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1、沥青性能分级体系的研究与进展目录1.绪言 . 22.沥青性能分级指标与试验方法 22.1 PG 分级体系性能指标. 22.2 PG 分级体系试验方法. 23.沥青性能分级方法 34.沥青性能等级的选择 55.分级方法中的问题与研究进展 65.1 性能分级方法的问题. 65.2 性能分级方法研究进展. 66.参考文献 71. 绪言沥青作为一种非晶体高分子混合物，应用于路面胶结料已经有了上百年的历史。沥青的分类可以按来源、加工方法、用途和形态划分。按来源可以分为天然沥青、石油沥青和焦油沥青三大类，按形态分为黏稠沥青和液体沥青。一般石油沥青分为四大类：道路沥青类、建筑沥青类、 专用沥青类和乳化沥青类
2、。改性沥青作为改良的胶结料应用于道路建设、建筑防水等方面。沥青的化学组分、 网络结构的不同有许多不同的特点，表现为黏滞性、 感温性、 黏附性、耐久性和流变性等。许多国家在沥青的使用过程中，根据沥青的技术指标进行分级以适应不同需求的工程背景。美国、欧盟、澳洲和日本等国家现行标准里都保留了针入度分级体系，我国的沥青性能分级标准主要是依据针入度分级体系。日本为防止和减少车辙制定了以60黏度分级的半氧化沥青技术标准。美国 AASHTO 于 1931 年出版了有关沥青针入度等级标准技术规范，1987-1993 年美国公路战略研究计划（SHRP）提出了以沥青混合料的路用性能为标准的PG 性能分级体系，PG
3、 分级方法保持了针入度和黏度分级方法的连续性和一致性，试图建立沥青与沥青混合料路用性能的直接联系。PG分级体系要求沥青路面在最高设计温度时能满足高温性能的要求，不产生过量的车辙；在路面最低设计温度时能满足低温性能的要求，避免或减少低温开裂；在常温范围内控制疲劳开裂， 考虑了沥青材料在使用期全温度范围内的流变性，对于沥青材料的质量评价和选择，较针入度分级和黏度分级有了很大改进6。2. 沥青性能分级指标与试验方法2.1 PG 分级体系性能指标美国在 19871993 年完成了SHAP 计划，其中 Superpave沥青混合料规范提出了将沥青的路用性能和分级结合起来，也就是现在的性能分级的体系（PG
4、 级） 。其显著特点是改变了原来是固定的温度下进行试验，而是采取规定的性能要求值，试验温度根据需要变化。Superpave 沥青混合料规范中，主要技术指标如下: 表 2.1 Superpave沥青分级主要技术指标1技术指标测试性能试验方法车辙因子（ G*/sin ）结合料的高温性能动态剪切流变仪法黏度（ Pa2 s）结合料的泵送性能毛细管黏度计或布氏黏度计法疲劳因子（ G* 2 sin）结合料的疲劳性能动态剪切流变仪法拉伸应变结合料的低温性能直接拉伸法蠕变劲度（ S(t） ）结合料的低温性能弯曲梁流变仪法质量损失结合料的老化特征压力老化箱或旋转薄膜烘箱老化其他的指标包括闪点（230） ，135
5、黏度，压力老化温度以及压力老化后的车辙因子等。2.2 PG 分级体系试验方法动态剪切流变仪法（DSR） ：将加热的沥青试样浇注在试验板上，待沥青冷却后装入流变仪中，在规定的温度水浴中按应力控制方式或者应变控制方式进行试验。温度达到平衡后，仪器将以10rad/s 的频率和选择的应力或应变值试验。试验测得沥青的动态剪切模量和相位角，技术指标为车辙因子（G*/sin ）和疲劳因子（G*2 sin）。弯曲梁流变仪法 （BBR ） ： 将沥青试样浇注于已润滑隔离处理的金属磨具中，在-5 5的冷水中水浴510min 左右脱模后， 在试验温度的恒温水浴中保持60min5min，安装在自动试验系统中，按程序施
6、加相应的荷载测定沥青弯曲蠕变劲度和m 值。直接拉伸试验:按规定的方法浇注沥青，将试件安装在直接拉伸试验仪上，恒温冷浴养护 60min5min 后，拉伸速率设定为1mm/min ，当试件拉断（发生脆性破坏）或者应变超过 10%时停止试验。试件的破坏应力为：/ffPAf破坏应力（MPa） ；fP破坏荷载（N） ；A试件的初始横断面积（mm2） 。试件的破坏应变：/ffLf破坏应变（mm/mm） ；f破坏时伸长值（mm） ；L试件有效拉伸长度（mm） 。黏度试验测试一般方法有：真空减压毛细管法和布洛克菲尔德黏度计法。在2005 年新出版的 AASHTO M320-2005中，改为只采用旋转黏度的方法
7、。布洛克菲尔德黏度计法：称取定量的沥青试样，选择与试样黏度大致相应的转子，设定 转速和相应的温度，通过仪器计算扭矩来测定黏度。一般适用于测定改性沥青的表观黏度。各技术指标满足的条件如下表：表 2.2 Superpave沥青分级技术指标要求技术指标单位指标要求车辙因子（ G*/sin ）kPa 0.1 黏度（ 135）Pa2 s 3 RTFOT 老化车辙因子（ G*/sin ）kPa 2.2 PAV 老化疲劳因子MPa 5.0 蠕变劲度（ S(t） ）S300MPa；m0.30060s 拉伸应变mm/mm 1.0% 3. 沥青性能分级方法前文中已经叙述了三种体系的主要分级的指标和试验方法。其中针
8、入度分级体系和黏度 分级体系的分级方法主要是依据25针入度和60黏度指标，这两种分级方法参考的指标也不相同，而第三种按路用性能分级的出发点是根据沥青表现出的路用性能划定适用温度，与前两种都不一样。针入度分级体系历史最长，使用的国家也最多。我国道路沥青基本按针入度分级，重交通道路石油沥青中按连续针入度（40140）分为 5 个标号；公路沥青路面施工技术规范中修订了沥青等级划分方法，沥青基本按连续20（0.01mm）针入度梯度进行划分，分为 7 种，如下所示：表 3.2 沥青按针入度分级沥青标号160号130号110 号90 号70 号50 号30号适用气候分区2-1 2-2 2-3 1-1 1-
9、2 1-3 2-2 2-3 1-3 1-4 2-2 2-3 2-4 1-4 25针入度范围（0.1mm ）140200 120140 100120 80100 6080 4060 2040 在这个标准中， 沥青等级划分是以沥青路面的气候条件为依据，同一个气候分区内，根据道路等级和交通特点再将沥青分为13 个不同的针入度等级。 技术指标中增加了针入度指60动力黏度以及10延度指标评价沥青的感温性、高温性能和低温性能，根据沥青中的 蜡含量分为A、B、C 三个等级，各个等级的技术指标要求逐级降低。黏度分级体系是按连续黏度进行分级，以美国AASHTO 以黏度分级的黏稠沥青技术标准为例，沥青的标号为连续
10、60黏度区间的中值，区间大小递增，分为5 个等级， 135的黏度不作为划分等级的依据。具体分级如下表所示。表 3.3 美国以 60黏度分级标号AC-2.5 AC-5 AC-10 AC-20 AC-40 60黏度（Pa2 s）255 5010 10020 20040 40080 135黏度（Pa2 s）80 110 150 210 300 路面性能分级体系中，沥青等级按PGx-y表示， PG 为路用性能等级，x 为路面设计最高温度（ 7d 最高评价路面温度） ，y 为路面设计最低温度（年极端最低温度）。路面最高设计温度和最低设计温度按照下式计算：2 20,max(0.006180.228942.
11、2)*0.954517.78mmairaaTTLL20mmT 20mm 深处的最高路面设计温度，；,maxairT 7d 平均最高气温，；aL地理纬度，。min,min0.8591.7airTTminT最低路面设计温度，；,minairT平均年最低气温，。中温区：max,20min()/ 24midmmTTT该分级体系下， 将沥青分为7 个高温等级以及相应的低温等级，高温等级温度范围5282，每 6为一级；低温等级温度范围-10-46，每 -6为一级，具体分级见表3.4。如 PG52-10 即沥青适用于最高路面设计温度52，最低路面设计温度不低于-10的地区。表 3.4 Superpave沥青
12、胶结料 PG 分级沥青使用性能等级PG46 PG52 PG58 -34 -40 -46 -10 -16 -22 -28 -34 -40 -46 -16 -22 -28 -34 -40 7d 平均最高设计温度 （）-34 -40 -46 -10 -16 -22 -28 -34 -40 -46 -16 -22 -28 -34 -40 4. 沥青性能等级的选择沥青性能分级为选择合理等级的沥青以适应当地路面工程的气候特点和交通需求提供了参考依据。 在 SHRP 中通过预测路面结构内部的温度来选择沥青等级，比只考虑气温的方法是一大进步7。一般沥青用于路面结构，材料的选择应该满足功能性要求、结构性要求、环
13、境要求和经济性要求。为了选择合适的沥青，满足承载能力、耐久性和经济性等要求，应当考虑以下几种因素：1）当地气温等气候条件沥青为热塑性、 粘弹性材料， 故温度是首要考虑的因素，可根据当地的气象资料和往年温度记录或按理论计算路面温度场确定最高和最低路面设计温度。对于出现高温持续时间较长，温度较高的地区，应考虑沥青高温稳定性，以免铺面出现严重车辙， 应选用标号较大的沥青。对于低温持续时间长的地区，应选择等温黏度较低的沥青，在低温地区加热加工需要的温度就比较低。在冰冻地区则应考虑沥青的低温抗裂性，选取合适的标号，是否需要改性沥青。2）交通荷载状况PG64 PG70 -10 -16 -22 -28 -3
14、4 -40 -10 -16 -22 -28 -34 -40 -10 -16 -22 -28 -34 -40 -10 -16 -22 -28 -34 -40 PG76 PG82 -10 -16 -22 -28 -34 -10 -16 -22 -28 -34 -10 -16 -22 -28 -34 -10 -16 -22 -28 -34 按照设计的载荷水平和轴载次数进行设计，路面应满足承载要求和耐疲劳的要求。沥青低温或快速荷载下表现出弹性特征，在高温或慢速荷载下表现出粘性特征，中温范围或载荷作用下既表现出弹性，又表现粘性的特质。对于沥青的要求，则是要有足够的黏度、稳定性和劲度模量，在考虑沥青PG
15、等级。3）路面等级和类型路面等级也应当与交通特点结合考虑，对于高等级道路，考虑充分的安全储备和路面维护等因素，选择合理等级的沥青，对于Superpave分级体系中，随着标号增加，其高温、低温和常温性能逐渐改善。低等级路面的要求就较低一些，可采用较低等级的沥青。同时根据当地的交通量等级和行车速度对沥青PG 等级进行“调级”调整。5. 分级方法中的问题与研究进展5.1 性能分级方法的问题沥青的产品标准和评价方法随着人们对沥青本身和工作环境认识深化而不断进步，由于 沥青材料本身是非常复杂的材料，沥青胶结料与沥青混合料的路用性能没有建立直接的联系，只是做个大概的预测。目前的 PG 分级体系有一些不足之
16、处。6量度的 SHRP 温度分级在反应不同沥青使用高温与使用低温性状的差异时并不协调。与目前针入度级方法比较, 在评定试验沥青低温性能的量度方面 , SHRP 方法的温度分级量度偏大4。改性沥青对沥青的高温和低温温度都有不同程度的改善，应予以考虑。沥青高温等级选择中只考虑了7 d最高气温平均值, 而没有考虑路面结构处于高温的时间长短 , 因此并不能真正的和路面性能相关联。5.2 性能分级方法研究进展沥青高温等级选择中只考虑了7 d最高气温平均值, 而没有考虑路面结构处于高温的时间长短。赵延庆等在“基于路面温度频率分布的沥青PG高温等级选择”的研究中建议收集充分的气象资料，利用集成环境模型(EICM)预测路面结构20mm处的每小时温度频率分布,进而得到基于车辙破坏的沥青高温PG等级7。对于每一个温度区间，
