测力延度试验评价沥青低温性能的指标研究.pdf

2023年6 月石油沥青PETROLEUMASPHALT第37 卷第3期测力延度试验评价沥青低温性能的指标研究乔艳，崔传炜，王敏（中路交科科技股份有限公司，南京2 10 0 0 0）摘要：研究针对测力延度试验评价SBS沥青低温性能的适用性问题，在测力延度试验低温条件下对SBS沥青进行拉伸加载，探讨了四种SBS沥青的荷载位移曲线变化规律。通过对SBS沥青的荷载位移曲线后处理得到黏韧性指标，并与低温弯曲梁流变试验结果进行对比分析来验证黏韧性指标评价低温性能的合理性。研究结果表明，沥青第二峰值力F2mxV黏弹性指标Sv和黏韧性指标Rv/r均与低温弯曲梁流变试验-18 条件下所测得劲度模量S保持较强的相关性（R=0.96852，R=0.92110和R=0.96963），可作为SBS沥青低温性能的评价指标。关键词：测力延度试验荷载位移曲线黏韧性指标相关性沥青混合料路面是我国道路建设采用的主要形式之一。在沥青混合料路面的服役过程中常出现车辙变形和开裂等病害，其中，沥青路面的开裂是因为沥青路面在温度应力的作用而形成的典型病害，常出现在北方地区与昼夜温差较大地区，低温开裂病害不仅对沥青道路服役状态与使用寿命造成严重损害，同时对交通安全造成极大隐患，因此低温开裂病害受到道路研究者的广泛关注 1,2 。而沥青路面的开裂除了受到沥青混合料本身性能的直接影响，还受到沥青性能，集料性质、配合比类型、交通荷载以及气候等因素的间接影响。在复合材料理论中，沥青混合料是由沥青和不同级配的骨料结构以及其他外加剂混合而成。虽然沥青在混合料中的质量占比很小，但在沥青混合料中的沥青具有黏结集料、传递荷载和填充空隙等重要作用。沥青性能对沥青混合料的路用性能有至关重要的影响。其中，沥青低温性能与沥青混合料低温抗裂性能密切相关，沥青的低温性能越差，在降温条件下沥青混合料面对收缩应力作用时的应力松弛能力越小，服役状态下的沥青路面低温抗开裂能力越差。因此，开展沥青低温性能试验测试及评价指标等方面的研究，对于寒冷气候地区的沥青混合料抗开裂设计与沥青路面建设具有重要指导意义和工程应用价值。当前我国道路材料检测领域评价沥青低温性能的试验方法主要为低温延度试验 3，然而，相关研究指出沥青低温延度试验与沥青混合料低温路用性能的关联性较差，在当前的研究中受到普遍质疑。鉴于沥青混合料的劲度模量可以较好反映其低温抗裂性能，美国的SHRP计划开发一种基于流变学测试沥青劲度模量和蠕变速率的试验，即低温弯曲梁流变试验，试验所得到的劲度模量S与蠕变速率m能够更准确的评价沥青低温路用性能。低温弯曲梁流变试验原理类似结构力学中的简支梁加载原理，试验使用蠕变荷载来模拟沥青路面在温度下降时所产生的收缩应力。工程实践表明，基于弯曲梁流变试验得到的技术指标评价沥青低温路用性能与实际沥青路面低温路用性能具有较好关联性，这在当前对沥青低温性能的研究中受到一致认可，而弯曲梁流变试验因其仪器的昂贵造价并未在我国道路工程材料领域中得到大规模应用。测力延度试验与低温延度试验的原理类似，都是通过对沥青成型后的试模进行拉伸加载测试沥青性能，而测力延度试验具备实时记录加载过收稿日期：2 0 2 2-12-14。作者简介：乔艳（1990 一），女，本科，高级工程师，主要从事路桥工程检测。电子邮箱：2 50 0 11343 。第3期程中的荷载值和位移数据以及更多的数据处理功能，在反映沥青拉伸特性的同时，还可以通过荷载位移曲线反映沥青的黏韧特性。测力延度试验被Wiley4等用于评价改性沥青的性能，结果表明试验得到的最大拉力与沥青面层产生的收缩应力存在一定比例关系。Radizisewski5等提出基于测力延度试验得到的韧性指标可以用于评价改性沥青的性能，同时研究发现改性沥青的韧性与改性沥青混合料的疲劳寿命存在一定联系。陈佩林 6 等使用测力延度仪对不同聚合物改性沥青进行大量测试，通过对试验所导出的荷载位移曲线特征进行量化分析，证明了测力延度试验可以有效评价改性沥青结合料的性能。沈建荣 7 等采用测力延度试验对四种不同类型的改性沥青低温拉伸性能进行测试,探讨了改性剂类型、基体沥青以及热老化等因素对改性沥青拉伸性能的影响。1试验原材料及试验介绍1.1试验原材料试验选用4种SBS沥青，中亿通SBS沥青，通沙SBS沥青，PG64SBS沥青和PG82SBS沥青。其中PG64SBS沥青为3.5%SBS掺量的自制改性沥青，PC82SBS沥青为5.0%SBS掺量的自制改性沥青（基质沥青均使用双龙7 0 基质沥青，SBS改性剂种类均为SBS-1301）。4种SBS沥青相关基础物理性能如表1所示。表1四种SBS沥青基础物理性能5延度/软化点/针入度135黏度/项目cm通沙SBS沥青40.4中亿通SBS沥青33.9PG64SBS沥青34.8PC82SBS沥青28.11.2试验设备及试验方法测力延度试验采用德国Infratest公司生产的20-2356型测力延度仪，拉伸速率为50 mm/min；该试验设备自带计算机数据处理终端系统，可自动实时采集测力传感器与位移传感器测试的荷载、位移数据，并绘制荷载位移曲线，试验模具采用“8”字模。沥青模具成型步骤与普通低温延度试验相同，将加热后具备较好流动性的沥青浇筑试模乔艳，等测力延度试验评价沥青低温性能的指标研究(10-mm)86.558.084.054.084.057.087.050.029后，常温下冷却1.5h，使用热刮刀刮除试模表面多余沥青，并在试验测试温度的恒温水槽中养护1.5h，拆模后放入加载台并启动计算机和测力延度仪进行拉伸加载试验。考虑到SBS沥青在5试验条件下的加载常出现断裂缺口不一致且再现性较差的情况，将试验温度设置为10。此外，为了探究基于荷载位移曲线得到的黏韧性指标评价沥青低温性能的可行性，与低温弯曲梁流变试验测试结果进行了相关性分析。为了便于下文的叙述与分析，本节将通沙SBS沥青，中亿通SBS沥青，PG64SBS沥青和PG64SBS沥青分别简称为TS、ZYT、PG 6 4和PG82。2荷载位移曲线低温性能评价指标研究2.1典典型荷载位移曲线简介SBS改性沥青的典型荷载位移曲线如图1所示。其中AB段为曲线上升部分的近似直线段；DE段为曲线下降部分的近似直线段，DE延长线交于轴于点O；曲线ABCDE与DO和轴所围面积为Sv；曲线EFG与线段EO和x轴所围成的面积为Sr；Fi m a x 为改性沥青的第一峰值力；F2max为改性沥青的第二峰值力；Dmx为最大位移。40353025拉2 015(Pa s)102.355502.295-1000100200元30 0 40 02.040位移/mm3.300图1典型荷载位移曲线沥青试样加载初期，在较短时间内发生明显的弹性变形，随之，荷载随位移增大呈上升趋势，沥青的黏弹特性得到体现；当荷载位移曲线出现峰值形态后，荷载随位移增大而降低，但由于改性剂与沥青形成的交联结构的存在，提高了沥青的黏韧性，其低温抗裂性能得以进一步改善，当拉伸变形达到一定程度后，荷载开始随位移增大继续出现上升趋势，随后加载至第二峰值力出现后，试样被拉断。FCBDESVA0ST500600700G302.2荷载位移曲线分析四种SBS沥青在10 条件下由测力延度试验加载所得到的荷载位移曲线如图2 所示。从图2（a）（d）可以得到以下结论：（1）四种SBS沥青的荷载位移曲线变化趋势相同。试验加载开始时，沥青荷载随着位移的增大呈现近似直线的增长，达到沥青第一峰值力以后，沥青内部结构出现损伤，荷载随着位移增长出现减小，直至进入应力松弛阶段后开始出现了类似金属拉伸加载时的强化阶段。这是因为沥青拉伸变形达到一定程度以后，SBS改性剂与沥青体系所形成的网络交联结构由无序取向转变为定向取向，强度得到提高，最后试样进行人第二峰值力，沥青随后出现断裂破坏。（2）不同的是这四种SBS沥青的特征峰值力与最大位移值不同，SBS沥青的荷载位移曲线存在双峰值力，第一个峰值力与沥青自身体系特性相关，即基体沥青峰值力，SBS沥青的第二个峰值力可以表征改性剂与基体沥青的改性效果 8 。PG64与PG82均为使用双龙7 0 基质沥青制备的SBS改性沥青，SBS改性剂掺量分别为3.5%和5.0%，因此二者的第一峰值力几乎保持一致。PG82的第二峰值力显著大于PG64的第二峰值力，也即说明PG82的改性效果更好。6050拉3 0201000605030201000石油沥青605030201000100200300位移/mm(c)PG6460504030201000图2 四种SBS沥青荷载位移曲线2.3低温评价指标分析SBS沥青荷载位移曲线特征指标区间定义如图3所示。前文介绍了关于典型SBS沥青荷载位移曲线的研究，其中对特征指标定义时采用初始阶段曲线进行近似直线的线性回归处理，不可避免的会产生误差，其次，在IJ下降段的切线与x轴的交点不一定在曲线内部，也存在交点位置并不在曲线内部的情况，所以本研究在总结分析先前荷载位移曲线的研究基础上，对当前黏韧性指标的定义进行拓展。100100200300位移/mm(a)TS100200300位移/mm(b)ZYT2023年第37 卷400 500600100200位移/mm(d)PG82400500600400500600300I806040200图3荷载位移曲线特征指标区间定义图3中H点为荷载位移曲线起始点，I点为第一峰值力，由I点向x轴做垂线，交点为垂足M400500KJSHM0100200位移/mm300400第3期点，曲线HI段与垂线IM以及轴所围成的面积为Sv，定义为黏弹性面积，曲线IJKL与垂线IM以及x轴所围成面积为Sr,定义为韧性部分面积。四种SBS沥青荷载位移曲线指标计算结果沥青Dmax/mmTS513.4ZYT525.9PG64571.0PG82467.7四种SBS沥青黏韧性指标Fmax、F2 mx、Sv、Sr、D mx 和Rv/r分别如图4（a）（d）所示。从图4（a）（d）可以得到以下结论：（1）四种SBS沥青中，PG82与PC64均为双龙7 0*基质沥青制备的SBS沥青，两者的Fimx几乎没有差别，而F2max差别很大，且PG82的F2m值为四种沥青中最大值，验证了相关研究关于 F与改性沥青的基体沥青性质有关，F2m与改性沥青的改性效果有关的观点。（2）PG 8 2 的Sv和S均为四种SBS沥青中最大值，说明PG82的黏弹部分与韧性部分均大于其他沥青，结合沥青的峰值力分析，PG82因为具备较好的弹性响应与韧性，所以在拉伸加载过程中抵抗拉伸变形的力更大，所以沥青峰值力更大。（3）四种沥青中，PC82的Dmax最小，而Rv/r最大，说明当沥青的弹韧比较大时，沥青低温条件下的拉伸变形能力差，沥青的低温性能也愈差。3低温评价指标相关性分析四种SBS沥青的低温弯曲梁流变试验结果如表3所示。60F1mexF2max504030乔艳，等测力延度试验评价沥青低温性能的指标研究表2 四种SBS沥青荷载位移曲线黏韧性指标计算结果Fimax/NF2max/N40.8045.2841.3846.9245.0043.2843.9855.22TSZYT(a)Fm31如表2 所示。表2 中指标的定义，Fima为SBS沥青的第一峰值力，F2max为SBS沥青的第二峰值力，SV为弹性面积，S为韧性面积，Rv/为韧性部分面积与弹性部分面积的比值。Sv/(N m)ST/(N:m)0.27414.9860.30615.9070.32416.6410.48917.072500450400S35030025060050040030020010000.0300.0250.0200.0150.0100.0050.000图4四种SBS沥青黏韧性指标黏韧性指标与低温流变指标的相关性计算结果与关联趋势分别如表4和图5所示。由表4和PG64PG82Rv/T0.018 300.019 230.019 500.028 7017000-ST1600015000TSZYT(b)Sv和STTSZYT(c)DmaTSZYT(d