沥青力学性能现场快速评估技术

2021-05-21 00:00:00 221阅读次数

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众所周知，随着材料科学的进步，传统的沥青针入度/黏度等级试验方法在很多时候已经不适合评价改性沥青的性能。而PG分级等级试验方法虽然被认为能够有效的评价改性沥青的性能，但目前限于较为昂贵的价格、操作上的复杂性和设备的精密性，尚且难以在工程实践上进行普及应用。为了解决这个问题，美国联邦公路局（FHWA）与美国Laser Technology Inc.公司近年来合作开发了一款采用空气束施加蠕变-恢复荷载，通过激光测量技术检测沥青形变特性来评估沥青性能的新型测试设备，并将其命名为Asphalt Binder Quality Tester，简称ABQT或BQT。这种设备的实物图如图1所示。

图1 ABQT沥青胶结料质量测试仪

从图1可以看到该设备分为两部分：测试部分和控制部分。

测试部分	样品舱，空气束加载装置和激光测量系统
控制部分	彩色显示器，鼠标和键盘

样品舱内在测试时，使用盛样皿盛放85g左右的沥青样品放置在空气束喷嘴（图2白色部分所示）正下方。

图2 ABQT的测试位置以及空气束喷嘴和CCD相机

试验前，我们仅需要将沥青样品放置在25±0.1℃的环境箱中保温1个小时（±10分钟），无需旋转薄膜烘箱（RTFO）短期老化处理或压力老化仪（PAV）长期老化处理。测试时，空气束将加载20秒，恢复70秒，在2分钟内即完成测试。其测试原理图和典型的软件测试结果如图3所示。

图3 ABQT的测试原理图和典型测试结果

测试结果曲线清晰展示了ZD变形和变形恢复率，这种加载原理和测试结果非常类似于AASHTO T350 MSCR多应力蠕变恢复试验的原理和测试结果。为了验证这种测试方法的有效性，开发者还进行了ABQT和MSCR的对比试验，MSCR试验前，沥青通过RTFO旋转薄膜烘箱加热试验进行短期老化处理后在室温下进行，ABQT试验则直接在未老化条件下，25℃的温度下进行。测试结果如图4所示。

图4 ABQT试验与AASHTO T350 MSCR多应力蠕变恢复试验的相关性比较

图4中红色曲线为MSCR试验曲线，黑色曲线为ABQT试验曲线，两条试验曲线的系数分别是29.37和34.149，这种差异也符合试验条件差异的预期（老化条件和温度不同）。ABQT试验由于在更低的温度条件下进行，测试结果反映出材料具有更强的变形恢复性能，但是因为没有经过老化处理，材料也反映了更软的特征。两种测试展示的材料流变性能是一致的，指数均为-0.263，曲线形态基本一致。

从沥青样品的典型测试结果来看，沥青表面受荷载作用位置具有明显的凹痕，从凹痕的范围来看，与我们目前通常使用的针入度试验方法相比，明显范围更大。

图5 ABQT试验后沥青样品的典型试验结果

相比较之下，针入度试验作为一种经验性的试验方法，因为针尖在测试过程中可能遇到沥青，聚合物纤维，橡胶粉颗粒等改性沥青中的不同成分，测试结果显然在同一种样品试验时结果必然不同，所以针入度试验通常被认为难以有效评价改性沥青的性能。而使用DSR动态剪切流变仪开展的MSCR多应力蠕变恢复试验虽然被认为能够有效的评价改性沥青的性能，但是按照规范要求进行完整的评价需要在试验前对沥青进行旋转薄膜烘箱短期老化处理（约75-85分钟），压力老化仪短期老化处理（约20小时），效率和操作的复杂程度也较ABQT更为复杂。从试验方法推广普及的难易程度来评价，ABQT是一种更好的选择。

为了验证ABQT试验方法和设备对于不同沥青材料测试结果的有效性以及重复性，开发者使用不同材质进行了大量的对比试验，测试结果如图6所示，统计结果显示变异系数在1~6%之间，平均变异水平3%，可以认为达到了试验结果能够有效的评价各种不同材质的沥青材料。

图6 不同材料的重复性试验结果统计

ABQT这种适用于橡胶粉改性沥青试验的能力，还能够有效的解决高含量橡胶粉改性沥青BBR和DSR试验制作样品困难而无法试验的问题。图7是高含量橡胶粉改性沥青在BBR试验制样失败的实例。DSR试验的1mm或2mm平行板间隙对于试验来说也是有困难的。

图7 高含量橡胶粉改性沥青BBR试验制样失败的实例

而对于ABQT试验来说，因为使用类似针入度试验的盛样皿作为沥青盛样工具，则不影响试验的正常进行。如图8所示，为高含量橡胶粉改性沥青的待测样品。

图8 高含量橡胶粉改性沥青的待测样品

图9则展示了橡胶粉改性沥青的ABQT试验典型试验结果。

图9 橡胶粉改性沥青的ABQT典型试验结果

同时，ABQT试验方法的测试结果与针入度等级试验的相关性也很好。图10为ABQT试验与针入度分级体系的相关性对比试验结果。对比试验均在25℃的条件下进行，ABQT选择了10.2g的蠕变荷载，加载20秒，恢复70秒，在20秒时测试得到的ZD变形量与针入度测试结果的相关性达到了0.90以上。

图10 针入度测试结果和ABQTZD变形量测试结果的相关性

基于ABQT试验和针入度试验，以及MSCR试验都有很好的重复性，在使用该方法来定义沥青等级时，可以区分具有相同针入度，但是材质完全不同的沥青材料。例如图11所示，例如针入度50/60号沥青中，当针入度值均为52dmm时，含有3%SBS的改性沥青将被重新定义为50-60/65%号沥青（65%为变形恢复率），而未改性沥青则被重新定义为50-60/20%号沥青。

图11 因为针入度试验和ABQT试验相关性而被提议的新沥青分级方法

为了进一步验证这种分级方式的有效性，美国犹他州交通部在2015年时对各种改性沥青和基质沥青进行了大量试验，并以此进行验证。所有的PG 58-28沥青都落在未改性沥青的象限中，其他等级的沥青都落在改性沥青的象限，并可以按照新的分级方式进行划分。例如：PG 70-28沥青可以被定义为新的针入度等级80-90/60%号沥青。

图12 以ABQT试验数据为基础的新针入度等级方式验证

目前，国内已有单位引进这种测试设备和技术，并开始工程实践。我们希望用这种现场的力学性能快速测试方法与傅里叶变换红外光谱仪的沥青组分快速测试方法相结合，通过“组分+力学指标”两个方向来互相补充完善试验体系，作为新一代的现场沥青质量快速测试手段。我们也期望有更多省份的单位开展类似的研究探索，进行工程实践，加快该方法的研究速度。

ABQT试验方法主要使用了激光散斑干涉测量方法，基本变形测量原理如图所示。这种试验方法因为其便携性、无损、GX、准确的特点以往广泛的应用于航天飞行器，飞机、涡轮机等设备的无损力学性能测试中。如今在沥青工业中是S次尝试应用。