0.   引言

“七五”国家科技攻关专题“重交通道路沥青在高等级公路工程的实用技术”对各种不同沥青感温性指标进行了深入研究, 在此基础上, “八五”国家科技攻关专题再次对沥青的感温性指标进行了研究, 在比较了不同温度敏感性指标后, 选择能合理反映沥青感温性能且测定方法简单的针入度指数作为中国沥青感温性的评价指标。然而, 已有研究表明^[1-5], 针入度是一个经验型指标, 试验结果中人为因素较大, 试验精度的微小变化就会导致针入度指数较大变化。与此同时, 针入度指标的适用温度范围较小, 并不能反映沥青在高温条件下的流变特性, 因此, 有必要采用其他指标扩宽沥青温度敏感性研究的范围, 进一步评价沥青感温性能。本文应用SHRP计划研制开发的动态剪切流变仪(DSR)测试沥青材料在不同温度条件下的复数粘度, 并采用不同温度条件下的粘度变化表征沥青材料的温度敏感性, 分析了沥青的感温性及其评价指标。

1.   试验材料与试验方法

本文采用2种70^#普通沥青(P₁、P₂)和3种不同的改性沥青(G₁、G₂、G₃)进行试验分析。试验中分别测试5种沥青15、25、30 ℃的针入度和软化点, 并采用15、25、30 ℃的针入度计算针入度指数I_PEN, 根据25 ℃的针入度和软化点计算针入度指数I_{TR & B}。应用动态剪切流变仪(DSR)测得15、35、50、60、70、76 ℃条件下5种沥青的复数粘度, 并分别采用线性和WLF方程2种回归方式分析沥青材料的粘-温关系。最后对TFOT老化(163 ℃, 5 h)和PAV老化(2.10 MPa, 20 h, 100 ℃)后的P₂、G₁沥青样品进行上述试验, 分析研究结论对老化后沥青样品的适用性。

2.   试验结果

2.1   针入度指数

文献[6]表明, 沥青针入度的对数与温度之间有很好的直线关系, 文献[7]更建立了沥青粘度与针入度的关系。目前, 最常用的描述沥青感温性的指标是采用15、25、30 ℃的针入度计算得到的针入度指数I_PEN及应用25 ℃的针入度和软化点计算得到的针入度指数I_{TR & B}, 下面分别采用2种不同方法计算得到的针入度指数评价几种沥青的温度敏感性。针入度指数I_PEN、I_{TR & B}计算式为

$\begin{array}{l}{\rm I}{}_{\text{Ρ}\text{E}\text{Ν}}=\frac{20-500A}{1+50A}(1)\\ \lg ({\rm P})=A{{\rm T}}^{\prime }+{\rm K}(2)\\ {\rm I}{}_{\text{Τ}\text{R}\&\text{B}}=\frac{1952-500\lg ({\rm P}{}_{25})-20{\rm T}{}_{\text{R}\&\text{B}}}{50\lg ({\rm P}{}_{25})-{\rm T}{}_{\text{R}\&\text{B}}-120}(3)\end{array}$

式中: A、K为回归系数; P为对应于温度T′/℃时的针入度/0.1mm; P₂₅为25 ℃时的针入度/0.1mm; T_{R & B}为软化点/℃。

针入度、软化点试验结果及I_PEN、I_{TR & B}的计算结果见表 1、2。

表  1  原样沥青针入度及针入度指数

Table  1.  Penetrations and penetration indices of original asphalts

沥青种类		P1	P2	G1	G2	G3
针入度/0.1mm	15 ℃	23.0	21.0	23.3	22.0	12.0
	25 ℃	70.0	64.0	53.0	57.0	27.0
	30 ℃	119.0	103.0	84.7	83.7	41.0
软化点/℃		47.1	47.4	47.4	91.3	68.0
IPEN		-1.14	-0.96	0.51	0.15	0.81
ITR & B		-1.17	-1.31	-1.75	6.50	1.06

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表  2  老化沥青针入度及针入度指数

Table  2.  Penetrations and penetration indices of ageing asphalts

老化方式		TFOT(163 ℃, 5 h)		PAV(2.10 MPa, 20 h, 100 ℃)
沥青种类		P2	G1	P2	G1
针入度/0.1mm	15 ℃	17.0	19.3	14.3	13.7
	25 ℃	42.3	44.0	28.0	31.0
	30 ℃	67.7	62.3	48.0	50.0
软化点/℃		52.5	73.5	58.0	69.6
IPEN		0.02	1.07	1.09	0.47
ITR & B		-0.97	3.05	-0.65	1.61

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2.2   动态剪切流变试验

沥青粘度随温度变化的程度直接反映了沥青的感温性能, 因此, 沥青的粘-温关系可以作为其感温性能的直接评价指标。本文采用动态剪切流变仪, 在频率为1.6 Hz, 大小为110 Pa的剪应力条件下测试几种沥青在不同温度条件下的复数粘度, 并引用高分子材料流变学中的WLF方程^[8]描述了粘度与温度之间的关系, 几种沥青在不同温度条件下的复数粘度见表 3、4。

表  3  原样沥青复数粘度

Table  3.  Complex viscosities of original asphalts Pa·s

温度/℃	P1	P2	G1	G2	G3
15	945 940	817 910	657 575	656 050	1 934 700
35	20 244	22 321	22 593	20 818	84 556
50	879	1 545	2 905	2 649	7 612
60	195	349	810	678	2 043
70				258	654
76				153	320

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表  4  老化沥青复数粘度

Table  4.  Complex viscosities of ageing asphalts Pa·s

温度/℃	TFOT(163 ℃, 5 h)		PAV(2.10 MPa, 20 h, 100 ℃)
	P2	G1	P2	G1
15	1 108 403	908 654	1 853 068	1 329 905
35	39 929	32 849	87 497	50 033
50	2 834	3 277	6 639	6 032
60	626	986	1 508	1 656

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3.   试验结果分析

本文研究发现, 改性沥青的粘-温关系线性相关性不是很好, 温度越高, 粘-温关系越偏离线性关系, 因此, 本文研究过程中引入高分子材料流变学理论对改性沥青的粘-温关系进行分析。依据高分子材料流变学理论^[8], 高分子温度远高于玻璃化温度T_g时(T > T_g+100), 高分子粘度与温度的依赖关系可用Andrade方程描述。当试验温度在T→(T_g+100) ℃范围内, 材料的粘-温关系不再符合Andrade方程, 而用WLF方程描写比较恰当。文献[9]研究表明, 沥青材料的玻璃化温度T_g在0 ℃左右, 由此可以推断本试验过程中沥青的粘-温关系应该用WLF方程表示, 即

$\lg \left[\frac{\eta ({\rm T})}{\eta ({\rm T}{}_{\text{g}})}\right]=\lg (a{}_{{\rm T}})=\frac{-17.44({\rm T}-{\rm T}{}_{\text{g}})}{51.60+{\rm T}-{\rm T}{}_{\text{g}}}(4)$

式中: η(T)、a_T分别为温度T条件下的粘度和移位因子; 温度均采用绝对温度/K。

对于一定的材料, η(T_g)、T_g都是固定不变的, 因此, 可以将式(4)的关系式简化为

$\lg [\eta ({\rm T})]=\frac{B}{C+{\rm T}}+D(5)$

式中: B、C、D为与η(T_g)、T_g相关的常数。为了对比分析, 应用数学软件将表 3、4中的结果分别进行线性回归和WLF方程回归, 分析结果见表 5和图 1。表 5中B′、C′为线性回归系数, 图 1中η^*为复数粘度。

表  5  回归方程系数及相关关系

Table  5.  Coefficients correlativities of regression equations

沥青种类		系数及相关性
		lg[η(T)]=B′T+C′			$$\lg [\eta ({\rm T})]=\frac{B}{C+{\rm T}}+D$$
		B′	C′	R2	B	C	D	R2
P1		-0.083 2	29.935	0.997 9	24 737.30	235.490	-41.253 0	0.998 5
P2	原样	-0.075 5	27.639	0.998 9	15 365.50	141.440	-29.849 0	0.999 7
	TFOT	-0.072 8	27.007	0.999 5	206 290.00	1 373.800	-118.010 0	0.999 6
	PAV	-0.069 2	26.233	0.999 3	189 402.00	-1 964.100	119.290 0	0.999 4
G1	原样	-0.064 7	24.400	0.995 8	2 366.52	-117.970	-8.086 8	1.000 0
	TFOT	-0.066 5	25.080	0.996 7	3 781.54	-70.837	-11.438 0	0.999 6
	PAV	-0.064 7	24.717	0.997 3	3 873.21	-64.601	-11.202 0	1.000 0
G2		-0.059 5	22.799	0.987 6	14 758.0	-159.880	-5.541 8	0.999 7
G3		-0.062 3	24.135	0.995 3	5 647.10	-16.728	-14.500 0	0.999 1

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图  1  各种沥青回归曲线对比

Figure  1.  Comparison of regression curves for different asphalts

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从表 5可以看出, 几种沥青采用WLF方程回归得到相关系数的平方R²均接近于1.000 0, 特别是改性沥青, 采用WLF方程回归得到的相关性明显优于线性回归的结果。从图 1可以看出, 普通沥青(包括不同老化状态)2种回归方式得到的曲线与实测值均很接近, 能较真实地反映不同温度条件下的复数粘度; 改性沥青线性回归得到的曲线与实测值偏离明显, 温度越高偏离越大, 而采用WLF方程回归得到的曲线与实测值很接近, 可以真实反映改性沥青的粘-温关系。这主要是因为石油沥青由沥青质、树脂和油分3个极性不同的组分组成, 其以极性最大的沥青质为核心, 周围吸附着由树脂形成分散相的胶团, 分散于极性最小的油分中^[10]。沥青质的粘-温关系呈现较好的线性关系, 沥青中掺加聚合物改性剂后, 分子量更大的聚合物改性剂在粘-温关系中占主导地位, 随着温度升高, 这种主导地位越明显, 因此, 粘-温关系更满足高分子材料的WLF方程。

4.   感温性能评价指标分析

普通沥青粘-温关系呈线性关系, 可以采用相关方程中A的绝对值评价沥青材料的感温性能, 因此, 普通沥青的粘-温关系是常量, 几种普通沥青P₁、P₂、TFOT老化沥青(P₂)与PAV老化沥青(P₂)的感温性能由高到低变化。采用15、25、30 ℃的针入度计算得到的针入度指数I_PEN与沥青粘-温关系排序相同, 采用DSR测试不同温度的复数粘度评价沥青的感温性暂时还无法普及, 可以考虑采用15、25、30 ℃的针入度计算得到的针入度指数评价普通沥青的感温性能。

改性沥青的粘-温关系较好地满足WLF方程, 对式(5)求导得到粘度随温度变化的敏感性, 即

$\frac{\partial \lg [\eta ({\rm T})]}{\partial {\rm T}}=-\frac{B}{(C+{\rm T}){}^2}(6)$

按照式(6)计算不同改性沥青在不同温度条件下的温度敏感性, 结果见表 6。

表  6  改性沥青温度敏感性

Table  6.  Temperature susceptibilities of modified asphalts

沥青类型	温度/℃
	15	35	50	60	70	76
G1	0.081 4	0.065 4	0.056 2	0.051 1	0.046 7	0.044 3
G1(TFOT)	0.079 8	0.067 1	0.059 4	0.055 0	0.051 0	0.048 8
G1(PAV)	0.077 3	0.065 3	0.057 9	0.053 7	0.049 9	0.047 8
G2	0.088 1	0.066 3	0.054 7	0.048 6	0.043 4	0.040 7
G3	0.076 5	0.066 5	0.060 1	0.056 4	0.053 0	0.051 1

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从表 6可知, 同一种改性沥青在不同温度条件下的温度敏感性有较大区别; 在不同的温度条件下, 几种改性沥青间的温度敏感性排序是不一致的。改性沥青的粘度随温度变化的敏感性并不是一个常数, 而是一个随温度变化的指标, 因此, 对于改性沥青温度敏感性的评价应该指定温度条件。

5.   结语

本文测试了普通沥青和聚合物改性沥青不同温度条件下的复数粘度, 引入WLF方程分析了沥青材料感温性评价指标的有效性, 普通沥青可以通过15、25、30 ℃针入度计算得到的针入度指数作为评价指标; 改性沥青的粘-温关系较好地满足WLF方程, 其温度敏感性随温度变化, 对改性沥青进行感温性能评价时应该指定温度条件。