[分享]沥青常规检测指标的再认识

发表于2020-05-20     20人浏览     1人跟帖     总热度:140  

沥青常规检测指标的再认识



摘 要
文章主要结合既有研究成果对部分常规指标进行再分析。研究认为,常规指标体现出有限的粘弹性信息,使其更多作为某个固定条件下的产品质量评估指标,没有全面的过程行为评估功能,致使常规指标的表征能力不足,或可弱化沥青产品质量控制的有效性。沥青产品的检测方法和体系需要升级或者被部分替代,积极利用流变测试手段来评估沥青,会带来更好的路用性能关联性。
我国的沥青标准中常规指标多体现产品质量水平,在表征实际沥青路面中的胶结行为特点是有限的[1]。随着目前沥青原材料组成也日益多元化—既包括石油沥青的油源材料、调合材料,也包括各类改性剂、外加剂的不断出现—这或已造成常规检测方法的局限性和表征能力不足,并带来用于指导施工作用上的不足。因此,如何更好的控制沥青指标、表征沥青的路用性能是一个关键的问题。

本文主要探讨常规检测方式的局限性,结合既有研究对部分常规指标进行再分析,希望为沥青的评价技术发展提供一些认识参考。
常规指标的再认识
本文中的常规指标主要指现行针入度分级中的沥青检测方法,这些方法涵盖了沥青的稠度(针入度)、高温性能(软化点、60℃黏度)、延展性能(延度)、纯度(溶解度)、安全性(闪点)、沥青的抗老化(短期老化后质量损失、针入度、延度等)、组成(蜡含量)等指标,在改性沥青中增加了储存稳定性(离析)和输送黏度(135℃黏度)要求。这些指标构成了沥青的针人度分级体系,由于方法相对简单,普及性高,在一定程度上满足了工程对沥青质量控制的需要,特别是15℃的延度大于100cm和蜡含量小于3%的技术指标,有效的实现了对生产沥青的原油的限制,保证了沥青的潜在品质[2]。但多年以来的实施,这些控制指标的局限性也慢慢显现出来。

针入度
针入度:通常使用的25℃针人度系接近年平均使用温度下的沥青的稠度。已有研究表明,25℃针入度在20  1/10mm以下时,沥青路面会出现严重的路面开裂;当针入度大于30 1/10mm时,才会保证较好的抗开裂性能[2,3]。但这种结论随着高模量沥青混合料的出现,似乎不再成立,法国即常使用低标号的沥青,悬浮级配和高含量沥青的存在亦能保证沥青路面良好的低温性能[4,5]。

关于针入度,真正的局限在于其试验误差大,容易受到温度、荷载、灌入时间的影响,同时与路用性能的相关性很低。研究表明,除针入度受温度敏感性外,对荷载及贯入时间亦有明显的敏感性,图1不同荷重或不同贯入时间下针入度曲线均类似于沥青的蠕变变形曲线特征,针入度随着时间的变化斜率大于0.4,随着荷载的变化斜率大于0.5[6]。或因为这种试验条件的掌握能力,才造成沥青针入度的误差增大。图2为山东省2014年200余家检测机构对同一种70号沥青的针入度检测数据,其数据分布范围很宽,在40~120  1/10mm之间,这就从一定程度上反映出针入度方法的变异性。
沥青常规检测指标的再认识_1
尽管针入度是一个贯入深度的表示,但仍然是同温度下一定频率条件下的复数模量的反映,图3表明了不同来源的石油沥青、改性沥青的25℃针人度与同温度下、0.4Hz剪切速率下的沥青复数模量是存在良好线性关系的[7]。
沥青常规检测指标的再认识_2

软化点
软化点:软化点是沥青受热软化而下垂到一定距离时的温度,在软化点测试过程中包括了升温过程、荷载等条件,因此软化点实际上是“温度软化”和“应力软化”两种软化行为的综合结果,但遗憾就在于软化点仅是温度的反映,数值并不能体现应力造成的蠕变软化过程,加之该试验过程中的较多误差因素,如升温速度的控制等,就导致了其只能作为一个经验性指标存在。

由于沥青是粘弹性材料,其力学性质是温度和荷载时间的函数,其行为受粘弹性力学原理支配[8]。因此,考虑到软化点试验中的试样准备、加热速度、温度测量、人员操作等误差,同时为了反映软化过程中的力学行为,利用动态剪切流变仪对沥青进行检测将具有完美的表征优势,既能获取材料模量和粘弹性组成相位角信息,也能得到软化点温度下的沥青力学特征参数,及可能获取的一个更为接近材料本质的表征指标。我们的研究认为:

在软化点温度条件下,石油沥青与改性沥青在各自软化点条件下处于两种不同的流变状态。此时,石油沥青粘弹性组成中的粘性分量占据主要部分(未老化沥青软化点对应的相位角多在80°以上),而SBS改性沥青则保持较低的模量值和相位角,弹性仍保持为一个明显的特质一这是SBS改性剂赋予的功效。不管老化状态如何,图4中圆圈区域(95%可靠性)表明了石油沥青软化点对应的复数模量(荷载100Pa、频率10 rad/s)均值为13033.7Pa,标准差为2104.7Pa。表明石油沥青的软化点是一个等模量温度点,而SBS改性沥青没有这个规律[9]。
沥青常规检测指标的再认识_3
沥青常规检测指标的再认识_4
基于等模量温度对应软化点的认识,可以利用这种等模量规律求取普通道路石油沥青的软化点,图5表明了利用流变测试方法预估的软化点与实测软化点是具备良好线性关系的,其相关系数可达0.9以上。

延度
延度指标是反映沥青塑形变形的指标,在一些文献中也用来表征沥青的低温柔性。但由于沥青是一个黏弹性材料,在不同的温度区间呈现不同的粘弹状态,并在中低温条件下容易发生玻璃化转变;如果延度试验温度在玻璃化转变区间,则无法获取真实的延展信息,很多沥青会发生脆断现象[10]。图6反映了沥青和添加矿粉后的沥青玻璃化转变温度变化趋势,当粉胶比(矿粉与沥青的质量比)从0、0.6、1、1.6增长时,损耗角正切峰代表的玻璃化温度从5°C依次变化为12°C、15°C、20°C,此时如果用15°C作为试验温度,沥青胶泥延度指标基本都为0,所以此时的延度指标就不能反映沥青的延展性区别,这就构成了延度指标在低温柔性上的表征局限性。
沥青常规检测指标的再认识_5
现在研究多利用流变测试方法进行各种沥青的低温性能。我们基于WLF方程推导公式拟合计算沥青的玻璃化温度Tg,发现Tg与混合料低温破坏应变相关程度高,相关系数可达0.95以上,而延度则仅有0.65的相关度[11]见图7。这种方法相对传统的沥青低温性能检测方法,其在样品制作、数据采集及所耗时间等方面要更加简便和准确,而且大大降低了试验时间,简化沥青低温性能测定过程。
沥青常规检测指标的再认识_6

黏度
规范中,采用60℃(:毛细管动力黏度表征石油沥青的高温性能,135℃(:运动黏度表征改性沥青的泵送适用性,并按照高温条件下的运动(旋转)黏度计算确定沥青的施工温度。但现有黏度测试方法仅仅是一个固定条件(温度、剪切速率)下的数值,是一个表观黏度,不能反映出沥青全面的信息,并因为非牛顿流体状态的存在[12](图8),规范规定的黏度在施工温度确定上不适用于改性沥青。
沥青常规检测指标的再认识_7
沥青常规检测指标的再认识_8
沥青是个典型的非牛顿流体,即使在高温下也会呈现黏度随着剪切频率变稀的现象。图9是石油沥青和改性沥青的的流体曲线,从中可以看出两种沥青都存在明显的剪切变稀行为;规范规定的20r/min转速条件正好在沥青的剪切变稀区间的末端,并不能达到一个第二牛顿区的稳定状态(图8),特别是改性沥青的这种特点更为典型。这就造成了一些检测部门在试验条件把握上的差异化,造成黏度指标的变异;同时不能应用于改性沥青的施工温度判断。

在实际工程条件下,沥青混合料经受的剪切频率远高于试验模拟的频率(表1所示),远高于我们试验中的旋转黏度计、动态剪切流变仪中的剪切速率。这个剪切特点说明,对于利用黏度指标进行改性沥青施工温度的确定需要我们从第二牛顿区代表的高频剪切黏度上下功夫。山东省交通科学研究院在交通运输部西部项目资金的支持下,利用新型的高频剪切黏度测定技术和新的等粘准则,对SBS改性沥青的施工温度进行了研究,所获得施工温度结果符合现场需要。
沥青常规检测指标的再认识_9

改性沥青的储存稳定性
离析指标是评价改性沥青储存稳定性主要指标,道路工程中多以JTG  E20一2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0661的试验方法进行测定[1]。但该规程对试验操作中的某些细节没有明确表述,易使不同试验人员对规程的理解不一而进行不同的操作过程,容易导致试验结果方面上的争议。

一般情况下,试验规程中离析试验过程分成四个步骤:a、浇灌盛样管;b、浇灌盛样管后在室温冷却过程;c、163℃烘箱48h静置过程;d、冰箱冷却。但在规程中没有关千b过程及d过程时冰箱冷却温度的描述。研究表明[14]冰箱的冷却温度对SBS改性沥青的离析有很大影响,见图10。对改性工艺较差、稳定性不好的沥青影响最大,对于某个样品而言,当降低冰箱冷却温度后,其样品会由一个严重离析的样品而又检测成为符合技术要求的样品,这容易导致工程中的争议与纠纷。
沥青常规检测指标的再认识_10

常规指标的变异性
正是由于常规检测方法反映不出材料的本质属性,且这种经验性行为受到操作人员的条件控制能力影响,加之沥青材料源头的变化,不同指标会具有不同的变异系数。图11为山东省交通科学研究院10年沥青检测的统计结果,表明了石油沥青的变异系数最大的依次为:延度、残留延度、动力黏度、等;SBS改性沥青的变异系数最大的依次为:储 存稳定性、135℃运动黏度、5℃残留延度等。这些指标变化既有材料组成和工艺上的渊源,也有检测方法带来的影响。
沥青常规检测指标的再认识_11
因此,传统检测方法的升级或者被替代已经成为一个趋势,更多的研究者更愿意利用流变测试手段来检测沥青的指标,并更好的与沥青混合料路用性能进行关联。研究表明,在影响混合料强度方面,沥青劲度、黏附性、屈服应力、车辙因子、重复蠕变试验的关联度最高;在混合料水稳定性方面,沥青的软化点、法向力、沥青胶泥稳定性、混合料体积指标的影响更大;而针入度、延度和残留延度对混合料的关联度最小[15]。
与混合料性能相关的沥青指标
综合上述分析认为,传统常规指标仍然透露出一定的材料粘弹性信息,但是他们更多是材料流变特征中的一个点值,没有全面的过程行为评估功能,仅仅是某个固定条件下的质量评估点[16]。所以常规指标在评价沥青性能上力不从心,或可造成产品质量控制的有效性弱化,更遑论对沥青路面性能的解释意义。而实际上的沥青的流变性质随着温度、剪切频率的不同会发生不同的变化(图12),只有流变试验才能较为全面的反映沥青材料属性。
沥青常规检测指标的再认识_12
流变试验优势在于,能反映出不同材料本身的粘弹属性和差别(如不同聚合物改性剂的粘弹性差异,确定了各自改性沥青的性能差别),更能在模仿材料加工过程中的流动和变形行为,从而对材料的使用性能进行评估[17]。这对于沥青、改性沥青、沥青胶泥系统都有莫大的表征优势。

近几年流变测试技术的发展已经让很多新颖的测试和表征方法出现在沥青评价上来(图13);且对混合料体系单分一些系统进行独立研究,如沥青及改性沥青系统、胶泥或胶泥系统、混合料系统等。常见的沥青流变测试方法包括:频率扫描技术、应变扫描、蠕变和重复蠕变试验、时间扫描技术、静态低温蠕变试验(BBR)、直接拉伸试验(DTT)等[16,18]。结合既有研究,我们认为在沥青性质、性能评价方法上应该更多采用流变测试技术和表征方式(表2)。
沥青常规检测指标的再认识_13
结论
沥青常规指标具有试验简单、设备费用低的特点,但在沥青路用性能的表征能力上有很大的局限性。常规指标体现的有限的粘弹性信息,使其更多作为某个固定条件下的产品质量评估指标,没有全面的过程行为评估功能,致使常规指标在评价沥青性能上力不从心,或可造成产品质量控制的有效性弱化,更遑论对沥青路面性能的较为全面的解释意义。

传统检测方法的升级或者被替代已经成为一个趋势,更多的研究者更愿意利用流变测试手段来检测沥青的指标,并更好的与沥青混合料路用性能进行关联。利用流变测试手段,从模拟影响路用性能的因素出发(包括车辆荷载、温度环境与降水、沥青材料的老化等),研究新型的与路用性能相关的评价体系是至关重要的。但国内研究沥青的方法还多停留在常规分析和Superpave的沥青结合料的标准方法上,在材料使用条件的模拟研究上,如频率、温度、应力水平、应变水平、界面行为等方面上还存在很多的测试方法创新和研究空间。这一切尚需要广大科研工作者的共同努力。
沥青常规检测指标的再认识_14
沥青常规检测指标的再认识_15
沥青常规检测指标的再认识_16

扫码加入筑龙学社  ·  路桥市政微信群 为您优选精品资料、免费课程、高端讲座
分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2020-05-20   |  只看该作者      

2

沥青常规检测指标的再认识

 回帖后跳转到最后一页


查看原图
分享
开始 ||
x