道路石油瀝青技術(shù)性能-高溫及低溫性能

道路瀝青的路用性能瀝青混合料的高溫及低溫性能道路瀝青路用性能感溫性高溫性能低溫性能抗疲勞性老化性粘附性其他性能指標(biāo)軟化點和當(dāng)量軟化點粘度DSR（SHRP）高溫性能低溫性能低溫勁度模量低溫針入度脆點與當(dāng)量脆點延度低溫收縮DTT（SHRP）BBR（SHRP）低溫粘度玻璃化溫度路用性能結(jié)構(gòu)示意圖高溫性能問題的提出瀝青路面的高溫流動變形問題是世界各國普遍關(guān)注的路面損壞形式之一。我國大部分地區(qū)夏季高溫，瀝青路面溫度最高達(dá)70℃，瀝青材料接近塑性流動狀態(tài)，抗變形能力差。與瀝青高溫下勁度息息相關(guān)。一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點軟化點基本意義：在特定條件下，表示瀝青軟硬程度的條件溫度。瀝青的最基本性質(zhì)指標(biāo)，我國三大常用瀝青指標(biāo)之一，也是大多數(shù)國家用來表征瀝青高溫性能的指標(biāo)。數(shù)字表達(dá)形式直觀，直接與路面軟化變形程度相關(guān)聯(lián)。一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點軟化點試驗方法中國：采用環(huán)與球法，TR&B一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點軟化點環(huán)與球法鋼球質(zhì)量3.5g升溫速率5℃/min起始溫度5℃一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點軟化點其他國家德國：克-沙氏法（KramerSarnowtest），測定值K（℃）與環(huán)球法軟化點之間的關(guān)系：美國:立體法（CubeMethod）一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點軟化點影響因素瀝青質(zhì)的含量根據(jù)J.R.Dickie的研究，瀝青的軟化點由瀝青的組分決定。以x、y、z、w分別表示瀝青質(zhì)、樹脂、芳香烴、飽和烴的含量，則軟化點可由下式表示，其誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為3℃。蠟含量一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點軟化點主要應(yīng)用與針入度一樣，常常作為控制制造工藝、檢驗產(chǎn)品質(zhì)量、評定瀝青性質(zhì)及選擇使用條件等。與針入度一起求解PI值，表征瀝青的感溫性。與弗拉斯脆點一起評價瀝青的使用性能。一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點當(dāng)量軟化點軟化點指標(biāo)的弊端W型瀝青中的蠟成分對軟化點造成假象軟化點結(jié)果受試驗操作影響大試件預(yù)處理方法、時間、水浴的攪拌、加熱速率、測溫方法及升溫速率一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點當(dāng)量軟化點概念的提出在我國，多蠟瀝青的問題比其他國家都突出，為了解決軟化點的問題，我們經(jīng)過“七五”、“八五”兩個國家科技攻關(guān)專題的研究，提出了采用修正軟化點代替實測的環(huán)球法軟化點，稱為當(dāng)量軟化點。當(dāng)量軟化點根據(jù)“等粘溫度”原理提出，表達(dá)瀝青粘度所能承受的極限，大體相當(dāng)于針入度達(dá)到800時的溫度，遂定義此溫度為當(dāng)量軟化點，T800.一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點當(dāng)量軟化點確定方法（一）根據(jù)溫度敏感性系數(shù)得到：一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點當(dāng)量軟化點確定方法（二）根據(jù)三個及三個以上溫度下的針入度回歸PI值，確定A、K由PI回歸公式進(jìn)行反算：以針入度為基礎(chǔ)，容易掌握；實驗設(shè)備，推廣應(yīng)用不存在任何困難！較之方法一、更為準(zhǔn)確！一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點當(dāng)量軟化點優(yōu)點：當(dāng)量軟化點發(fā)揮了軟化點的功能，具有軟化點的所有優(yōu)點，又克服了多蠟瀝青的影響。“八五”專題要求：“八五”根據(jù)各地區(qū)所要求的PI值，提出T800的最低值。一、瀝青的軟化點與當(dāng)量軟化點當(dāng)量軟化單注意事項：當(dāng)量軟化點取決于瀝青的針入度值，它的本質(zhì)仍然是指數(shù)。提出當(dāng)量軟化點并不等于將環(huán)球法測定的軟化點全盤否定。實測軟化點在瀝青生產(chǎn)和質(zhì)量檢驗上仍然是重要而方便的指標(biāo)。二、瀝青結(jié)合料的粘度粘度定義：瀝青式樣在規(guī)定條件下流動時所產(chǎn)生的抵抗力或內(nèi)部阻力。常用試驗方法普通道路石油瀝青：真空減壓毛細(xì)管法二、瀝青結(jié)合料的粘度粘度常用試驗方法聚合物改性瀝青孔徑較粗的毛細(xì)管法布洛克菲爾德（Brookfield）粘度計法(旋轉(zhuǎn)粘度計法，RAV）確定高溫粘度逆流式毛細(xì)管法賽波特粘度計法RAV乳化瀝青和煤瀝青恩格拉粘度計法標(biāo)準(zhǔn)粘度計法二、瀝青結(jié)合料的粘度粘度60℃粘度60℃恰好處在夏季路面的高溫條件，反映路面的實際情況，為了使瀝青混合料具有良好的抗流動變形能力，希望瀝青在此溫度下有較高的粘度。我國采用的試驗方法為真空減壓毛細(xì)管法。二、瀝青結(jié)合料的粘度粘度60℃粘度理論公式的推導(dǎo)：二、瀝青結(jié)合料的粘度粘度60℃粘度試驗注意事項：選擇適當(dāng)?shù)拿?xì)管，使流出時間t不小于60s毛細(xì)管的清洗、預(yù)熱以及成樣后的恒溫水浴溫度控制真空度的穩(wěn)定狀況二、瀝青結(jié)合料的粘度粘度雙筒旋轉(zhuǎn)式粘度計主要用于測定牛頓流體，適用于測定高溫（一般在軟化點以上）的視粘度。二、瀝青結(jié)合料的粘度粘度雙筒旋轉(zhuǎn)粘度計若干假定：圓筒內(nèi)流體式樣為非壓縮性外筒作等速旋轉(zhuǎn)時，液體的運動也做等速運動，即dω/dt=0內(nèi)外筒長度方向無限，忽略筒底面粘滯力的影響式樣在圓筒表面無滑移，不做相對運動運動過程中不考慮內(nèi)部溫升二、瀝青結(jié)合料的粘度粘度簡化雙筒旋轉(zhuǎn)粘度計—布洛克菲爾德粘度計（RAV）用于測定牛頓流體或非牛頓流體之剪應(yīng)力與剪變率之比，即表觀粘度常用于測定瀝青的高溫粘度三、動態(tài)剪切試驗優(yōu)越性道路的行車荷載不是靜止的，而是連續(xù)不斷的反復(fù)荷載，要研究瀝青材料的真正的力學(xué)響應(yīng)，應(yīng)注重動載作用下的變形特性，即動粘彈性。振動荷載下，瀝青的流變特性受到粘彈性的影響，與靜載下有很大不同。三、動態(tài)剪切試驗動態(tài)剪切流變儀（DSR）美國戰(zhàn)略公路研究計劃（SHRP）在瀝青膠結(jié)料路用性能規(guī)范中提出評價瀝青結(jié)合料高溫穩(wěn)定性指標(biāo)，采用動態(tài)剪切流變儀（DynamicShearRheometer）主要的試驗方法應(yīng)力控制應(yīng)變控制三、動態(tài)剪切試驗主要指標(biāo)ACB時間t施加的剪應(yīng)力時間t產(chǎn)生的剪應(yīng)變Δtτmaxγmaxτminγmin三、動態(tài)剪切試驗主要指標(biāo)計算實軸虛軸三、動態(tài)剪切試驗主要指標(biāo)控制SHRP對原樣瀝青及RTFOT后殘留瀝青分別進(jìn)行兩次動態(tài)剪切試驗，在設(shè)計高溫下以10rad/s的角速度進(jìn)行，以G*/sinδ為評價指標(biāo)原樣瀝青的G*/sinδ不得小于1.0kPaRTFOT后的殘留瀝青的G*/sinδ不得小于2.2kPa四、零剪切粘度提出背景現(xiàn)行Superpave瀝青結(jié)合料規(guī)范通過動態(tài)剪切流變試驗計算車轍因子G*/Sinθ,以此來評價瀝青結(jié)合料的高溫性能。然而,FHWA和瀝青協(xié)會的試驗證明,車轍因子G*/Sinθ并不能很好地評價聚合物改性瀝青的高溫性能,許多試驗路段的結(jié)果也都證實PG高溫等級相同瀝青的路用性能存在差異,這促使道路工作者著力于尋求更合理的高溫性能評價指標(biāo)。在這一背景下,瀝青結(jié)合料零剪切粘度(ZeroShear-rateViscosity,ZSV)的提出在以歐洲為首的許多國家和地區(qū)引起了廣泛的關(guān)注。四、零剪切粘度

大多數(shù)瀝青結(jié)合料在路面工作溫度下屬于偽塑性非牛頓流體。研究發(fā)現(xiàn),在剪切速率(或剪應(yīng)力)非常小或非常大的極限情況下,偽塑性非牛頓流體的粘度接近于常數(shù)。偽塑性流體在第一牛頓流區(qū)域中粘度趨于常數(shù),并達(dá)到最大值,這一粘度被稱為零剪切粘度或絕對粘度。四、零剪切粘度粘度隨剪切速率的變化趨勢四、零剪切粘度主要的求算方法低頻率正弦剪切試驗該方法在低頻率正弦剪切荷載作用下測定瀝青結(jié)合料的剪切損失模量G’’或損失柔量J’’，當(dāng)剪切速率w很小時，近似認(rèn)為G’’/w或1/（wJ’’)既為零剪切粘度ZSV（或η0）值：四、零剪切粘度圖形外推法：對不同剪切頻率下的復(fù)合粘度值進(jìn)行掃描,得出復(fù)合粘度隨剪切頻率的變化曲線,曲線向低頻率方向進(jìn)行外推即可得到ZSV值。四、零剪切粘度四參數(shù)十字方程（CrossEquation）：或在0.1~100的剪切頻率內(nèi)，假設(shè)有四、零剪切粘度蠕變及蠕變回復(fù)試驗法：蠕變試驗中，施加的σ0為恒量，而應(yīng)變響應(yīng)γ則為時間的函數(shù)，測得的應(yīng)變與施加的應(yīng)力之比為蠕變?nèi)崃浚核?、零剪切粘?/p>

曲線變化規(guī)律按蠕變現(xiàn)象可分為蠕變遷移、蠕變穩(wěn)定和蠕變回復(fù)三個階段。其中蠕變穩(wěn)定階段的應(yīng)變增長率保持恒定，柔量（或應(yīng)變）隨時間呈直線增長，直線斜率的倒數(shù)既為η0：

蠕變回復(fù)階段應(yīng)力被卸除，應(yīng)變(或柔量)中的彈性部分逐漸回復(fù)，通過殘余的粘性部分亦可得到η0低溫問題的提出瀝青混凝土面層的溫度開裂是路面破壞的主要形式之一。氣溫驟降造成面層溫度收縮溫度疲勞半剛性基層溫縮、干縮對瀝青面層的綜合作用瀝青路面的低溫抗裂性能取決于瀝青結(jié)合料的低溫拉伸變形能力，貢獻(xiàn)率達(dá)90%。加拿大、美國、日本等國家在各自的國家公路計劃中對低溫性能做了大量的研究。低溫問題的提出我國在“七五”、“八五”兩個國家科技攻關(guān)專題中，對瀝青及瀝青混合料的低溫性能作了比較深入的研究在制定相關(guān)規(guī)范時，結(jié)合國內(nèi)外的研究工作，提出了一系列的低溫性能指標(biāo)。一、瀝青的低溫勁度模量定義在一定的時間和溫度作用下，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。特點不是瀝青材料的性質(zhì)常數(shù)，而是取決于溫度和時間變化的參數(shù)。一、瀝青的低溫勁度模量確定方法由實驗得到不同的試驗方法在溫度和時間（速率）的控制上相差較大，造成的大的系統(tǒng)誤差由VanderPoer諾謨圖得到取決于瀝青的針入度指數(shù)PI、軟化點及和荷載的作用時間PI值由針入度回歸得到，軟化點采用當(dāng)量軟化點T800粘度已知時，由公式得到一、瀝青的低溫勁度模量應(yīng)用瀝青混合料的低溫勁度是決定是否開裂的最根本因素，而決定瀝青混合料低溫勁度的主要因素是瀝青結(jié)合料的勁度和在瀝青混合料的所占的比例。根據(jù)經(jīng)驗公式計算瀝青混合料的低溫勁度模量，判斷開裂條件。二、低溫針入度意義針入度值是許多國家選擇瀝青標(biāo)號的而重要指標(biāo)老化后的針入度與瀝青的抗裂性能關(guān)系密切評價瀝青的低溫性能，更低溫度的針入度價值更大瀝青混合料的脆化點溫度與5℃針入度有較好的相關(guān)關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)差僅為±2℃二、低溫針入度試驗設(shè)備二、低溫針入度確定方法任意改變針入度試驗的三大要素：溫度、荷載條件、貫入時間，得出大范圍的瀝青流變學(xué)性質(zhì)回歸針入度時間指數(shù)B測定低溫下，較長作用時間下的針入度值，在雙對數(shù)坐標(biāo)上繪制針入度時間流變曲線，得到良好的線性關(guān)系，從而延伸得到低溫下的針入度值二、低溫針入度針入度與粘度之間的關(guān)系Saal公式日本有福武治公式林誠之公式AAPT三、脆點與當(dāng)量脆點弗拉斯脆點定義在等速降溫條件下用彎曲受力方式測定瀝青脆裂的溫度。意義反映瀝青低溫脆性，一般認(rèn)為針入度大、針入度指數(shù)大的瀝青其脆點越低、抗裂性能越好。弗拉斯脆點是低溫條件下瀝青結(jié)合料脆裂的溫度，主要是描述路面荷載作用下開裂的模式。三、脆點與當(dāng)量脆點確定方法玻璃板試驗皿氏脆點試驗弗拉斯法涂于金屬片上的瀝青試樣薄膜在規(guī)定條件下，因被冷卻和彎曲而出現(xiàn)裂紋時的溫度，以℃表示，既為弗拉斯脆點。BTDC圖表三、脆點與當(dāng)量脆點當(dāng)量脆點計算公式“八五”成果該專題明確采用T1.2作為評價瀝青結(jié)合料的低溫性能指標(biāo)，并為各氣候分區(qū)的最小PI要求值，提出了最低T1.2的要求。四、延度定義在規(guī)定的拉伸速度和溫度下，拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件的兩端直到斷裂的長度。意義4℃或15℃時得到的延度結(jié)果能夠間接地反映在路面使用溫度時的瀝青粘度和剪切敏感性的關(guān)系。0℃與瀝青路面抗裂性有重要關(guān)系。雖然國內(nèi)外對延度意義有不同看法，但是大都認(rèn)為瀝青的延度與路面的使用性能有一定相關(guān)性，尤其是低溫延度與低溫開裂性能關(guān)系密切。在我國，瀝青的延度對于限制蠟的含量也有重要意義。四、延度試驗概況四、延度低溫延度低溫環(huán)境下，延度值普遍偏小，很難將不同的瀝青性能區(qū)分開，可減小拉伸速率。溫度過低，試件多發(fā)生脆性斷裂，因此，選擇合適的試驗溫度很必要。測力延度測力延度在一定程度上反映了瀝青的拉伸性能，更加適用于改性瀝青。五、低溫收縮定義Hills和Biren推薦的溫度應(yīng)力公式：式中，σ(T)是在降溫速率T條件下引起的溫度應(yīng)力的累積；

S(△T)為各個溫度間隔△T中值時的混合料勁度模量；

α是在溫度下降T0~Tf時瀝青混合料的平均溫度收縮系數(shù)。五、低溫收縮確定方法一端固定一端自由的懸臂小梁做等速降溫測定其長度的變化其他試驗方法仿水泥砂漿收縮儀試驗法進(jìn)入液體法“七五”計劃中，瀝青及瀝青混合料線性收縮法五、低溫收縮一般規(guī)律不同降溫速率的瀝青收縮系數(shù)也不同，降溫速率越快，收縮系數(shù)越小。即使降溫速率相同，不同溫度區(qū)間的收縮系數(shù)也不同，溫度越低，收縮系數(shù)越小。六、直接拉伸試驗（DTT）美國SHRP瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范推薦的抗裂指標(biāo)，確定瀝青試件極限拉伸應(yīng)變。通常的瀝青結(jié)合料在低溫時勁度小，延伸性好；勁度大的延伸性差，但不排除有的瀝青結(jié)合料勁度并不低，可在破裂前卻能進(jìn)一步延伸。BBR并不能完全反映這一延伸特性。DTT的目的是評價瀝青結(jié)合料的低溫拉伸性能，所以要求采用經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗（RTFOT）及壓力老化試驗（PAV）后的殘留瀝青進(jìn)行。六、直接拉伸試驗（DTT）試驗概況六、直接拉伸試驗（DTT）試驗概況試驗溫度：設(shè)計溫度+10℃拉伸速率：1mm/min六、直接拉伸試驗（DTT）試驗概況直接拉伸試驗和不同溫度的拉伸破壞模式七、簡支梁彎曲蠕變試驗（BBR)美國SHRP瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范推薦彎曲梁流變儀（BendingBeamRheometer）BBR結(jié)合動態(tài)剪切試驗可以評價瀝青結(jié)合料從低溫到高溫的很大溫度范圍的勁度模量的全部信息。BBR結(jié)合直接拉伸試驗?zāi)芨娴牧私饨Y(jié)合料的低溫抗裂性能。七、簡支梁彎曲蠕變試驗（BBR）瀝青樣本瀝青路面的低溫開裂是發(fā)生在瀝青路面使用一定時間、瀝青老化、勁度增大、極限勁度減小后的低溫情況下，所以SHRP建議采用先經(jīng)過RTFOT模擬瀝青在施工過程中的熱老化，再經(jīng)壓力老化試驗（PAV）模擬瀝青路面經(jīng)過至少5年的使用期老化后的瀝青樣本。七、簡支梁彎曲蠕變試驗（BBR）試驗概況試驗溫度：設(shè)計溫度+10℃計算機(jī)自動采集荷載、變形，并自動計算蠕變勁度S、蠕變速率m。七、簡支梁彎曲蠕變試驗（BBR）試驗概況彎曲蠕變曲線八、低溫粘度意義瀝青的低溫粘度反映瀝青在低溫條件下的變形性能，低溫粘度越大，說明低溫下有較大的柔性，抗開裂性能好。八、