕變?cè)囼?yàn)的高溫性能評(píng)價(jià)蠕變?cè)囼?yàn)溫度為40,荷載應(yīng)力水平為0.1MP,加載總耗時(shí)和卸載總耗時(shí)均為60min,氣動(dòng)伺服系統(tǒng)自動(dòng)記錄試件隨時(shí)間的變化的曲線,結(jié)果見圖5和6.圖5 四種不同級(jí)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(shí)彈性變形、延遲彈性變形和粘性流動(dòng)變形3部分組成.在最初的100s加載時(shí)間內(nèi),試件發(fā)生瞬時(shí)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(shí)間增加緩慢,這說明這個(gè)階段的變形量很小,這與瀝青路面車轍前期增長(zhǎng)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(shí)得到恢復(fù)而粘性流動(dòng)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(jí)配的動(dòng)態(tài)蠕變曲線Fig.6 Dynamic creep curve for four different gradations從圖6動(dòng)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(shí)間內(nèi),試件發(fā)生了彈性變形,且此時(shí)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(shí)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(gè)較為完整的動(dòng)態(tài)蠕變破壞全過程.而其他幾種級(jí)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(jí)配的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)蠕變曲線來看,級(jí)配13-2無(wú)論是靜態(tài)蠕變還是動(dòng)態(tài)蠕變曲線都與其他3種級(jí)配偏離很大,在動(dòng)態(tài)曲線中該級(jí)配甚至從2100次時(shí)就出現(xiàn)了“上翹”現(xiàn)象,即此時(shí)混合料進(jìn)入了破壞階段,級(jí)配較差,其他3種則差別不大.表3給出了其靜態(tài)和動(dòng)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(dòng)態(tài)勁度線性相關(guān)性較好，如圖7所示.對(duì)于靜態(tài)蠕變變形來說,13-2級(jí)配>13-4級(jí)配>13-1級(jí)配>13-3級(jí)配；而對(duì)于動(dòng)態(tài)蠕變變形來說,13-

20、2級(jí)配>13-3級(jí)配>13-4級(jí)配>13-1級(jí)配.綜合考慮可認(rèn)為13-1級(jí)配和13-3級(jí)配較好,而13-2級(jí)配最差.另外從蠕變曲線來看,級(jí)配不良會(huì)使破壞提前,即在試驗(yàn)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(jí)配的靜、動(dòng)態(tài)蠕變勁度Tab.3 Static and dynamic creep stiffness for selected gradations級(jí)配編號(hào)13-113-213-313-4勁度/Mpa靜態(tài)45.3222.4250.8938.32動(dòng)態(tài)39.0113.5227.2028.06圖7瀝青混合料動(dòng)、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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)蠕變則更多的是模擬動(dòng)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(shí)際的,應(yīng)該采用多指標(biāo)來評(píng)價(jià),才能獲得良好的效果.從圖8可看出,若以動(dòng)穩(wěn)定度或動(dòng)態(tài)蠕變勁度為評(píng)價(jià)指標(biāo),則13-1為最好,若以相對(duì)變形或靜態(tài)蠕變勁度為評(píng)價(jià)指標(biāo),則13-3為最好.但是,13-1的動(dòng)穩(wěn)定度和動(dòng)態(tài)蠕變勁度都明顯高于13-

22、3,而且即使相對(duì)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(jí)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(dòng)穩(wěn)定度值及其相對(duì)變形可以看出,動(dòng)穩(wěn)定度大時(shí)不一定變形就很小,相反,有時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度小時(shí)其變形反而更小.（2）不同厚度試件（50mm70mm）的車轍動(dòng)穩(wěn)定度以及相對(duì)變形均表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性，且試驗(yàn)溫度40的條件下的靜態(tài)蠕變勁度和動(dòng)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(píng)價(jià)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(shí)際的,應(yīng)該采用多指標(biāo)來評(píng)價(jià),才能獲得良好的效果.本研究通過采用動(dòng)穩(wěn)定度、相對(duì)變形、靜態(tài)蠕變勁度和動(dòng)態(tài)蠕變勁度指標(biāo)來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得到了較好的結(jié)果，可以為高溫性能的評(píng)價(jià)提供一個(gè)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(jì)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(jì)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