基于BBR试验的沥青低温性能差异性分析

时间：2024-09-03

刘坤

（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064）

1 引言

沥青路面是我国路面结构的主要组成形式，它具有噪声小、行车平坦、施工周期短等优点，被广泛应用于路面建设中。沥青作为沥青混合料重要组成部分，其低温性能对沥青路面的低温开裂具有重要影响。若沥青的低温抗裂性较差，当温度降低时，容易导致沥青路面结构层的持续向下破坏[1]，并在车辆荷载的作用下引起唧泥、剥落等病害。研究表明[2，3]，沥青的低温性能对沥青路面低温开裂的贡献率达到80%以上，非荷载的温缩裂缝普遍存在，郑建龙等曾进行过沥青路面结构的温度应力计算和试验分析，结果表明，在-2℃/h的降温速率下，沥青路面主要发生低温疲劳破坏；在-10℃/h 的降温速率下，沥青路面开裂主要是温度应力产生的破坏。所以，对沥青低温性能进行研究有助于减少沥青路面的低温开裂现象。从低温抗裂开裂的机理来看，沥青低温抗裂流变性是影响沥青路面低温抗裂开裂的最主要因素。詹小丽等[4]运用灰色关联理论在沥青低温性能评价指标和沥青混合料低温性能之间建立起关联联系，研究发现延度与沥青及混合料的低温性能关联性不明显。栾自胜等[5]认为沥青老化后品质以及蠕变性能是影响低温抗裂性的最主要两个因素，而延度只反映了沥青的塑性变形能力，与沥青低温性能无关。王立志等[6]认为若从沥青的流变特性来评价低温抗裂性，能真实地反映沥青的低温抗裂变形能力及流动能力。因此，为合理评价沥青的低温抗裂性，美国SHRP计划根据沥青具有流变性的特点，开发了弯曲梁流变仪（BBR），利用BBR 试验可测得沥青小梁的蠕变劲度S（t）和蠕变劲度变化率m，并结合PG 规范来评价沥青的低温性能。经大量试验研究发现[7]，BBR试验能比较准确地预测沥青路面低温开裂状况。董文龙等[8]利用Burgers模型对S（t）和m值进行研究，认为m值评价SBS 改性沥青的低温性能时有良好效果。有学者曾将由传统试验得到的常规指标与BBR试验得到的流变学指标进行对比，结果发现流变学指标更能准确地评价沥青的低温性能[9]。

然而，基于BBR试验并利用PG分级来评价沥青低温性能存在一定的局限性。徐加秋等[10]研究发现，PG分级的低温等级每6℃设1档时，处于同一PG低温档下的不同沥青虽然具有相同的分级标准，但它们之间低温性能的差异性未能体现出来。谭忆秋等[11]指出，目前的BBR试验中单一考虑劲度模量或应力松弛能力的指标来评价沥青低温性能具有局限性。

因此，需要进一步补充和完善BBR试验方法，应结合其他相应的评价指标来综合考虑沥青低温变形能力与低温松弛能力对其低温性能的影响，弥补PG分级的不足之处，并为寒区沥青路面施工时对于沥青材料的合理选取提供数据参考和理论支持，进而提高寒区路面的低温抗裂性能，延长路面使用寿命。本文以BBR试验为基础，根据试验结果建立相应的评价指标来准确评价处于同一PG 分级上不同沥青之间低温性能的差别。

2 试验方法

对所选的研究沥青进行基本性能试验，包括针入度、延度和软化点测试以及老化后的指标测试，再浇筑沥青小梁试样进行BBR试验。

2.1 原材料基本性能试验

选择三种进口沥青TK1#、TK2#和TK3#作为研究对象，根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）对沥青各指标性能检测，试验结果见表1。

表1 沥青基本物理性质性能

2.2 BBR试验及结果分析

2.2.1 BBR试验

为能够在较短时间内得到试验结果，根据时温等效原理[6，12]，SHRP研究者将试验温度提高10 ℃，在加载60s 时可得到相同的的蠕变劲度S 和蠕变劲度变化率m，并且此状态下的S 与m 分别满足S≤300MPa、m≥0.3的要求。

按照试验步骤，首先把原样沥青依次进行短期老化和长期老化，然后用残留沥青浇制出沥青小梁，再依据规范《AASHTO T313-12》进行BBR试验，如图1所示。

图1 BBR试验过程

2.2.2 BBR结果分析

试验共设置-12℃、-18℃和-24℃三个测试温度，结合规范《AASHTO M320-10》可得如下试验结果，见表2。

表2 各类型沥青BBR试验结果

由表2可知，三种沥青中的S和m均满足-12℃和-18℃时的指标要求，当试验温度继续降至-24℃时，S或m均值不满足PG 分级中的-24℃一档的要求。因此，根据PG 分级标准只能将这三种沥青归为同一档—PG-28，若需要进一步比较和分析低温性能之间的差异性，则要寻求其他评价方法和指标。

3 评价指标建立

3.1 PG连续分级温度

参照规范《ASTM D7643-10》，使用PG 连续分级温度Tc来评价基质沥青和温拌改性沥青的低温抗裂性能。规范通过测试不同温度下沥青胶结料的特定性能指标值，再通过插值来确定连续分级温度Tc。

m指标的插值公式见式（1）。

式中，Tc，m为由m指标确定的连续分级温度，℃；T1、T2分别为试验温度中的较高者和较低者，℃；P1、P2分别为T1、T2温度下对应的特定性能指标测试值；Ps为要求值，对应S和m指标，Ps分别取300MPa与0.3。

除m以外的其他指标插值公式见式（2）。

式中，Tc，s为由S（t）指标确定的连续分级温度，℃。

将表2 中的试验结果分别带入公式（1）、公式（2），计算出每种沥青的Tc，m和Tc，s值，则Tc的取值公式见式（3）。

因此得到3种沥青的Tc结果见表3。

表3 各类型沥青PG连续分级温度Tc

由表3 可知，三种沥青的TC值均由m 确定，这说明相对于S，m 对沥青路面低温开裂的影响更为显著，同时说明沥青的松弛性能对其低温抗裂性具有重要作用。一般情况下，S越小，m越大，则沥青的低温抗裂性越好。所以，低温分级温度Tc同时体现了这两方面的含义，且不同沥青的Tc值也不相同，故该指标可以区分不同沥青之间低温性能的差异性[5]。综上所述，这三种沥青的低温抗裂性的优良顺序依次为TK3#>TK2#>TK1#。

3.2 沥青低温柔量

除了用PG 连续分级温度Tc来区分处于同一档的沥青之间低温性能的差异性之外，在S 和m 指标基础上，将二者综合在一起考虑提出了新的评价指标——沥青低温柔量，即沥青单位蠕变劲度下的蠕变速率，用字母k表示，单位为MPa-1，表达式见公式（4）。

由式（4）可知，k 指标越大，沥青的低温抗裂性越好。将表2 的BBR 试验结果带入式（4）进行计算，可得到三种沥青在-12℃和-18℃下的k值，计算结果见表4和图2。

表4 不同温度条件不同类型沥青k值

图2 沥青低温柔量k值

由表4 和图2 可知，当BBR 试验温度控制在-12℃时，三种沥青的低温柔量k 值分别为6.07、8.44 和11.94；-18℃时，分别为1.55、1.92 和2.60。故可推断出它们的低温抗裂性能由好到差的顺序为TK3#>TK2#>TK1#。另外还可发现，对于同一类型沥青，温度越低k值越小，从-12℃下降至-18℃时，k 值均减少了70%以上，这间接表明沥青m指标对温度下降的敏感性比S要高一些，响应速度更快。因此，综合考虑三种沥青在-12℃和-18℃两种温度条件下由k值得到的沥青低温性能评价结果为：TK3#性能最好、TK2#次之、TK1#较差。

3.3 沥青小梁跨中挠度

在BBR试验结果中，除了能得到S和m指标的试验数据以外，还可以测得沥青小梁的跨中挠度δ。它反映的是沥青小梁在低温环境下的抗弯曲变形能力，也能表征沥青的低温抗裂性能。一般沥青小梁跨中挠度δ越大，沥青低温性能越好。根据简支梁跨中单个荷载作用下的挠度计算原理可推导出沥青小梁的跨中挠度计算公式，见公式（5）。

式中，δ为沥青小梁跨中挠度，mm；P为竖向施加荷载，N；L 为小梁跨度，mm；E 为小梁弹性模量，MPa；I 为小梁截面惯性矩，mm4，I=bh3/12。

将三种不同类型沥青小梁在持续加载时间为60s时的跨中挠度δ作为研究对象，试验结果如图3所示。

图3 沥青小梁跨中挠度δ

由图3 可知，在-12℃时，TK1#、TK2#、TK3#沥青小梁的挠度δ 分别为0.835mm、1.423mm 和2.436mm；-18℃时，三者的挠度分别为0.271mm、0.413mm 和0.587mm。三种沥青低温性能优良顺序依次为TK3#>TK2#>TK1#。

另外从图3中还可发现，当温度从-12℃降至-18℃时，沥青小梁的跨中挠度δ 降幅较大，分别下降了67.5%、71.0%和75.9%；降低速率分别为0.094mm/℃、0.168mm/℃和0.308mm/℃。这表明，温度越低，沥青小梁的跨中挠度δ 越小，沥青越容易开裂。TK3#沥青的挠度最大，挠度的衰减速度最快，这也间接说明TK3#沥青的温度敏感性最差。