CN103616314A

CN103616314A - 一种基于沥青胶结料温度敏感性的评价方法

Info

Publication number: CN103616314A
Application number: CN201310414229.5A
Authority: CN
Inventors: 于新; 王英; 尹龙
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2014-03-05

Abstract

本发明涉及一种基于沥青胶结料温度敏感性的评价方法，其特征在于具体步骤包括：步骤一沥青胶结料原料准备；步骤二沥青胶结料成品测试：应用DSR动态剪切流变仪中的温度扫描试验方法，测定沥青胶结料的存储模量（G’）和损耗模量（G’’）；步骤三沥青胶结料温度敏感性确定：将测试参数G’、G’’和T分别取双对数进行回归，得到线性回归线，取其斜率的绝对值分别作为存储模量温度敏感性指数和损耗模量温度敏感性指数。本发明能够很好地评价和确定沥青胶结料的温度敏感性，为道路石油沥青、SBS等改性沥青或橡胶沥青的路面在使用过程中提供合理性指导。

Description

一种基于沥青胶结料温度敏感性的评价方法

技术领域

本发明属于道路工程路面材料技术领域，特别是涉及一种基于沥青胶结料温度敏感性的评价方法。

背景技术

沥青材料相对于其它工程材料有其特殊性，在高温或低速荷载的条件下其表现为流动液体，在低温或高速荷载的条件下则表现为弹性固体，而在中等温度或中等施载速度道路的服务条件下沥青材料则具有粘弹力学特性，并且其粘性与弹性力学组成将随着温度变化而变化。沥青材料的温度敏感性是决定沥青使用时的工作性以及应用于路面中的服务性的重要指标。现有用于评价沥青温度敏感性指标的方法，主要有针入度指数（PI）法、针入度粘度（PVN）法、粘温指数（VTS）法、复数模量指数（GTS）法等。“八五”国家科技攻关“道路沥青及沥青混合料路用性能的研究”报告中提出，可以用3个或3个以上不同温度的针入度作为计算针入度指数的指标，它们由15℃、25℃、30℃（或5℃）3个或以上（必要时增加10℃、20℃）不同的针入度回归求得。但是针入度指数（PI）法试验精度较差，计算所采用的温度区间过于狭窄，并不能准确地评价沥青胶结料的感温性能。针入度粘度指数（PI）法是指通过25℃针入度与135℃粘度来评定沥青的温度敏感性。该法明显数据采集点温差较大采集点过少。粘温指数（PVN）法表示不同温度下的粘度通过Saal公式回归后的斜率。相对PI法和PVN法，粘温指数（VTS）法的温度区间变大，但是主要评价的是施工温度附近的温度敏感性。复数模量指数（GTS）法利用反映材料物理力学指标的G*构造感温性指标GTS，该方法拓宽了的温度区间，克服了针入度指数（PI）法试验精度的不足和外延性误差，但由于该方法采用的仅是单指标评价沥青胶结料的温度敏感性，所以不能有效地反映沥青胶结料的粘弹特性随温度的变化，更不能全面反应沥青胶结料的温度敏感性。如何克服现有的包括复数模量指数（GTS）法在内的评价各种沥青胶结料温度敏感性指标存在的不足，且无法有效地反映沥青胶结料粘弹性状态随温度变化的状况，已成为当今道路工程路面材料技术领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种基于沥青胶结料温度敏感性的评价方法，本发明能够很好地评价和确定沥青胶结料的温度敏感性，为道路石油沥青、SBS等改性沥青或橡胶沥青的路面在使用过程中提供合理性指导。

根据本发明提出的一种基于沥青胶结料温度敏感性的评价方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一，沥青胶结料原料准备：采用70^#道路石油沥青、I-DSBS改性沥青以及橡胶沥青，橡胶沥青中的橡胶粉颗粒粒径为30-80目，橡胶粉的质量占70^#道路石油沥青质量的20%；

其中，橡胶沥青制备：是将70^#道路石油沥青置于搅拌油浴锅中加热至180±5℃，然后将橡胶粉缓慢加入到70^#道路石油沥青中，保持加热温度180±5℃、控制搅拌速度为1000转/min、拌合时间为45min，即可得到橡胶沥青成品；

步骤二，沥青胶结料成品测试：应用DSR动态剪切流变仪中的温度扫描试验方法，测定步骤一准备的沥青胶结料的存储模量（G’）和损耗模量（G’’），其中，测定的温度范围为25℃～80℃，该温度范围内每间隔5℃为1个测温点，测定频率为10rad/s、应变控制为12%、取Φ25mm平行板，其中两块70^#道路石油沥青平行板的间距及两块I-DSBS改性沥青平行板的间距均为1.0mm、两块橡胶沥青平行板的间距至少为1.0mm或至少为橡胶粉颗粒粒径的4倍；

步骤三，沥青胶结料成品温度敏感性确定：将步骤二得到的沥青胶结料成品的测试参数G’、G’’和T分别取双对数进行回归，得到线性回归线，取其斜率的绝对值分别作为存储模量温度敏感性指数和损耗模量温度敏感性指数，其中：胶结料温度敏感性复数指数的定义如下：

CNI=G’TS+G’’TS·i

式中：CNI——沥青胶结料温度敏感性复数指数（ComplexNumberIndex）；

G’TS——存储模量温度敏感性指数，为存储模量对数与温度（绝对温度）对数线性回归斜率绝对值；

G’’TS——损耗模量温度敏感性指数，为损耗模量对数与温度（绝对温度）对数线性回归斜率绝对值。

本发明的评价原理是：本发明巧妙地运用了复数指数方法，找到了影响沥青胶结料成品温度敏感性的要素，即G’、G’’和T及其它们的相互关系，再通过本发明的三个具体步骤的系统协同作用，使得本发明能够顺利地得到G’TS和G’’TS值。当G’TS值变小时，则表明沥青胶结料成品存储模量温度敏感性变好；反之亦然；当G’’TS值变小时，则表明沥青胶结料成品损耗模量温度敏感性变好；反之亦然。因此，得到G’TS和G’’TS值就能够很好地确定沥青胶结料成品的存储模量温度敏感性和损耗模量温度敏感性。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明能够分别评价沥青胶结料的粘弹性随温度的变化情况，可以更加全面地反映和确定沥青胶结料的温度敏感性；二是本发明试验数据采集的温度范围宽，试验数据的准确性高；三是本发明采用的试验仪器设备精密度高，所得试验数据可靠且相关性好。本发明能够为道路石油沥青、SBS等改性沥青或橡胶沥青路面在使用过程中提供合理性指导。

附图说明

图1是本发明所述的沥青复数模量G*双对数随温度对数变化趋势图。

图2是本发明所述的存储模量对数与温度对数关系图。

图3是本发明所述的损耗模量对数与温度对数关系图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提出的一种基于沥青胶结料温度敏感性的评价方法，具体步骤如下：

步骤二，沥青胶结料成品测试：应用DSR动态剪切流变仪中的温度扫描试验方法，测定步骤一准备的沥青胶结料的存储模量（G’）和损耗模量（G’’），其中，测定的温度范围是25℃～80℃，该温度范围内每间隔5℃为1个测温点，测定频率为10rad/s、应变控制为12%、取Φ25mm平行板，其中两块70^#道路石油沥青平行板的间距及两块I-DSBS改性沥青平行板的间距均为1.0mm、两块橡胶沥青平行板的间距至少为1.0mm或至少为橡胶粉颗粒粒径的4倍；

CNI=G’TS+G’’TS·i

本发明进一步的优选方案是：步骤一所述的橡胶沥青中橡胶粉的粒径为40目；步骤二所述的两块橡胶沥青平行板的间距为1.0mm或橡胶粉颗粒粒径的4倍。

本发明与针入度指数（PI）法、针入度粘度（PVN）法、复数模量指数（GTS）法对沥青胶结料温度敏感性进行评价对比的具体实施例如下：

实施的具体条件是：所用的沥青为70^#道路石油沥青、I-DSBS改性沥青以及橡胶沥青，选用橡胶粉颗粒粒径为40目，橡胶粉的质量占70^#道路石油沥青质量的20%，橡胶沥青制备时采用搅拌油浴加热，搅拌油浴采用电子温控仪自动控温，控温温度为180±5℃、搅拌速度为1000转/min、拌合时间为45min。

针入度指数（PI）法：采用10、15、20、25、30℃等5个温度进行针入度试验，取其中三个温度的针入度值进行回归计算，在满足回归系数要求（当置信度为95％时，由3个温度的针入度回归的相关系数应在0.997以上），计算不同温度区间对应的PI值，结果如下表1。

表1沥青针入度指数

表1计算结果表明，尽管针入度值对温度的线性方程的相关系数都较好（相关系数>0.997），然而不难发现，即使在相对较小的10-30℃温度区间内，不管是70^#道路石油沥青、I-DSBS改性沥青还是橡胶沥青，不同温度区间的PI值离散系数都很高，PI值与取的温度区间是有密切关系，因此PI只能在很窄的温度区表征沥青的温度敏感性。

针入度粘度（PVN）法：采用25℃针入度、135℃和60℃粘度计算不同胶结料的PVN值，试验结果如表2所示：

表2沥青的针入度粘度指数PVN

从表2可以看出，利用60℃粘度和135℃粘度计算出来的PVN值相差很大，在同一种评价标准下，同样的沥青将得到不同的温度敏感性评价。并且沥青是典型的粘弹塑性材料，仅采用两个温度点下的指标确定材料的温度敏感性是不合适的。

复数模量指数（GTS）法：利用动态剪切流变仪(DSR)测定沥青在高温和中温区(>0℃)的温度敏感性。G^*是沥青本身动力弹性模量和损失弹性模量的矢量和，有明确的物理意义，是对沥青本身固有的应力、温度和频率一定时的物理性质的定量描述，它可以忽略沥青改性与否从而对所有的胶结料进行统一的评价，因而较为合理。三种沥青复数模量G*双对数随温度对数的变化趋势如图1所示。

表3沥青复数模量GTS值和回归系数R

从表3可以发现，复数模量指数法的温度区域（25-80℃）比针入度指数法（15、25、30℃）的温度区域要宽，可以在更宽的范围内评价沥青胶结料的温度敏感性。橡胶沥青复数模量指数法不同温度区域的回归系数很高，离散系数（0.097）比针入度指数法中的离散系数（1.430）低很多，利用DSR试验得到的数据更稳定。G*直接反映材料的力学性能，GTS直接反映了材料力学性能随温度的变化情况，比经验性指标的针入度更能反应橡胶沥青的温度敏感性。在描述I-DSBS改性沥青和橡胶沥青的温度敏感性时，采用G*回归得到的结果GTS与采用经验性的针入度回归得到的PI相比，GTS在其科学性和可靠性上有一定的优势。但该方法采用的仅是单指标评价沥青胶结料的温度敏感性，无法有效地反映沥青胶结料粘弹性状态随温度的变化状况。

本发明的评价方法：沥青胶结料复数模量（G*）由存储模量（StorageModulus，G’）和损耗模量（LossModulus，G’’）组成，且各模量之间存在如下关系：

G'＝G^*·cosδ G''＝G^*·sinδ

从以上两式可得出G’和G”与G*及相位角δ都具有相关性，因此本发明首先对log(G’)、log(G’’)和log(T)之间的关系进行了回归，确定log(G’)、log(G’’)皆与log(T)之间存在的线性关系，从而得到存储模量温度敏感性指数和损耗模量温度敏感性指数。本发明的三种沥青存储模量与温度的双对数关系和损耗模量与温度双对数关系详见图2和图3。

根据本发明的评价方法所得到的各种沥青胶结料的温度敏感性复数指数如表4所示。

表4各种沥青胶结料的温度敏感性复数指数

从表4可以得出，橡胶粉及SBS的加入都能够较大程度地改善沥青胶结料温度敏感性。而通过对橡胶沥青与I-DSBS改性沥青温度敏感性复数指数的比较，SBS的加入对沥青胶结料存储模量（弹性部分）的温度敏感性改善较大，而橡胶粉对胶结料损耗模量（粘性部分）温度敏感性的改善则优于SBS。

通过上述四种评价沥青胶结料温度敏感性方法的比较可以得出，本发明不仅克服了针入度指数法评价区间窄、针入度粘度指数的采集点少的缺点，而且克服了复数模量指数不能分别评价粘弹性对温度的敏感性的不足。本发明提出的由存储模量及损耗模量温度敏感性指数组成的胶结料温度敏感性复数指数具有更好的实用价值。

本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims

1.一种基于沥青胶结料温度敏感性的评价方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一，沥青胶结料原料准备：采用70^#道路石油沥青、I-D SBS改性沥青以及橡胶沥青，橡胶沥青中的橡胶粉颗粒粒径为30-80目，橡胶粉的质量占70^#道路石油沥青质量的20%；

步骤二，沥青胶结料成品测试：应用DSR动态剪切流变仪中的温度扫描试验方法，测定步骤一准备的沥青胶结料的存储模量（G’）和损耗模量（G’’），其中，测定的温度范围为25℃~80℃，该温度范围内每间隔5℃为1个测温点，测定频率为10rad/s、应变控制为12%、取Φ25mm平行板，其中两块70^#道路石油沥青平行板的间距及两块I-D SBS改性沥青平行板的间距均为1.0mm、两块橡胶沥青平行板的间距至少为1.0mm或至少为橡胶粉颗粒粒径的4倍；

CNI = G’TS + G’’TS · i

式中：CNI——沥青胶结料温度敏感性复数指数（Complex Number Index）；

2.根据权利要求1所述的的评价方法，其特征在于步骤一所述的橡胶沥青中橡胶粉的粒径为40目。

3.根据权利要求1所述的的评价方法，其特征在于步骤二所述的两块橡胶沥青平行板的间距为1.0mm或橡胶粉颗粒粒径的4倍。