束毅力， 田紹強(qiáng)， 張俊杰， 叢昕彧， 譚憶秋,3

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司， 北京 100011； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150090; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150090)

隨著中國援助非洲國家的建設(shè)項(xiàng)目逐步增多，包含許多國家在內(nèi)的非洲西部地區(qū)(以下簡稱西非)是中國工程項(xiàng)目的重要海外市場[1-2]。然而隨著援建項(xiàng)目逐漸增多，中國企業(yè)以往低端、粗放的建設(shè)方式難以適應(yīng)高層次、高技術(shù)含量的大型項(xiàng)目需求，在西非地區(qū)工程項(xiàng)目的建設(shè)中也遇到了許多突出問題。

西非地區(qū)終年氣候炎熱，交通重載比例高，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，許多公路出現(xiàn)了不同類型的路面病害。在炎熱氣候和重載車輛的綜合作用下，路面車轍病害尤其突出。由于西非地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受限，硬質(zhì)瀝青憑借成本優(yōu)勢和優(yōu)異的抗車轍性能，在當(dāng)?shù)負(fù)碛辛己玫膽?yīng)用潛質(zhì)。然而，由于國內(nèi)針對硬質(zhì)瀝青專門的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)較少，對于低標(biāo)號瀝青使用經(jīng)驗(yàn)停留在30#瀝青上[3]，往下就少有研究分析。這限制了硬質(zhì)瀝青在當(dāng)?shù)貞?yīng)用推廣。

硬質(zhì)瀝青作為解決車轍和耐久性不足的有效手段，在全世界范圍內(nèi)獲得了廣泛關(guān)注。法國最早使用硬質(zhì)瀝青并將其納入高模量瀝青混合料(enrobés á module elevé/high modulus asphalt，EME)成套技術(shù)，英國、芬蘭等歐洲國家對硬質(zhì)瀝青相繼展開研究，通過使用硬質(zhì)瀝青減少面層厚度并將其納入耐久性研究項(xiàng)目體系?？梢钥闯?，歐洲針對硬質(zhì)瀝青的研究比較成熟并形成了系統(tǒng)的規(guī)范體系[4]。相較于國外，國內(nèi)針對硬質(zhì)瀝青的研究雖然起步較晚，對硬質(zhì)瀝青路用性能[5-6]、黏彈響應(yīng)[7-8]、配套設(shè)計(jì)方法[9-11]等方面同樣進(jìn)行了大量研究，并取得了一系列有益成果。然而，由于氣候差異，國內(nèi)規(guī)范中許多指標(biāo)及方法難以同西非國家直接對接[12]。因此，針對西非地區(qū)的特殊氣候條件展開研究，建立西非地區(qū)硬質(zhì)瀝青使用性能指標(biāo)和氣候分區(qū)方法具有十分重要的意義。

一般地，硬質(zhì)瀝青在高溫和耐久性能方面有十分優(yōu)異的表現(xiàn)[13]。針入度等級越低的硬質(zhì)瀝青，相應(yīng)的高溫性能也會越好[14]。硬質(zhì)瀝青模量高而脆性差[15]，其低溫性能往往較差，相比歐洲的低溫脆點(diǎn)指標(biāo)，中國氣候較為嚴(yán)苛，針對硬質(zhì)瀝青的低溫性能更為關(guān)注[16-18]，硬質(zhì)瀝青低溫延度往往不符合要求,過往研究采用美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(strategic highway research program，SHRP)方法評價(jià)30#硬質(zhì)瀝青表明其低溫性能良好[19]。同時(shí)經(jīng)驗(yàn)表明，有些硬質(zhì)瀝青延度不符合要求，但在實(shí)際使用時(shí)性能良好，過分強(qiáng)調(diào)延度指標(biāo)往往會限制部分硬質(zhì)瀝青的使用潛力。另一方面，中國沿用低標(biāo)號瀝青習(xí)慣仍采用針入度對硬質(zhì)瀝青進(jìn)行分級，相較于歐盟的針入度輔助分級，中國對針入度依賴性較強(qiáng)，標(biāo)號與針入度等級均一一對應(yīng)，劃分標(biāo)準(zhǔn)過于絕對不利于性能區(qū)分。此外，部分研究指出，即使是針入度相近但不同油源的硬質(zhì)瀝青其性能差異也會非常巨大[20]。由此可見，建立適宜的硬質(zhì)瀝青評價(jià)指標(biāo)及體系，對于選擇和控制硬質(zhì)瀝青的質(zhì)量是十分必要的。

基于上述分析可知，硬質(zhì)瀝青在西非地區(qū)有廣闊的應(yīng)用前景，然而由于中國尚無專門的硬質(zhì)瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，針對西非地區(qū)建立相關(guān)硬質(zhì)瀝青性能控制指標(biāo)和利用標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。為了探究西非典型硬質(zhì)瀝青性能特點(diǎn)，給出西非硬質(zhì)瀝青滿足的氣候分區(qū)建議，并提出適合評價(jià)西非硬質(zhì)瀝青低溫性能的關(guān)鍵指標(biāo)，現(xiàn)通過選擇西非地區(qū)常用的3種典型硬質(zhì)瀝青，分別進(jìn)行常規(guī)物理性能測試、化學(xué)組分測試、流變性能測試、疲勞性能測試、高低溫性能測試，對包括硬質(zhì)瀝青蠕變勁度在內(nèi)的5種低溫性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并給出評價(jià)西非典型硬質(zhì)瀝青適宜的低溫性能指標(biāo)。以期為制定硬質(zhì)瀝青質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)給出建議，同時(shí)為中國在西非等地區(qū)工程項(xiàng)目屬地化應(yīng)用提供依據(jù)。

1 原材料

硬質(zhì)瀝青主要為3種：Termcotank、DHS、ERES。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)對其進(jìn)行檢測，3種瀝青的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 3種硬質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 The main index of three hard asphalts

可以看出，3種硬質(zhì)瀝青中，除了ERES外，其他兩種的低溫延度指標(biāo)不符合要求，其他指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。同時(shí)為了后續(xù)比較不同指標(biāo)，增加了歐洲規(guī)范中針對硬質(zhì)瀝青常用的弗拉斯脆點(diǎn)這一指標(biāo)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)

動態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer，DSR)是評價(jià)高分子材料在一定溫度或頻率下流變特性的常用儀器，如圖1所示。同時(shí)，也能在規(guī)定應(yīng)變荷載作用的條件下，通過對瀝青試件施加固定振幅的正弦位移形式的荷載，進(jìn)行動態(tài)頻率測試得到復(fù)數(shù)剪切模量和相位角等流變學(xué)參數(shù)。DSR測試的試驗(yàn)溫度由DSR和水域控制單元共同控制，控制精度可達(dá)0.001 ℃。為保證在試樣瀝青的線性黏彈性范圍內(nèi)進(jìn)行流變測試，本項(xiàng)目分別在低溫和中溫條件下(4、10、16、22、28、34 ℃)進(jìn)行0.1～10 Hz范圍內(nèi)的頻率掃描時(shí)，采用8 mm平行夾具和2 mm的平行板間隔，在高溫條件下(40、46、52、58、64、70、76、82 ℃)進(jìn)行0.1～10 Hz范圍內(nèi)的頻率掃描時(shí)，采用25 mm平行夾具和1 mm的間隔。

圖1 動態(tài)剪切流變儀Fig.1 Dynamic shear rheometer

2.2 重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(multiple stress creep recovery，MSCR)反映的是在不同恒定應(yīng)力下瀝青的受力變形特性。該試驗(yàn)同樣采用動態(tài)剪切流變儀測試。撤掉應(yīng)力后，部分蠕變變形會逐漸恢復(fù)，而其未能恢復(fù)的變形將會被累加到下一個(gè)荷載循環(huán)過程中，可以反映出瀝青路面重復(fù)荷載下的應(yīng)變類型特性。具體為將樣品在0.1 kPa應(yīng)力水平下加載1 s，卸載9 s，重復(fù)20個(gè)循環(huán)；接著將樣品在3.2 kPa應(yīng)力水平下加載1 s，卸載9 s，重復(fù)10個(gè)循環(huán)。采用重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)對不同瀝青在PG高溫下經(jīng)過兩個(gè)大小的應(yīng)力(0.1 kPa和3.2 kPa)的蠕變回復(fù)率，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃窟M(jìn)行測定比較。

2.3 彎曲梁流變試驗(yàn)

彎曲梁流變試驗(yàn)(bending beam rheometer，BBR)經(jīng)SHRP戰(zhàn)略計(jì)劃率先提出，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于評價(jià)瀝青低溫等級。如圖2所示，采用彎曲梁流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，具體為：制作尺寸為125 mm×12.5 mm×6.25 mm的瀝青小梁，采用100 g荷載對其加載1 s，卸載20 s,然后繼續(xù)加載100 g荷載，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)240 s,采用蠕變勁度S和蠕變斜率m來評價(jià)低溫性能。選擇-12、-6、0 ℃共3種測試溫度，得到在恒定荷載下?lián)锨冃坞S時(shí)間的變化。

圖2 彎曲梁流變儀Fig.2 Bending beam rheometer

2.4 線性振幅掃描試驗(yàn)

瀝青材料的疲勞性能是影響瀝青路面耐久性的關(guān)鍵參數(shù)之一，且瀝青路面的疲勞破壞是路面開裂的最常見形式，疲勞開裂主要是由于路面承受重交荷載及瀝青長期老化造成的。參考ASTM D6521，研究長期老化(pressurized aging vessel，PAV)后兩種瀝青的疲勞性能。線性幅度掃描(linear amplitude sweep，LAS)試驗(yàn)采用動態(tài)剪切流變儀完成，試驗(yàn)方法由兩部分組成，第一部分是頻率掃描，應(yīng)在較低頻率下進(jìn)行，避免對瀝青材料造成損傷，頻率掃描范圍為0.1～30 Hz，應(yīng)變?yōu)?.001。第二部分是固定頻率(10 Hz)下的應(yīng)變線性幅度掃描，應(yīng)變范圍為0.01～0.3。對在不同瀝青進(jìn)行LAS試驗(yàn)，獲得疲勞方程中的參數(shù)A和參數(shù)B，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算不同荷載水平下瀝青的疲勞壽命。

2.5 瀝青族組成分析試驗(yàn)

石油瀝青是由多種化合物所組成的混合物，將瀝青分離為化學(xué)性質(zhì)相近的幾個(gè)組分，以便更細(xì)致地分析瀝青不同組分對瀝青性能的影響。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中四組分分析法，將3種硬質(zhì)瀝青分別分為4個(gè)組分：飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。按照溶劑沉淀法分離瀝青組分，整個(gè)試驗(yàn)過程如圖3所示。

圖3 瀝青化學(xué)組分試驗(yàn)Fig.3 Asphalt chemical component test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)性能與簇組分分析

對以上3種瀝青(Termcotank、DHS、ERES)進(jìn)行常規(guī)性能分析，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，該瀝青分別屬于30#、50#瀝青，按照歐盟規(guī)范，前兩種可以劃分到30～45或35～50，而后一種瀝青屬于40～55?？梢钥闯鰵W洲的針入度分級有重疊部分，表示針入度并不對分級起決定性作用，具體劃分到哪一等級還需要參考軟化點(diǎn)、老化等其他指標(biāo)。另一方面，歐洲針對硬質(zhì)瀝青標(biāo)號劃分更為細(xì)致，同一標(biāo)號下瀝青針入度的變異性較小，有利于工程上對瀝青性能的區(qū)分。對于軟化點(diǎn)結(jié)果而言，兩種瀝青基本滿足中國規(guī)范中軟化點(diǎn)不小于49 ℃的要求。

圖4 針入度與軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The test results of penetration and soft point

從圖5可以看出，兩種硬質(zhì)瀝青的60 ℃動力黏度遠(yuǎn)高于中國針對30#號瀝青的規(guī)范要求， 表示抗變形能力優(yōu)異，高溫性能較好，然而對于延度指標(biāo)，Termcotank瀝青15 ℃下延度僅為7.2 cm，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。另一方面，可以看出3種硬質(zhì)瀝青的低溫延度數(shù)據(jù)差異較大，但反映在黏度上則變異性不大，說明不能僅靠提高延度來保證瀝青性能，還需要考慮綜合指標(biāo)。

圖5 動力黏度與運(yùn)動黏度試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The test results of dynamic viscosity and kinematic viscosity

為了更深層次探明影響硬質(zhì)瀝青性能的內(nèi)在因素，對3種硬質(zhì)瀝青(Termcotank、DHS、ERES)進(jìn)行四組分化學(xué)組成分析，測試結(jié)果如表2所示。其中膠體穩(wěn)定指數(shù)表示為

(1)

式(1)中：w為4組分在瀝青中占據(jù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Re代表膠質(zhì)，Ar代表芳香芬，As代表瀝青質(zhì)，Sa代表飽和芬。

表2中還給出了膠體穩(wěn)定指數(shù)Ic，該參數(shù)是表征油分對于瀝青質(zhì)的分散能力強(qiáng)弱，其值越大，說明油分對于瀝青質(zhì)的分散能力越弱，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。瀝青老化后的性能變化與這一指標(biāo)有較大的關(guān)系。由表2可知，Termcotank瀝青的Ic值最大，其膠體穩(wěn)定性最差，最容易發(fā)生老化。可以看出Termcotank瀝青中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)合起來的含量最多，這會導(dǎo)致瀝青中油分分散能力變?nèi)酢?/p>

表2 硬質(zhì)瀝青四組分?jǐn)?shù)據(jù)Table 2 The results of SARA in three hard asphalts

3.2 流變及疲勞性能分析

試驗(yàn)分別在40、46、52、58、64、70、76、80 ℃ 8種溫度條件下分別進(jìn)行頻率掃描，最終根據(jù)時(shí)溫等效原理，以64 ℃為選定的參考溫度，通過時(shí)溫轉(zhuǎn)化因子將各個(gè)溫度下獲得的單獨(dú)曲線進(jìn)行時(shí)間域或頻域的平移，從而得到一條平滑的主曲線。選用克里斯滕森-安德森-馬爾-阿斯蒂努(Christensen-Anderson-Mar-asteanu，CAM)模型作為復(fù)數(shù)剪切模量主曲線模型，包括動態(tài)剪切模量模型和相位角主曲線模型兩部分，選用威廉姆斯-蘭德爾-費(fèi)里(Williams-Landel-Ferry，WLF)公式計(jì)算時(shí)溫轉(zhuǎn)化因子。在確定主曲線模型參數(shù)時(shí)，為了同時(shí)兼顧瀝青的所有黏彈信息，設(shè)置的目標(biāo)誤差函數(shù)方程如式(2)～式(4)所示。

(2)

(3)

式中：Gg為玻璃態(tài)復(fù)數(shù)模量；v、w為形狀參數(shù)；ωR、ωc分別為縮減頻率和交叉角頻率；G*和δ分別為復(fù)數(shù)剪切模量和相位角。

(4)

式(4)中：N為測量的點(diǎn)數(shù)；下角標(biāo)d表示測量值，下角標(biāo)m表示模型計(jì)算值。

3種瀝青Termcotank、DHS和ERES的不同老化程度下的主曲線如圖6～圖8所示。

圖6 DHS瀝青主曲線Fig.6 The master curve of DHS hard asphalt

圖7 ERES瀝青主曲線Fig.7 The master curve of ERES hard asphalt

圖8 Termcotank瀝青主曲線Fig.8 The master curve of Termcotank hard asphalt

隨著縮減頻率的增大，瀝青的動態(tài)剪切模量增大，相位角減小，瀝青的彈性增強(qiáng)，黏性減弱。綜合考慮瀝青的高低溫性能，在高溫時(shí)，動態(tài)剪切模量較大的瀝青具有較好的抗車轍能力；低溫時(shí)，動態(tài)模量較小的瀝青具有較好的應(yīng)力松弛性能，抗低溫開裂能力較強(qiáng)。對比3種瀝青發(fā)現(xiàn)，Termcotank瀝青在高頻率下其動態(tài)剪切模量較小，相當(dāng)于低溫下動態(tài)剪切模量較小，在低頻率下動態(tài)剪切模量較大，相當(dāng)于高溫下的動態(tài)模量較大，由此發(fā)現(xiàn)，Termcotank瀝青具有較好的高低溫性能。隨著瀝青老化程度的加深，3種瀝青的動態(tài)剪切模量增大，相位角減小，說明老化會導(dǎo)致瀝青的彈性增強(qiáng)，黏性減弱。對比3種瀝青發(fā)現(xiàn)，Termcotank瀝青的動態(tài)剪切模量和相位角變化相對較小，說明其具有較好的抗老化性能。

采用重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)對不同瀝青在PG高溫下經(jīng)過兩個(gè)大小的應(yīng)力(0.1 kPa和3.2 kPa)的蠕變恢復(fù)率、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃窟M(jìn)行測定比較。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 回復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縏able 3 The results of percent recovery and non-recoverable creep compliance

在重復(fù)應(yīng)力加載的條件下，瀝青的蠕變回復(fù)率越大，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭叫?，代表著瀝青的高溫性能越良好。由表3中數(shù)據(jù)可知，3種瀝青在3.2 kPa應(yīng)力條件下的蠕變回復(fù)率均小于0.1 kPa應(yīng)力條件下的蠕變回復(fù)率；而3.2 kPa應(yīng)力條件下的蠕變?nèi)崃烤笥?.1 kPa應(yīng)力條件下的蠕變?nèi)崃?，由此可知?yīng)力水平越小瀝青恢復(fù)能力越強(qiáng)。對比發(fā)現(xiàn)，低標(biāo)號的瀝青表現(xiàn)出更好的高溫性能，相同條件下更適用于溫度較高的地區(qū)。

參考規(guī)范ASTM D6521研究長期老化(pressurized aging vessel，PAV)后兩種瀝青的疲勞性能。對原樣瀝青和短期老化后的瀝青進(jìn)行動態(tài)剪切試驗(yàn)，通過計(jì)算疲勞因子G*sinδ來分別確定疲勞試驗(yàn)的溫度，并研究不同瀝青的抗疲勞性能。對長期老化的瀝青進(jìn)行不同溫度下的動態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)，剪切頻率為10 rad/s，根據(jù)測得的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ計(jì)算疲勞因子G*sinδ。滿足要求的試驗(yàn)溫度為25 ℃。為了分析不同溫度對疲勞壽命的影響，設(shè)定的測試溫度為22、25和28 ℃。線性幅度掃描(LAS)試驗(yàn)方法由兩部分組成，第一部分是頻率掃描，應(yīng)在較低頻率下進(jìn)行，避免對瀝青材料造成損傷，頻率掃描范圍為0.1～30 Hz，應(yīng)變?yōu)?.001。第二部分是固定頻率(10 Hz)下的應(yīng)變線性幅度掃描，應(yīng)變范圍為0.01～0.3。對在不同瀝青進(jìn)行LAS試驗(yàn)，獲得疲勞方程中的參數(shù)A和參數(shù)B，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算不同荷載水平下瀝青的疲勞壽命。

圖9 瀝青疲勞壽命Fig.9 The fatigue life of three hard asphalts

由圖9可知，疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增大會顯著減小。3種硬質(zhì)瀝青在25 ℃的抗疲勞性能排序?yàn)椋篍RES

3.3 氣候分區(qū)適用性分析

首先確定三種硬質(zhì)瀝青的高低溫等級，通過計(jì)算車轍因子G*/sinδ來分別確定它們的PG分級中的高溫等級，通過彎曲梁流變試驗(yàn)確定低溫等級。確定不同狀態(tài)下瀝青的PG分級中的高溫等級具體方法為：對原樣瀝青和經(jīng)過短期老化的瀝青在58、64、70、76、82 ℃進(jìn)行動態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測得的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，來計(jì)算車轍因子G*/sinδ。

車轍因子計(jì)算結(jié)果分別如圖10和圖11所示，據(jù)ASTM D7405規(guī)范可知，經(jīng)過短期老化后的瀝青車轍因子要大于2.2 kPa，原樣瀝青的車轍因子要大于1.0 kPa。對比瀝青短期老化(rolling thin-film oven test， RTFOT)結(jié)果可知，短期老化后3種瀝青的PG高溫分級維持不變。且硬質(zhì)瀝青Termcotank(30～45)的PG溫度較高，可應(yīng)用于溫度更高區(qū)域的路面建設(shè)。Termcotank、DHS、ERES三種瀝青的高溫等級分別為76、70和70 ℃。

圖10 原樣瀝青車轍因子計(jì)算結(jié)果Fig.10 The test results of G*/sinδ of original asphalt

圖11 短期老化瀝青車轍因子計(jì)算結(jié)果Fig.11 The test results of G*/sinδ after RTFOT

在低溫性能方面，由表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，溫度升高后，蠕變勁度S逐漸減小，蠕變速率逐步升高。隨著針入度等級提高，蠕變勁度變小，蠕變速率增大。蠕變勁度越大表示瀝青越堅(jiān)硬，越容易低溫開裂。蠕變速率表示應(yīng)力松弛的能力，蠕變速率越大則應(yīng)力松弛越快，應(yīng)力積累得越少，對應(yīng)的低溫表現(xiàn)越好。

表4 3種硬質(zhì)瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The BBR test results of three different hard asphalts

3種硬質(zhì)瀝青對應(yīng)的高低溫等級如表5所示。

表5 不同硬質(zhì)瀝青的PG分級Table 5 The PG grade of different hard asphalts

高溫設(shè)計(jì)溫度采用一年中溫度最高的7 d周期的由空氣溫度轉(zhuǎn)換過來的路表下20 mm深處的平均最高溫度，稱為MAXPVT，計(jì)算公式為

TMAXPVT=Tair-0.006 18Lat2+0.228 9Lat+

42.2)×0.954 5-17.78

(5)

式(5)中：TMAXPVT為路面高溫設(shè)計(jì)最高溫度，℃;Tair為最高氣溫，℃；Lat為緯度。則最高氣溫可表達(dá)為

Tair=1.048TMAXPVT+18.63-42.2-0.228 9Lat+0.006 18Lat2

(6)

路面最高設(shè)計(jì)溫度采用PG分級對應(yīng)高溫溫度，西非地區(qū)緯度范圍為34°51′N～37°21′N，轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)語言即(-34.85，37.35)，上述二元一次方程在該范圍內(nèi)在北緯18.519°取得極值，對應(yīng)計(jì)算出最高適用氣溫，兩種瀝青Termcotank、DHS分別為60 ℃和48 ℃，對于低溫分區(qū)而言，加拿大C-SHRP(Canada-strategic highway research program)提出瀝青路面低溫狀況模型，表達(dá)式為

Ts=0.749Ta

(7)

式(7)中：Ts為路表最低溫度；Ta為最低氣溫， ℃。

由此計(jì)算的3種硬質(zhì)瀝青適用的最低氣溫為-13.4、-21.4和-21.4 ℃。根據(jù)中國氣候分區(qū)表，可以看出兩種硬質(zhì)瀝青高溫等級較高，夏炎熱區(qū)、夏熱區(qū)、夏涼區(qū)的指標(biāo)均適用，而低溫等級只適用于冬冷區(qū)和冬溫區(qū)。

3.4 低溫評價(jià)指標(biāo)分析

低溫性能不足一直是應(yīng)用硬質(zhì)瀝青過程中長期的困擾，而選擇合適的低溫性能評價(jià)指標(biāo)來反映硬質(zhì)瀝青的低溫性能則尤為關(guān)鍵。前面的試驗(yàn)中得到了幾個(gè)關(guān)于硬質(zhì)瀝青的低溫性能評價(jià)指標(biāo)，包括常用的低溫延度指標(biāo)、弗拉斯脆點(diǎn)指標(biāo)、基于Superpave流變學(xué)的低溫蠕變勁度模量S和蠕變速率m。根據(jù)前面流變試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算出玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，通過分析上述5種指標(biāo)，得到適宜評價(jià)硬質(zhì)瀝青低溫性能的性能指標(biāo)。其中，玻璃化轉(zhuǎn)化溫度可以通過動態(tài)力學(xué)計(jì)算，具體描述為：采用Gauss模型對不同溫度下硬質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)損耗模量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合公式為

(8)

式(8)中：x、y分別為試驗(yàn)溫度和損耗模量；y0為初始損耗模量；ω為角頻率；A為材料常數(shù)，一般取1；xc為損耗模量達(dá)到峰值yc后對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)溫度，以此作為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。3種硬質(zhì)瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果見表6。

從表6中可以看出，3種硬質(zhì)瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均有一定差異，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與分子鏈段運(yùn)動有關(guān)，分子鏈段柔性越大，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度就越低，相應(yīng)的低溫性能就越好，可以看出只有Termcotank瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高，從前面的硬質(zhì)瀝青簇組成分析中也可以看出，相較于其他兩種瀝青，Termcotank瀝青的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量之和高于其他兩種瀝青，而這會削弱瀝青中油分的分散能力，對瀝青的低溫性能有負(fù)面影響。為了進(jìn)一步分析最適宜評價(jià)硬質(zhì)瀝青低溫性能的指標(biāo)，通過灰色關(guān)聯(lián)理論分析了不同的硬質(zhì)瀝青低溫指標(biāo)與瀝青化學(xué)組分間的關(guān)系，結(jié)果如表7所示。

表6 3種硬質(zhì)瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度TgTable 6 Glass transition temperature Tg of three hard asphalts

表7 硬質(zhì)瀝青化學(xué)組分與低溫性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度分析Table 7 The correlation analysis of chemical composition and low-temperature performance indicator

從表7中可以看出，對于延度指標(biāo)而言，瀝青各組分對于其的影響敏感性不高，基本處于一致。對于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而言，芳香芬對其影響程度最小。對于蠕變勁度s也是芳香芬對其影響最小。對于蠕變速率m，則是瀝青質(zhì)對其影響最為顯著，飽和芬對其影響最小。多數(shù)低溫指標(biāo)而言，瀝青質(zhì)、膠質(zhì)呈現(xiàn)較為顯著的影響，飽和芬和芳香芬則次之。而從表中數(shù)據(jù)可以看出，瀝青簇組成參數(shù)對延度、弗拉斯脆點(diǎn)的關(guān)聯(lián)度范圍分別為：0.653～0.678、0.616～0.663，而其余3種指標(biāo)(蠕變勁度s、 蠕變速率m、玻璃化溫度Tg)對應(yīng)的關(guān)聯(lián)度范圍分別為：0.593～0.748、0.591～0.726、0.594～0.732，可以看出瀝青簇組分參數(shù)對前兩種指標(biāo)關(guān)聯(lián)度范圍變化較小，而后3種指標(biāo)變化則較大，這說明四組分?jǐn)?shù)據(jù)對于延度指標(biāo)、弗拉斯脆點(diǎn)指標(biāo)影響差異不明顯，而蠕變勁度、蠕變速率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度則對于瀝青組分參數(shù)較為敏感。

對上述5種指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到5種指標(biāo)兩兩間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表8。

表8 5種低溫性能指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 8 The correlation coefficients of five low-temperature performance indicators

從表8中可以看出，延度和蠕變勁度有較好的相關(guān)性，而弗拉斯脆點(diǎn)則與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有較好的相關(guān)性。結(jié)合各指標(biāo)與瀝青簇組分參數(shù)的敏感性，采用蠕變勁度等代替延度等低溫指標(biāo)來評價(jià)硬質(zhì)瀝青的低溫性能是適宜的。

4 結(jié)論

西非地區(qū)作為中國工程項(xiàng)目的重要海外市場，硬質(zhì)瀝青在當(dāng)?shù)氐某晒?yīng)用對于強(qiáng)化中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可度和擴(kuò)大中國工程項(xiàng)目的海外影響力具有重要意義。為調(diào)查針對西非特殊氣候條件的硬質(zhì)瀝青的適用性，分析選用硬質(zhì)瀝青的關(guān)鍵性能指標(biāo)。研究了3種西非地區(qū)典型硬質(zhì)瀝青，對其常規(guī)物理性能，流變特性，高低溫等級及疲勞性能進(jìn)行了評估。基于以上分析，可得出以下主要結(jié)論。

(1)Termcotank瀝青高溫性能最好，低溫性能略差，適合用于對高溫性能要求較為嚴(yán)格的地區(qū)，DHS和ERES兩種硬質(zhì)瀝青高溫性能較好，低溫性能亦較好，適合針對高低溫均有要求的路面，兩種硬質(zhì)瀝青除了Termcotank的低溫延度其他指標(biāo)均能滿足我國規(guī)范要求。

(2)按照SHRP戰(zhàn)略計(jì)劃，3種硬質(zhì)瀝青的PG性能分級分別為PG76-10、PG70-16、PG70-16。雖然后兩種硬質(zhì)瀝青的低溫分級均為16 ℃, 從低溫蠕變勁度及蠕變速率的試驗(yàn)結(jié)果來看，ERES瀝青的低溫性能略好于DHS瀝青。從車轍因子和重復(fù)蠕變試驗(yàn)結(jié)果，3種瀝青均有較好的高溫性能。同時(shí)根據(jù)PG分級的結(jié)果確定了3種硬質(zhì)瀝青適合的氣候分區(qū)。

(3)相比于低溫延度指標(biāo)，按照SHRP計(jì)劃測試瀝青低溫性能指標(biāo)能更準(zhǔn)確地反映硬質(zhì)瀝青的適用范圍，根據(jù)BBR試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合西非氣候條件，3種硬質(zhì)瀝青適用的最低氣溫分別為13.4 ℃和-21.4 ℃，符合中國規(guī)范中冬冷區(qū)、冬溫區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)通過比較延度、弗拉斯脆點(diǎn)、蠕變勁度、蠕變速率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等5種低溫性能指標(biāo)，相對于延度和弗拉斯脆點(diǎn)，蠕變勁度、蠕變速率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等對瀝青組分更加敏感，且蠕變勁度與延度有較好的相關(guān)性，建議采用蠕變勁度代替延度來評價(jià)硬質(zhì)瀝青低溫性能。

(5)雖然針對3種硬質(zhì)瀝青進(jìn)行高低溫性能、流變特性，疲勞性能等相關(guān)測試，然而缺乏與黏度、黏附性等重要性能相關(guān)的指標(biāo)，建議后續(xù)針對硬質(zhì)瀝青更加廣泛的應(yīng)用，考慮綜合性指標(biāo)。