沥青老化性能评价指标相关性研究 蔡凤杰!,姚冬冬2,冯振刚',李新军,栗培龙 (1长安大学公路学院,西安71006 2吉林省交通科学研究所,长春130012) 搞要:选用了7种不同产地的沥青(SK-70、SL-70、QP-70、PJ-90、TH-90、SK90、TY 90),通过室内加速模拟试验对其进行了薄膜烘箱试验和紫外光老化试验,分别采用常規 试验方法(针入度、软化点、延度和黏度)和动态剪切流变仪(DSR)研究了不同沥青的 老化性能,通过数值拟合的方法,建立了不同老化性能评价指标(残留针入度比、延度保 留率、软化点增量、黏度老化指数、复述剪切模量指数和相位角指数)之间的相关性。结 果表明,黏度老化指数与复数剪切模量指数之间呈现正相关线性关系,而与相位角指数之 间为负相关线性关系。残留针入度比、延度保留率、软化点增量与复数剪切模量指数、相 位角指数之间不存在明显的相关关系。 关镳词:沥青老化性能评价指标相关性 中图分类号:U580 Study on the correlation of evaluation indexes of asphalt aging performance CAl Feng-jie, YAO Dong-dong, FENG Zhen-gang, LI Xin-jun, LI Pei-long (2. Jilin n(1. School of Highway, Chang'an University, Xi'an 710064) Provincial Transport Scientific Research Institute, Changchun, 130012) Abstract: Seven kinds of bitumen(SK-70, SL-70, QP-70, PJ-90, TH-90, SK-90, TY-90) from different producing areas were selected for the film oven test and ultraviolet aging test respectively through the indoor accelerated simulation test. The aging performance of different bitumen was studied by conventional test methods(penetration, softening point, ductility and viscosity)and dynamic shear rheometer(DSr)to establish the correlation between different aging performance evaluation indexes(residual penetration ratio, ductility retention, softening point increment, viscosity aging index, complex shear modulus index and phase angle index) through numerical fitting method. The results show that there is a positive correlation between the viscosity aging index and the complex shear modulus index, and a negative correlation between the viscosity aging index and the phase angle index. There is no significant correlation between residual penetration ratio, ductility retention rate, softening point increment and complex shea modulus index, phase angle index Key Words: asphalt; aging performance; evaluation index; correlation 一、引言 沥青作为一种筑路材料已经在公路工程中大规模应用,随着沥青路面使用年限的增 加,由于沥青老化导致的路面病害逐步显现,因此沥青的老化特性受到广泛关注。目前 项目来源:吉林省交通运输科技项目(2018-1-4),中央高校基本科硏业务費资助项目(300102219216) 通讯作者:冯振刚(1986—),男,河南项城人,副教授,硕士生导师( fengzhengangtop@126cm,主要从 事道路建筑材料方面的研究 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
沥青老化性能评价指标相关性研究 蔡凤杰1，姚冬冬 2，冯振刚 1，李新军 1，栗培龙 1 （1 长安大学公路学院，西安 710064） (2 吉林省交通科学研究所，长春 130012） 摘要：选用了 7 种不同产地的沥青（SK-70、SL-70、QP-70、PJ-90、TH-90、SK-90、TY- 90），通过室内加速模拟试验对其进行了薄膜烘箱试验和紫外光老化试验，分别采用常规 试验方法（针入度、软化点、延度和黏度）和动态剪切流变仪（DSR）研究了不同沥青的 老化性能，通过数值拟合的方法，建立了不同老化性能评价指标（残留针入度比、延度保 留率、软化点增量、黏度老化指数、复述剪切模量指数和相位角指数）之间的相关性。结 果表明，黏度老化指数与复数剪切模量指数之间呈现正相关线性关系，而与相位角指数之 间为负相关线性关系。残留针入度比、延度保留率、软化点增量与复数剪切模量指数、相 位角指数之间不存在明显的相关关系。 关键词：沥青 老化性能 评价指标 相关性 中图分类号：U580 Study on the correlation of evaluation indexes of asphalt aging performance CAI Feng-jie1，YAO Dong-dong2 , FENG Zhen-gang 1 , LI Xin-jun1 , LI Pei-long1 (1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064) (2. Jilin Provincial Transport Scientific Research Institute, Changchun, 130012) Abstract: Seven kinds of bitumen (SK-70, SL-70, QP-70, PJ-90, TH-90, SK-90, TY-90) from different producing areas were selected for the film oven test and ultraviolet aging test respectively through the indoor accelerated simulation test. The aging performance of different bitumen was studied by conventional test methods (penetration, softening point, ductility and viscosity) and dynamic shear rheometer (DSR) to establish the correlation between different aging performance evaluation indexes (residual penetration ratio, ductility retention, softening point increment, viscosity aging index, complex shear modulus index and phase angle index) through numerical fitting method. The results show that there is a positive correlation between the viscosity aging index and the complex shear modulus index, and a negative correlation between the viscosity aging index and the phase angle index. There is no significant correlation between residual penetration ratio, ductility retention rate, softening point increment and complex shear modulus index, phase angle index. Key Words：asphalt；aging performance；evaluation index；correlation 一、 引言 沥青作为一种筑路材料已经在公路工程中大规模应用，随着沥青路面使用年限的增 加，由于沥青老化导致的路面病害逐步显现，因此沥青的老化特性受到广泛关注[1]。目前 项目来源：吉林省交通运输科技项目（2018-1-4），中央高校基本科研业务费资助项目（300102219216） 通讯作者：冯振刚(1986—)，男，河南项城人，副教授，硕士生导师(fengzhengangtop@126.com)，主要从 事道路建筑材料方面的研究
沥青老化性能的评价方法较多,我国一般采用沥青老化前后针入度、延度、软化点和黏 度的变化量来评价其老化性能24,美国公路战略研究计划(SHRP)中通过动态流变剪切 试验(DSR)测量沥青的复数剪切模量(G)和相位角(δ)也可用于评价沥青老化过程中 的黏弹性变化,预测沥青抵抗车辙和疲劳开裂的能力。已有研究表明,采用这两种评价 体系来评价沥青的老化性能得到的结果往往不太一致,这是因为沥青是一种典型的黏弹性 材料,三大指标评价体系是基于经验的方法,而动态剪切流变方法是基于材料流变学理论 提出来的,对于沥青的黏弹特性表征更加准确1。虽然采用两种评价体系对沥青老化性 能的研究已有较多报道,但是关于两种评价体系中沥青老化性能指标相关性的研究相对较 少凵2。因此,针对沥青老化性能流变学指标与常规指标相关性进行研究,对于深入理解两 种评价体系在沥青老化性能研究中的异同,科学评价沥青材料的老化性能具有重要的理论 与实际意义。 本文选用7种不同产地的沥青,通过室内加速模拟试验对其进行薄膜烘箱老化和紫外 光老化,分别采用国内常规试验方法(针入度、延度、软化点和黏度试验)和美国SHRP 推荐的DSR法对老化前后的沥青试样进行性能测试,借助不同的老化性能指标(残留针入 度比、延度保留率、软化点增量、黏度老化指数、复述剪切模量指数和相位角指数),通 过数值拟合的方法,建立了不同老化性能评价指标之间的相关性,提出了有效的沥青老化 性能评价指标相关性模型。 二、实验部分 (一)原材料 选择7种具有代表性的不同产地的道路石油沥青SK-70、SL-70、QP-70、PJ-90、TH 90、SK-90、TY-90,沥青的物理性能如表1所示 表1沥膏的物理性能 沥青针入度/(25℃,0.Imm)延度/(10℃,cm)软化点(℃)黏度/(60℃,Pas) SK-70 21.6 47.5 22.5 47.5 210 QP-70 15.9 47.6 132.5 473 126 61.6 44.8 115.5 44.5 TY-90 81 648 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
沥青老化性能的评价方法较多，我国一般采用沥青老化前后针入度、延度、软化点和黏 度的变化量来评价其老化性能[2-4]，美国公路战略研究计划（SHRP）中通过动态流变剪切 试验（DSR）测量沥青的复数剪切模量（G *）和相位角（δ）也可用于评价沥青老化过程中 的黏弹性变化，预测沥青抵抗车辙和疲劳开裂的能力[5-8]。已有研究表明，采用这两种评价 体系来评价沥青的老化性能得到的结果往往不太一致，这是因为沥青是一种典型的黏弹性 材料，三大指标评价体系是基于经验的方法，而动态剪切流变方法是基于材料流变学理论 提出来的，对于沥青的黏弹特性表征更加准确[9-11]。虽然采用两种评价体系对沥青老化性 能的研究已有较多报道，但是关于两种评价体系中沥青老化性能指标相关性的研究相对较 少[12]。因此，针对沥青老化性能流变学指标与常规指标相关性进行研究，对于深入理解两 种评价体系在沥青老化性能研究中的异同，科学评价沥青材料的老化性能具有重要的理论 与实际意义。 本文选用 7 种不同产地的沥青，通过室内加速模拟试验对其进行薄膜烘箱老化和紫外 光老化，分别采用国内常规试验方法（针入度、延度、软化点和黏度试验）和美国 SHRP 推荐的 DSR 法对老化前后的沥青试样进行性能测试，借助不同的老化性能指标（残留针入 度比、延度保留率、软化点增量、黏度老化指数、复述剪切模量指数和相位角指数），通 过数值拟合的方法，建立了不同老化性能评价指标之间的相关性，提出了有效的沥青老化 性能评价指标相关性模型。 二、实验部分 （一）原材料 选择 7 种具有代表性的不同产地的道路石油沥青 SK-70、SL-70、QP-70、PJ-90、TH- 90、SK-90、TY-90，沥青的物理性能如表 1 所示。 表 1 沥青的物理性能 沥青 针入度/（25℃，0.1mm） 延度/ (10℃，cm) 软化点/(℃) 黏度/ (60℃，Pa·s) SK-70 68 21.6 47.5 208 SL-70 75 22.5 47.5 210 QP-70 72 15.9 47.6 257 PJ-90 89 132.5 47.3 126 TH-90 93 61.6 44.8 189 SK-90 88 115.5 44.5 144 TY-90 81 5.3 57.4 648
(二)老化试验 1.薄膜烘箱试验(TFOT) 按照JTGE20-20l!r0609-201l的规定在⑧82型沥青薄膜烘箱中进行试验。烘箱温度保 持在(163±1)℃,老化时间5h 2.紫外光(UV)老化试验 紫外光(UV)老化采用LHX-205型智能数控光热老化箱进行试验,将TFOT老化后 的沥青试样放入光热老化箱中,UV强度为800gW/cm2,温度控制在60℃,老化时间为 三)性能测试 针入度 釆用SYD-280F型沥青针入度试验仪,按照JTGE20-200604-2011规定对沥青针 入度进行测试,试验温度为(25±0.1)℃,贯入时间为5,单位以0.1mm表示。 2.延度 采用SYD-4508C型数控低温沥青延度仪,按照JIGE20-2011/0605-2011规定对沥青 延度进行测试,测试温度为10℃,拉伸速度为5cm/min,单位以cm表示 3.软化点 利用SYD-2806E型自动沥青软化点试验器,按照JTGE20-2011/0606-2011规定对沥 青软化点进行测试,初始加热温度为(5±0.5)℃,升温速率为(5±0.5)℃/min,单位以℃ 表示 4.粘度 本文采用DV-Ⅱ+Pro型 Brookfield旋转粘度计,按照JTGE20-2011/0625-2011标准 规定测试沥青的粘度,测试温度为60℃。 5动态剪切流变性能 采用MCR-102型动态剪切流变仪(DSR)测试沥青试样的动态剪切流变性能。沥青试 样在应变控制模式下进行温度扫描试验,频率控制在10rads,温度控制范围20-70℃,加 热速率2℃/min,平板直径为25mm,两个平板之间的间距为1mm 通过DSR测试得到的7种沥青的复数剪切模量(G)和相位角(δ)。G是沥青材料 在重复剪切变形时的总阻力大小,δ代表了材料黏性与弹性的比例。绝对弹性材料的δ为 0°,绝对黏性材料的δ接近90°,黏弹性材料的δ介于0~90°。一般情况下,沥青兼具黏弹 性,通过测试G’和δ可以了解其在使用状态下的黏弹特性。本文采用沥青25℃的G和 进行老化性能分析。 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
（二）老化试验 1. 薄膜烘箱试验（TFOT） 按照 JTG E20-2011/T0609-2011 的规定在 82 型沥青薄膜烘箱中进行试验。烘箱温度保 持在（163±1）℃，老化时间 5h。 2. 紫外光（UV）老化试验 紫外光（UV）老化采用 LHX-205 型智能数控光热老化箱进行试验，将 TFOT 老化后 的沥青试样放入光热老化箱中，UV 强度为 800W／cm 2，温度控制在 60℃，老化时间为 6d。 （三）性能测试 1. 针入度 釆用 SYD-2801F 型沥青针入度试验仪，按照 JTG E20-2011/T0604-2011 规定对沥青针 入度进行测试，试验温度为（25±0.1）℃，贯入时间为 5s，单位以 0.1mm 表示。 2. 延度 采用 SYD-4508C 型数控低温沥青延度仪，按照 JTG E20-2011/T0605-2011 规定对沥青 延度进行测试，测试温度为 10℃，拉伸速度为 5cm/min，单位以 cm 表示。 3. 软化点 利用 SYD-2806E 型自动沥青软化点试验器，按照 JTG E20-2011/T0606-2011 规定对沥 青软化点进行测试，初始加热温度为（5±0.5）℃，升温速率为（5±0.5）℃/min，单位以℃ 表示。 4. 粘度 本文采用 DV-Ⅱ+Pro 型 Brookfield 旋转粘度计，按照 JTG E20-2011/T0625-2011 标准 规定测试沥青的粘度，测试温度为 60℃。 5. 动态剪切流变性能 采用 MCR-102 型动态剪切流变仪（DSR）测试沥青试样的动态剪切流变性能。沥青试 样在应变控制模式下进行温度扫描试验，频率控制在 10rad/s，温度控制范围 20-70℃，加 热速率２℃/min，平板直径为 25mm，两个平板之间的间距为 1mm。 通过 DSR 测试得到的 7 种沥青的复数剪切模量（G *）和相位角（δ）。G *是沥青材料 在重复剪切变形时的总阻力大小，δ 代表了材料黏性与弹性的比例。绝对弹性材料的 δ 为 0°，绝对黏性材料的 δ 接近 90°，黏弹性材料的 δ 介于 0~90°。一般情况下，沥青兼具黏弹 性，通过测试 G *和 δ 可以了解其在使用状态下的黏弹特性。本文采用沥青 25℃的 G *和 δ 进行老化性能分析
三、结果与讨论 (一)沥青老化前后的物理性能与流变性能分析 1.物理性能分析 7种沥青老化前后的物理性能如表2所示。由表2可知,老化后沥青的针入度和延度 减小,软化点和黏度增大,表明沥青老化后变硬、变脆、延伸率降低、黏结力增强。与 TFOT老化相比,UⅤ老化后沥青针入度和延度的下降程度,以及软化点和黏度的增加程度 均较大,表明UⅤ老化对沥青性能的影响大于TFOT老化。 表2不同沥青老化前后的物理性能 沥青针入度/(25℃,0.mm)延度/(10℃,cm)软化点(℃)黏度/(60℃,Pas) SK:70 21.6 47.5 TFOT UV6d 55.1 SL-70 22.5 47.5 210 TFOT 376 UV6d 36 4.7 52.6 QP-70 47.6 257 TFOT 52.3 UV6d 1.8 PJ-90 132.5 47.3 TFOT 55.6 49.2 UV6d 9.3 55.3 TH-90 61.6 TFOT 51.2 339 UV6d 4.4 115.5 44.5 144 TFOT 35.5 UV6d 3.3 TY-90 5.3 574 648 TFOT >3330 UV6d 2.动态剪切流变性能分析 不同沥青老化前后的复数剪切模量和相位角随温度变化的曲线如图1-图3所示。由图 可知,在测试温度范围内,7种沥青老化前后复数剪切模量和相位角随温度变化的曲线规 律相似。随着温度的升高,G'减小,说明温度升高使得沥青变软;δ变大,说明其黏性成 分变多,弹性成分变少,容易产生永久变形。通过分析7种沥青老化前后的数据可知,经 过TFOT和UV老化后,G‘增大,δ减小,沥青变硬,弹性成分增多而黏性成分减少,且 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
三、结果与讨论 （一）沥青老化前后的物理性能与流变性能分析 1. 物理性能分析 7 种沥青老化前后的物理性能如表 2 所示。由表 2 可知，老化后沥青的针入度和延度 减小，软化点和黏度增大，表明沥青老化后变硬、变脆、延伸率降低、黏结力增强。与 TFOT 老化相比，UV 老化后沥青针入度和延度的下降程度，以及软化点和黏度的增加程度 均较大，表明 UV 老化对沥青性能的影响大于 TFOT 老化。 表 2 不同沥青老化前后的物理性能 沥青 针入度/（25℃，0.1mm） 延度/（10℃，cm） 软化点/（℃） 黏度/（60℃，Pa·s） SK-70 68 21.6 47.5 208 TFOT 52 7.2 51.8 415 UV6d 32 2.3 55.1 1030 SL-70 75 22.5 47.5 210 TFOT 54 8.4 50.8 376 UV6d 36 4.7 52.6 648 QP-70 72 15.9 47.6 257 TFOT 50 6.2 52.3 475 UV6d 31 1.8 57.3 902 PJ-90 89 132.5 47.3 126 TFOT 70 55.6 49.2 295 UV6d 40 9.3 55.3 698 TH-90 93 61.6 44.8 189 TFOT 60 8.3 51.2 339 UV6d 41 2.1 54.4 670 SK-90 88 115.5 44.5 144 TFOT 59 35.5 48 302 UV6d 43 9.9 53.3 695 TY-90 81 5.3 57.4 648 TFOT 52 0 68 ＞3330 UV6d 43 0 77.5 ＞3330 2. 动态剪切流变性能分析 不同沥青老化前后的复数剪切模量和相位角随温度变化的曲线如图 1-图 3 所示。由图 可知，在测试温度范围内，7 种沥青老化前后复数剪切模量和相位角随温度变化的曲线规 律相似。随着温度的升高，G *减小，说明温度升高使得沥青变软；δ 变大，说明其黏性成 分变多，弹性成分变少，容易产生永久变形。通过分析 7 种沥青老化前后的数据可知，经 过 TFOT 和 UV 老化后，G *增大，δ 减小，沥青变硬，弹性成分增多而黏性成分减少，且
UⅤ老化大于TFOT老化对沥青流变性能指标的影响,这与沥青常规指标评价得到的老化 规律一致。 2000 90sK7050 -TY.90 T(℃) 图1沥肯老化前G*和8随温度的变化 T(℃) 图2沥背TFOT老化后G和δ随温度的变化 图3沥肯UV老化后G和8随温度的变化 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
UV 老化大于 TFOT 老化对沥青流变性能指标的影响，这与沥青常规指标评价得到的老化 规律一致。 10 20 30 40 50 60 70 80 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 G *（KP） T（℃） SL-70 TH-90 PJ-90 SK-70 QP-70 SK-90 TY-90 30 40 50 60 70 80 90 δ（°） 图 1 沥青老化前 G*和δ随温度的变化 10 20 30 40 50 60 70 80 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 G *（KP） T（℃） 30 40 50 60 70 80 90 SL-70 TH-90 PJ-90 SK-70 QP-70 SK-90 TY-90 δ（°） 图 2 沥青 TFOT 老化后 G*和δ随温度的变化 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 SL-70 TH-90 PJ-90 SK-70 QP-70 SK-90 TY-90 G *（KP） T（℃） 30 40 50 60 70 80 90 δ（°） 图 3 沥青 UV 老化后 G*和δ随温度的变化