沥青测力延度与黏韧性试验相关性分析

时间：2024-07-28

龙花

（广东盛翔交通工程检测有限公司广州 511400）

0 引言

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E20-2011》［1］中沥青黏韧性试验：T0624-2011（下文简称T0624 试验方法）用于评价沥青掺加改性剂后的改性效果，其试验结果是用于评价SBR改性沥青、橡胶沥青及高黏改性沥青改性效果的一种比较好的方法。其测试原理为监测沥青在25 ℃、50 cm/min 拉伸速率下荷载和变形的关系，来评价沥青的改性效果。

测力延度试验用于测定道路石油沥青、聚合物改性沥青的最大拉应力值和最大拉力对应的伸长变形值［2］。其测试结果为沥青在5 ℃、15 ℃或25 ℃，5 cm/min拉伸速率下最大拉应力值和最大拉力对应的伸长变形值，并在测试过程中实时记录拉力和变形的关系。

对比沥青黏韧性试验和测力延度试验，可以看出两种试验方法共同之处在于试验过程都会记录沥青变形与拉力的关系，不同之处在于温度、拉伸速率不同，此外，还有夹具、保温方式等的区别。

两种试验方法均是进行简单拉伸条件下变形和荷载采集，并无显著区别。经多次室内试验对比，发现采用两种不同试验方法得到的变形与荷载曲线型式较为接近，故容易想到，采用测力延度得到最大拉力和变形两个指标的同时，是否可以参照沥青黏韧性试验方法数据处理方式，获取黏韧性和韧性指标呢？两个试验方法按照相同数据处理方式，得到的黏韧性指标是否具有相关性？如果具有相关性，可否采用测力延度试验代替黏韧性试验？

针对此问题，谭继宗［3］分析测力延度拉伸曲线的形态，提出综合指标以分析测力延度，并依据测力延度指标对比分析不同改性沥青之间的性能；谢祥兵等人［4］开展了沥青胶浆测力延度试验，并提出了峰值力演化指数函数模型；刘成等人［5］采用测力延度试验分析不同性质指标与老化温度之间的关系；吴晓强［6］采用黏韧性试验，基于黏韧性曲线形态，提出了粘性柔量等指标评价SBS 改性再生效果；徐建国［7］根据不同类型沥青的荷载-变形曲线形状特点，提出了评价沥青黏韧性的相关参数指标，如黏结性、韧性比等；张志刚等人［8］将胶粉改性沥青在不同条件下储存，并研究储存后高低温性能和黏度；何亮等人［9］制作了普通橡胶沥青和脱硫橡胶沥青，并进行了橡胶颗粒影响、测力延度和老化性能试验；祁文洋等人［10］分析针入度、软化点、车辙因子及测力延度相关指标与SBS 改性沥青老化时间的相关性，同时分析与SBS 改性沥青中SBS含量的相关性。

综上所述，现有关于沥青材料的评价，较多研究已采用测力延度和黏韧性试验进行评价，但暂无涉及关于两个试验方法相关性、利用测力延度试验开展黏韧性及韧性的相关研究。因此，本文为探讨测力延度试验和黏韧性试验之间的相关性，提出了复合改性橡胶沥青拉伸变形与荷载曲线的黏韧性及韧性改进计算方法，对不同温度下的黏韧性试验和测力延度试验结果进行对比，对比分析结果可从多角度评价沥青性能，丰富评价指标和评价手段。

1 问题及解决思路

1.1 存在问题

T0624 试验方法给出了单峰荷载-拉伸曲线的黏韧性和韧性计算方法。黏韧性试验荷载-变形曲线如图1所示，当BC段斜率较大时，BC 延长线与横坐标的交点与横坐标的起始点能显著区分，可以通过数学分析方法求得两部分包络面积。

图1 复合改性沥青黏韧性试验荷载-变形曲线Fig.1 Load-deformation Curve of Composite Modified Asphalt Viscosity Test

然而，复合改性橡胶沥青的荷载-拉伸曲线存在双峰，经过第一个峰值点B后，会出现短暂下降，之后，CD 段曲线上升达到第二个峰值点D，仍按照T0624 试验方法计算，将取BC 段延长线与横坐标相交。此时将出现两种情况：交点G 位于AF 外侧，若仍以第二部分的面积表示韧性时，数学意义上的计算值为负值；G点与F点接近，此时计算的韧性很小，如图1所示。

可见，采用T0624 试验方法方法无法准确计算复合改性橡胶沥青这类沥青双峰特征曲线的韧性，无法准确评价其黏韧性与韧性。

1.2 解决思路

T0624 试验方法根据荷载-变形曲线计算SBR 改性沥青的黏韧性和韧性指标，其重要特点在于求出BC延长段与横坐标的交点。

复合改性橡胶沥青中橡胶颗粒与聚合物改性剂的良好结构组成，变形需要克服聚合物改性剂、橡胶颗粒、沥青分子之间的交互作用力，复杂的交互作用在外部荷载作用下，交联点可能会被破坏，破坏后可能产生新的交联点，因此，BCD 段会出现荷载曲线上升或下降的现象。由上述分析可知，BCD 段的变形特征对评价改性沥青的性质十分重要，良好的结构设计，会使改性沥青在承受相同荷载的条件下允许发生更大的变形，路用性能更好。大变形BCD段受聚合物改性剂的种类、含量及与基质沥青的相容性等影响，在制作改性沥青配方时，通过BCD段曲线变化特征的横向对比，可以对比分析各配方的合理性。

分析3 个不同阶段荷载作用下变形产生的原因，可以看出，前两个阶段的变形特征与沥青试样横截面的变化及沥青结构、聚合物改性沥青的特性有关。因此，T0624试验方法将BC段延长，将BC延长线区分的两部分面积表征沥青材料的黏结特性是合理的。针对复合改性橡胶沥青双峰特点，由B 点做横坐标的垂线，交点为G，取ABG 包络面积的两倍表征高粘复合改性橡胶沥青的黏结性，取BCDEFI 表征高粘复合改性橡胶沥青的韧性，如图2 所示。以此思路来评价复合改性橡胶沥青的黏韧性和韧性。

图2 荷载-变形曲线区间划分Fig.2 Section Division of Load-deformation Curve

2 试验设计及结果

2.1 试验设计

为分析可否通过测力延度试验来表征沥青的黏韧性和韧性，本节以复合改性橡胶沥青为研究对象，复合改性橡胶沥青的技术指标如表1 所示。开展了5 ℃、15 ℃或25 ℃下橡胶沥青测力延度试验，并同步开展了5 ℃、15 ℃或25 ℃下橡胶沥青黏韧性试验。

表1 复合改性橡胶沥青技术指标Tab.1 Technical Index of Composite Modified Rubber Asphal

按照2.2 小节制定的数据处理办法，将各区间进行划分，如图2 所示。采用积分思想，利用MATLAB分别计算ABG 和ABCDEF 的包络面积。分别计算不同温度下两种试验方法的黏韧性和韧性，以分析测力延度和黏韧性试验两者相关性。

2.2 试验结果

经室内试验，在开展5 ℃和15 ℃橡胶沥青黏韧性试验时，因温度较低，沥青较硬，所需要的拉力较大，刚开始测试，沥青与拉伸头的粘结力不足以抵抗拉力，试件从粘结处发生破坏，如图3 所示。故5 ℃和15 ℃橡胶沥青黏韧性试验结果不能用于相关性分析。

图3 5 ℃和15 ℃下界面破坏状态Fig.3 Interface Failure State at 5 ℃and 15 ℃

复合改性橡胶沥青在3 个温度下测力延度试验中，最大拉力和对应的变形及黏韧性试验中最大拉力和对应的变形如表2所示。

表2 最大拉力和对应的变形Tab.2 Maximum Tension and Corresponding Deformation

由表2 可得，因夹具、样品及拉伸速率的不同，黏韧性试验的最大拉力和变形显著大于测力延度试验。随着温度升高，最大拉力减小，最大变形增加。

5 ℃测力延度荷载-位移曲线如图4所示。

由图1和图4可得，两个试验得到的荷载-位移曲线整体趋势基本相同，曲线走势都是第一阶段迅速上升到达第一峰值点，再下降后上升到达第二峰值点，随后断裂。

将复合改性橡胶沥青测力延度曲线采用积分法计算黏韧性和韧性，试验结果如表3 所示。由表3 可得，在5 ℃、15 ℃、25 ℃这3 个温度下的黏韧性分别为14.7 kN·m、0.64 kN·m、0.22 kN·m，韧性分别为13.9 kN·m、0.61 kN·m、0.61 kN·m，韧性与黏韧性的比值分别为94.6%、95.3%、95.0%，由此可见，随着温度的变化，韧性与黏韧性的比值均在95%左右。

表3 测力延度曲线积分计算结果Tab.3 Calculation Results of Curve Integral of Force Ductility Measurement

将复合改性橡胶沥青黏韧性曲线采用积分法计算黏韧性和韧性，试验结果如表4所示。由表4可知，25 ℃下的黏韧性为22.3 kN·m，韧性为19.3 kN·m，韧性与黏韧性的比值为84.7%。

表4 黏韧性曲线积分计算结果Tab.4 Results of Integral Calculation of Viscosivity Curve

可见，根据黏韧性曲线计算黏韧性和韧性均大于测力延度曲线计算值，韧性与黏韧性的比值均在95%左右。

由测力延度曲线计算得到的黏韧性和韧性均小于黏韧性曲线计算值。因为黏韧性试验拉伸速率快，最大拉力大，整体积分面积大，所以黏韧性曲线积分得到的黏韧性大于测力延度试验。拉伸速率快，ABG的面积相对大，造成黏韧性曲线积分得到的韧性与黏韧性的比值小于测力延度试验。由测力延度曲线计算得到的韧性与黏韧性的比值稳定，不随温度变化。

根据上述结果分析黏韧性试验和测力延度试验相关性可得，两个试验的力学原理基本接近，试验过程获取的荷载-变形曲线相似，黏韧性和韧性计算值大小规律符合试验现象。因此，通过大量试验必然可以建立起两个试验的黏韧性和韧性关系。由测力延度试验曲线计算得到的黏韧性和韧性不随温度变化，进一步说明了通过测力延度试验得到的荷载-变形曲线计算黏韧性和韧性的有效性。