刘黎萍， 张晓英

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

沥青在沥青混合料抵抗高温变形中起重要作用。根据美国公路战略研究计划(strategic highway research program，简称为SHRP)，沥青的性能提供了40%的抗车辙能力，因此，良好的沥青高温稳定性是改善沥青路面高温稳定性的关键。目前，评价沥青的指标很多，在中国《公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)》[1]的沥青技术要求中，表征沥青高温性能的指标有实测软化点TR&B和针入度指数PI等，中国“八五”研究中建议了当量软化点T800的使用[2]；中国的沥青试验规范[3]也引入了美国高温分级(peformance grade，简称为PG)指标车辙因子G*/sinδ的试验方法。此外，还有美国提出的粘性蠕变劲度Gv[4]和不可恢复柔量Jnr[5]以及欧洲比较重视的零剪切粘度ZSV[6]等指标。这些指标的试验方法和指标的含义各不相同，哪种指标能直接反映沥青的高温路用性能，作为评价沥青结合料的高温性能目前尚没有统一的定论。

本研究选用6种不同标号的沥青，包括4种基质沥青和2种改性沥青，采用不同的试验方法和指标进行沥青高温性能评价，研究各项高温指标与沥青混合料单轴贯入试验获得的贯入强度之间的关系。根据沥青指标与混合料性能的联系密切程度，确定合适的沥青高温性能指标。

1 不同方法沥青高温性能评价

1.1 沥青材料

选用中石化基质沥青(30#,50#,70#和90#)、SBS改性沥青及橡胶粉改性沥青6种沥青。各试验沥青的基本性能见表1。

表1 试验沥青的基本性能Table 1 Test results of the asphalts

1.2 沥青高温性能评价试验方法与指标

沥青高温指标包括《公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)》[1]要求的实测软化点TR&B和“八五”研究提出的当量软化点T800；PG的高温性能分级指标车辙因子G*/sinδ，并采用等抗车辙因子临界温度TG*/sin δ和改进车辙因子G*/sin9δ等改进指标；美国的PG+规范中的新试验方法及相应指标，包括重复蠕变恢复(repeated creep recovery，简称为RCR)试验的粘性蠕变劲度Gv，多级应力蠕变恢复(muti-stress creep and recovery,简称为MSCR)试验的不可恢复蠕变柔量Jnr和恢复率R，以及欧洲重视使用的零剪切粘度ZSV。

1) 软化点TR&B和当量软化点T800。软化点是普遍使用的沥青高温性能指标之一，采用“环球法”测得，试验方法简单，数值表达直观。但中国的沥青多属于多蜡沥青，往往会出现实测软化点高于实际软化点的假象。中国“八五”研究提出采用当量软化点代替实测软化点，当量软化点T800是基于等粘温度原则提出的，定义为针入度为800(0.1 mm)时的温度，既能发挥软化点表征高温性能的功能，又能克服沥青含蜡量的影响。

2) 基于动态剪切流变(dynamic shear rheometer，简称为DSR)试验的指标。PG以车辙因子G*/sinδ作为反映沥青混合料高温抗车辙性能的指标[7]，DSR试验仪器的精度高、科学性强，其结果可信度高。但研究[8]表明：车辙因子G*/sinδ与沥青路面抗车辙性能的关联性小。PG釆用6 ℃为一个高温等级量度，通常认为等级高的沥青高温性能优于等级低的，而同等级的不同沥青比较时，则认为车辙因子G*/sinδ大者性能更好，但考虑不同沥青的感温性不同，这种比较不能真正地区分沥青性能的优、劣。等抗车辙因子临界温度TG*/sin δ(即车辙因子G*/sinδ达到规范值时所对应的温度，由G*/sinδ与温度回归曲线计算得出)可以解决不同沥青高温性能比较的问题。改进车辙因子G*/sin9δ是Shenoy[9]等人针对车辙因子评价改性沥青效果不佳的局限性，基于应变响应分析对车辙因子G*/sinδ提出的改进指标。该指标考虑了沥青的延迟弹性，以不可恢复变形表征沥青的高温性能。

3) 粘性蠕变劲度Gv。美国国家合作公路研究计划(National Cooperative Highway Research Program，简称为NCHRP)中指出，采用RCR试验来评价沥青的高温性能[4]，使用粘性蠕变劲度Gv作为新的评价指标。重复蠕变恢复过程以10 s为一个周期，包含1 s加载蠕变和9 s的卸载恢复。与DSR试验相比，RCR试验的加载模式更接近实际的交通荷载；该试验能够将粘性恒定流动造成的实际永久变形的耗散能与延迟粘弹性应变响应的阻尼进行分离，从而更好地反映改性沥青的非线性粘弹性响应[4]。本试验采用30 Pa的应力水平，蠕变恢复循环100次，以第50,51次蠕变加载的数据进行Burgers模型拟合，计算粘性蠕变劲度。

4) 不可恢复蠕变柔量Jnr。美国联邦公路局D’Angelo[5]等人在RCR试验的基础上提出了更简单、快速的MSCR试验方法，并以不可恢复蠕变柔量Jnr和蠕变恢复率R及相应的应力敏感性作为沥青结合料高温性能的评价指标。研究[9]表明：不可恢复蠕变柔量与美国联邦公路管理局(Federal Highway Administration，简称为FHWA)的路面快速加载试验机(acceierated loading facility，简称为ALF)的车辙深度存在良好的相关性，其关联性明显高于车辙因子的。本试验采用0.1 kPa和3.2 kPa 2种应力水平进行连续测试，每个水平进行10个周期的蠕变恢复，以3.2 kPa应力水平下的不可恢复蠕变柔量作为评价指标。

5) 零剪切粘度ZSV。沥青材料在大多路面温度环境下属于假塑性非牛顿流体，剪切速率接近于零时，流体变形达到稳定状态，其粘度趋近于最大值，即为零剪切粘度ZSV，它引起的不可恢复变形与车辙相关。欧洲及其他许多国家都非常重视这个指标，并提出用零剪切粘度评价改性沥青的高温性能[6]。本试验采用0.01～100 Hz的粘度频率进行扫描。采用Carreau模型，对不同剪切速率的粘度进行非线性拟合，计算零剪切粘度。

1.3 试验结果

流变试验采用TA的AR1500型号DSR流变仪进行，试验在64 ℃的温度中进行，试验样品为原样和RTFOT短期老化后沥青。6种沥青的各项高温指标试验结果见表2,3。

表2 原样沥青各高温指标测试结果Table 2 High-temperature performance tests results

表3 RTFOT后沥青各高温指标测试结果Table 3 High-temperature performance tests results after RTFOT

从表2，3中可以看出，不同的沥青高温指标对沥青的评价结果存在矛盾，例如：原样SBS沥青的实测软化点最高，但当量软化点低于30#基质沥青和橡胶粉改性沥青的；原样30#基质沥青的64 ℃的车辙因子高于橡胶粉改性沥青的，但其临界温度低于橡胶粉改性沥青的。表明：两者具有不同的感温性。此外，在RTFOT短期老化后，各沥青不同指标的排序也发生了一定的变化，如：原样SBS沥青的粘性蠕变劲度高于橡胶粉改性沥青的；而RTFOT后，原样SBS的粘性蠕变劲度却低于橡胶粉改性沥青的。因此，需要结合沥青混合料的高温稳定性做进一步分析，以准确评价沥青高温性能的指标。

2 沥青混合料高温单轴贯入强度评价

2.1 材料与方法

沥青混合料的集料均采用石灰岩，填料采用石灰岩矿粉。级配选择密级配沥青混合料AC-20。采用增大压实功、降低空隙率的设计原则，以空隙率3%对应的油量为最佳油量，得到不同沥青在不同压实功下的最佳油石比，最终得到旋转次数为100次的试件相关体积参数，见表4。

表4 混合料体积参数Table 4 Volumeteric parameter of asphalt mixtures

沥青高温性能的优、劣是通过混合料路用性能来体现的，因此，沥青高温性能指标的有效性有必要依据混合料高温抗车辙性能评价指标来评价，不同指标与混合料性能的相关性能反映该指标对混合料性能的关联程度。目前，检验混合料高温抗车辙性能的方法有动稳定度试验、汉堡车辙试验及单轴贯入试验等。车辙变形主要是路面剪切变形的结果，车辙的大小与路面材料的抗剪强度和路面结构承受的剪应力有关。孙立军[10]等人提出使用单轴贯入试验测试混合料的抗剪强度，可以有效地评价沥青混合料的抗剪性能，作为沥青混合料车辙性能的评价指标。单轴贯入试验具有操作简单、数据离散性小等优点，逐渐受到道路工作者的欢迎，并纳入中国《公路沥青路面设计规范(JTG D50-2017)》[11]。本试验采用单轴贯入试验进行混合料车辙性能评价，比较其与沥青混合料抗剪强度相关性的大小，评价沥青高温指标的优、劣。试验程序遵循《公路沥青路面设计规范(JTG D50-2017)》[11]。

试验试件采用SGC旋转压实仪进行试件成型，试件直径为150 mm。将试件置于环境箱中，在(64±0.5) ℃下保温5 h。试验加载设备采用万能材料试验机。

2.2 试验结果

试验测得的各种沥青对应的混合料贯入强度见表5。其中，2种改性沥青和30#基质沥青的混合料贯入强度比较高，而90#基质沥青的混合料贯入强度最低。

表5 沥青混合料单轴贯入强度Table 5 Shear resistance of asphalt mixtures

3 相关性分析

软化点、车辙因子、改进车辙因子、粘性蠕变劲度、不可恢复柔量及零剪切粘度都可以用于评价沥青的高温性能，对短期老化前、后的各项指标与混合料贯入强度进行了相关性分析，其结果如图1所示。

从图1中可以看出，在短期老化前、后，不可恢复柔量与混合料贯入强度的相关系数在所有指标中均为最高，等抗车辙因子临界温度次之；而在短期老化前、后，其他指标相关系数的大小排序发生了一定的变化。MSCR试验本身加载模式与实际交通荷载接近，可以将延迟弹性变形从永久变形中分离，更有效地反映改性沥青的弹性特点。不可恢复柔量指标表现出与贯入强度具有良好的相关性，而轧制薄膜烘箱试验(rolling thin film oven test，简称为RTFOT)后不可恢复柔量的相关系数比原样的要高，因此，使用RTFOT后，不可恢复柔量可以作为评价沥青高温性能指标。

不可恢复柔量和粘性蠕变劲度的倒数本质上属于同一个参数，即材料蠕变柔量中的粘性(不可恢复)部分，二者的区别只在于试验的应力水平与程序和计算方法。粘性蠕变劲度与贯入强度的相关性略低于不可恢复柔量的，且RCR试验耗时长，指标拟合计算复杂。相比之下，MSCR试验方法更为简便合理。

原样沥青的车辙因子与贯入强度的相关系数最低，之后是其实测软化点、当量软化点和零剪切粘度与贯入强度的相关系数相对较低；RTFOT沥青的零剪切粘度与贯入强度的相关系数最低，之后是其当量软化点、车辙因子和实测软化点与贯入强度的相关系数相对较低。

DSR试验本身的荷载模式与实际沥青路面所受的荷载作用模式的差异较大，不能真实反映沥青的应变响应；DSR试验基于沥青的线粘弹性，但改性沥青往往在较低温度时不符合，因此，车辙因子不能表征延迟的弹性变形和沥青的恢复能力，有效表征改性沥青的粘弹流变特性[4]。而改进车辙因子与贯入强度的相关系数比车辙因子与贯入强度的相关系数高。表明：该改进提高了与路用性能的关联性。

图1 各沥青高温指标与混合料贯入强度线性回归分析Fig. 1 The correlation between high-temperature indicators and shear resistance

实测软化点和当量软化点均为经验性指标，力学概念不明确，表征的路用性能复杂，但是在沥青使用过程中的抗车辙路用性能要求缺乏相关性。零剪切粘度是通过流变模型拟合得到的，不同方法得到的数值会有明显的差异。因此，这些指标不能非常准确地评价沥青的高温稳定性。MSCR试验方法简便，荷载模式与实际接近，测得RTFOT后的不可恢复柔量与混合料贯入强度的相关性最高。建议将MSCR试验方法作为评价沥青高温性能的试验方法，将不可恢复柔量作为评价沥青高温性能的指标。

4 结论

1) MSCR试验得到的短期老化前、后64 ℃的不可恢复柔量与混合料贯入强度的相关性普遍高于其他指标，RTFOT后不可恢复柔量的相关系数最高，且该试验方法的加载模式与实际路面交通荷载接近，可以实现粘弹分离，因此，RTFOT后不可恢复柔量可以作为推荐使用的沥青高温性能指标，有效评价沥青与路用性能相关的高温性能。

2) 改进车辙因子与贯入强度的相关性比车辙因子的高，表明：该改进车辙因子提高了与路用性能的联系。实测软化点、当量软化点、车辙因子及零剪切粘度等指标与贯入强度相关性相对较差，结合其自身的一定局限性，若将它们作为沥青高温性能评价指标，会逊于不可恢复柔量。

3) 由于试验条件所限，本研究选用的沥青种类有限，且只采用一种混合料级配类型，该试验结果有待使用更多沥青及混合料级配种类做进一步验证。