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-32-沥青抗车辙性能评价指标研究杨小宾（承德交通勘察设计院有限公司，河北 承德 067000）摘要：阐述了车辙因子、不可恢复柔量等最常用沥青流变特性和抗车辙性能参数的最新研究成果。通过实例说明了 PG 等级相同的不同改性沥青抗车辙性能指标的差异。结果表明，按不同性能评价指标对三种改性沥青抗车辙性能的评价结果排序存在一致性。多应力蠕变恢复（MSCR）试验能区分不同沥青流变特性之间的差异和橡胶粉改性沥青应力敏感性，最终推荐 MSCR 试验为评价沥青的抗车辙性能的标准试验方法。关键词：沥青；抗车辙性能；流变特性；沥青路面；研究进展中图分类号：U414 文献标识码：AResearch on evaluation index of rutting resistance of the asphaltYANG Xiaobin（Chengde Traffic Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Hebei Chengde 067000 China）Abstract:This paper presents a literature review covering the most used parameters rheological properties for the characterization of the rutting resistance of asphalt binders such as rutting parameter and the nonrecoverable compliance.The differences in rutting resistance performance indexes of different modified asphalts with the same PG grade are illustrated by examples.The rankings of binders from the less to the most susceptible material to rutting showed some similarities for the selected parameters.The MSCR test was able to underline marked differences in the rheological responses of the formulations that could not be directly observed for the other procedures,as well as the stress sensitivity of the rubber modified asphalt.The MSCR test was recommended as the best protocol for analyzing the rutting potential of binders.Key words:asphalt;rutting resistance;rheological properties;asphalt pavement;research progress 引言掺加改性剂是改变沥青流变特性，提高沥青抗车辙性能的主要技术途径。近二三十年来为了掌握沥青累积变形和沥青混合料抗车辙性能之间的关系，提出更合理的沥青抗车辙性能评价指标，研究人员对针入度、软化点、车辙因子和不可恢复蠕变柔量等沥青流变特性进行了大量研究，大部分指标都有其局限性，采用不同的指标得出的结果可能截然不同1。1 基于常规性能指标的沥青抗车辙性能研究与沥青的抗车辙性能有关的常规性能指标有针入度、软化点、黏度、延展性和弹性恢复等，但由于沥青流变特性指标的简化和使用经验差异降低了试验测试结果的可靠性，进而影响了其在工程中应用。这就意味着常规性能指标不能合理地评价抗车辙性能。目前，在沥青结合料的常规性能指标中，国内外常以针入度、软化点、黏度等指标来评价基质沥青的高温性能，而对于改性沥青而言，国内外一直没有统一的标准，也基本沿用了基质沥青的评价方法。SYBILSSKI 和 DREESEN 等2-3研究表明，无论沥青是否改性，常规性能指标均不能很好地表征其抗车辙性能。而针对常规性能指标存在试验温度单一、不适用于改性沥青的问题，研究人员一直试图提出新的性能参数。美国的 Superpave 规范首次提出沥青混合料抗车辙性能的评价指标车辙因子 G*/sin4。经过多年的使用，研究人员开始质疑车辙因子评价沥青抗车辙性能的合理性。2 车辙因子 G*/sin的局限性及其改进利用沥青流变特性预测路面使用性能，并采用可靠的试验方法对流变特性进行测试，是 Superpave收稿日期：2022-09-23作者简介：杨小宾（1985），男，河北承德人，工程师。2023 年第 3 期山东交通科技-33-规范的主要目的之一。规范首次提出使用车辙因子G*/sin取代常规性能指标，并给出了沥青抗车辙性能测试方法。车辙因子越高，一定循环荷载作用次数下所耗散的能量越小，沥青的抗车辙性能越好。通过改变材料的剪切柔量 G*或相对弹性可以提高沥青的抗车辙性能。耗散能与车辙因子之间的关系可用公式（1）表示，车辙主要是由沥青面层累积变形造成的，与行车荷载大小、作用次数有关5。（1）式中：Wc耗散能，J；0给定常应力，N。尽管有研究表明，用车辙因 子 G*/sin评价沥青的抗车辙性能有一定优势，但是，经实践证明用车辙因子 G*/sin评价沥青尤其是改性沥青的抗车辙性能并不可靠6-7。为解决车辙因子 G*/sin存在的主要问题，CHEN和TSAI8利用动态剪切流变试验（DSR）对 剪 应 力 进 行 了 测 试。通 过 车 辙 因 子 G*/sin 与耗散能Wc之间关系和沥青混合料测试结果（车辙深度和车辙增长速率）等分析结果表明，耗散能 Wc比车辙因子 G*/sin能更好地评价沥青的抗车辙性能。建议试验采用更低的加载频率（5 rad/s 和 0.6 rad/s），以更好地反映路面永久变形的形成过程和车辙试验时沥青混合料所承受的荷载状况。除对测试方法进行改进外，车辙因子 G*/sin的修正也是研究的焦点。BOULDIN 等1提出了一个双曲线函数，见公式（2）。.（2）式中：acc累积永久变形量，mm；k常数；X0、Y0和 c经验参数。对于车辙因子 G*/sin，公式（2）更加侧重于相位角。随着试验数据量增加或者是测试条件的改变，函数中的经验参数就会发生变化，公式（2）的实际应用价值并不大。SHENOY9-10对 Superpave 中的抗车辙参数进行了修正，即参数 G*/1-（tansin）-1。此参数值越高，沥青的不可恢复变形越低，通过不可恢复变形，可以得到 Shenoy 参数。此参数是在综合考虑沥青的不可恢复变形、DSR试验荷载作用时间、弹性效应与沥青混合料车辙试验结果的基础上确定的。经验证，此参数优于零剪切黏度 ZSV。与车辙因子 G*/sin相比，尽管 SHENOY9-10提出的参数充分考虑到了沥青弹性对抗车辙性能的影响，但并非完全适用，当52，SHENOY 参数将出现负值，此时没有任何物理意义，应尽量避免此情况发生7。SHENOY9建议55时，使用 G*/1-（tansin）-1；当 55时，使用车辙因子 G*/sin。BAHIA 和 DELGADILLO 等11-12认为车辙因子G*/sin和动态剪切流变试验也存在一些重要问题。首先沥青的变形要小于实际道路中材料变形量，其次是路面车辙是由单向重复荷载产生的，而循环加载试验时是往复加载，两种加载方式有一定差异。DONGRE 等13和 MOREA 等14通过对加速加载、车辙试验和汉堡车辙试验结果与沥青性能指标之间关系分析，建议把动力黏度作为沥青抗车辙评价指标。由于动力黏度可在很低的加载频率下测得，也称为低剪黏度 LSV。与 ZSV 相比，LSV 具有测试过程简单、试验时间短等特点，对于改性沥青的测试结果更符合工程实际。但由于 LSV 存在测试影响因素多、流变特性试验耗时长和不能很好地评价改性沥青的弹性等问题，部分学者对规范改用 LSV 为沥青高温性能指标极力反对。考虑到路面承受的车辆荷载之间是有一定时间间隔的，因此，研究人员在提出新的沥青车辙性能评价指标和试验方法时，考虑了重复蠕变试验。3 沥青重复蠕变恢复试验在规定路面温度下进行单向重复荷载试验是评价沥青抗车辙性能的重要方法。BAHIA15提出了采用重复蠕变恢复试验来研究沥青的高温性能，试验采用 1 s 蠕变加 9 s 的恢复为一个循环，进行 100 次循环蠕变恢复试验，建议应力加载范围为 30300 Pa，通过 Burgers 模型对第 50 次和 51 次的试验结果进行拟合计算得到沥青蠕变柔量的黏性分量 Jv，取其倒数沥青黏性蠕变劲度 Gv作为新指标。Gv值的大小表示沥青抵抗高温车辙时产生永久变形的能力，其值越大，表明沥青的高温抗车辙性能越好7。DELGADILLO 等12和 BAHIA 等15的室内试验结果证明重复蠕变恢复试验得到的 Gv和累积变形与沥青的抗车辙性能相关性很好。集料类型对沥青与沥青混合料性能之间的关系有重要影响。杨小宾：沥青抗车辙性能评价指标研究-34-4 多应力蠕变恢复（MSCR）试验及其改进FHWA 研 究 人 员 进 行 了 11 级 应 力 水 平（2525 600 Pa）的试验，每个应力水平重复 10 个循环，把此试验称为多应力蠕变恢复（MSCR）试验16。MSCR 试验的一个加载卸载循环包括加载 1 s 和卸载 9 s，循环之间没有时间间隔。Superpave 沥青规范除建议用 MSCR 试验替代重复蠕变恢复试验外，还提出了新的沥青抗车辙参数，即不可恢复蠕变柔量 Jnr。Jnr为沥青加载-卸载循环结束后的不可恢复变形与加载应力的比值。通过 Jnr对沥青的变形进行了标准化，就可以对不同改性沥青之间差异进行对比17。MSCR 试验不仅能对基质和改性沥青的抗车辙性能进行评价，还可以研究改性沥青的流变特性。利用 MSCR 试验能够测试改性沥青的弹性恢复，从而得到弹性恢复率，还可以分析不同改性剂种类和用量对沥青抗车辙性能的影响。当应力水平为 3.2 kPa（Jnr 2.0 kPa-1），可综合这两个参数提出沥青弹性指标。但由于沥青混合料车辙评价更加复杂，利用 Jnr评价沥青车辙性能可能过于简单18。除此之外，还存在路面实际状况与实验室情况不同、沥青 10 个加载卸载循环不能表示沥青长期路用性能和应力水平、应力水平选取随意等问题。因此，GOALIPOPOUR19建议：经 30 次加载卸载循环后，不同应力水平下的沥青可达到相对稳定状态，若利用 30 次后的循环次数确定参数 Jnr，可提高结果的相关性，降低参数的变异性。高应力水平（10 kPa）时，可以减少不同改性沥青流变特性的差别，不同改性沥青的应力敏感性相对一致。5 试验与结果分析基质沥青采用橡胶粉、SBS 和 PE 等改性剂进行改性，具体用量和试验方法见表 1。试验采用经旋转薄膜烘箱老化后的改性沥青。表 2 为试验的结果，括号中的数字从（1）到（4）对应于结合料容易产生车辙的难易由少到多的排序。可以看出，针入度和软化点对于 AC+PE 的排序一致性最强，其次是 SBS 和橡胶粉改性沥青，最后是基质沥青。若按 G*/sin和SHENOY 参数排序，64 和 70 时 AC+橡胶改性沥青的抗车辙能力最强，而基质沥青对温度最敏感。需要特别指出的是，SHENOY 参数比 Superpave沥青规范中原有参数要高，尤其是对 AC+橡胶粉和AC+SBS（相位角最小的材料）改性沥青。从对车辙敏感性来说，车辙因子 G*/sin较 SHENOY 参数更保守，甚至把基质沥青和 AC+橡胶粉改性沥青评价为对车辙最敏感和最不敏感材料。利用 SHENOY 参数和车辙因子 G*/sin对 AC+SBS 和 AC+PE 改性沥青的评价结果正好相反，但 SHENOY 参数可以区分两者抗车辙性能差异。表 1 改性剂掺量及试验参数项目AC+橡胶AC+SBSAC+PEPG 分级（AASHTOM320-09）76S-xx76S-xx76S-xx连续等级/80.280.377.7基质沥青用量/%86.095.594.0橡胶粉掺量/%14.0-SBS 掺量/%-4.5-PE 掺量/%-6.0搅拌时间/min90120120搅拌温度/190180150剪应力水平高高低转速/rpm4 0004 000440表 2 短期老化后沥青试验结果项目基质沥青（AC）AC+橡胶AC+SBSAC+PE针入度/mm30.8（4）29.0（3）26.0（2）20.3（1）软化点/56.1（4）65.2（2）64.8（3）68.8（1）G*/sin 64 /kPa3.18（4）11.27（1）10.12（3）10.31（1）G*/sin 70 /kPa1.60（3）5.80（1）2.00（2）2.00（2）SHENOY 参数64 /kPa3.52（4）17.75（1）14.17（2）12.97（30）SHENOY 参数70 /kPa1.61（4）8.27（1）6.61（2）5.87（3）表 3 是温度为 64 和 70，蠕变恢复时间为1/9 s 和 2/18 s 时，沥青的不可恢复柔量，S、V、H分别代表标准、极重、重交通水平，括号中的数字从（1）到（4）对应于结合料容易产生车辙程度由少到多的排序。由表 3 可以看出，在加载卸载时间 2/18 s 时，剪切和重复蠕变试验均把 AC+橡胶评价为抗车辙性能最好。MSCR 可以区分两种改性沥青流变特性的差异，而剪切试验却不能。SHENOY 参数、车辙因子 G*/sin对于 AC+PE 改性沥青的评价等级偏高，造成 AC+PE 与 AC+橡胶粉和 AC+SBS 改性沥青的抗车辙性能结果差异不显著。但从 Jnr值可以看出，AC+PE 改性沥青蠕变柔量比 AC+SBS 和 AC+橡胶粉改性沥青分别高 50%和 80%，更容易产生车辙。无论加载卸载时间是 1/9 s 还是 2/18 s，都是 AC+橡胶2023 年第 3 期山东交通科技-35-粉改性沥青的应力敏感性高，AC+PE 和 AC+SBS 改性沥青的应力敏感性相差不大。即使满足 Superpave使用规范，考虑在极端温度和交通荷载条件下，路表 3 不可恢复柔量试验结果参数和试验温度/蠕变/恢复时间/s应力水平/kPa基质沥青（AC）AC+橡胶AC+SBSAC+PEJnr,641/90.12.4350.3230.4360.700Jnr,641/93.22.755（S）（4）0.585（V）（2）0.551（V）（1）0.889（V）（3）Jnr,701/90.15.9550.7751.1241.716Jnr,701/93.26.790（H）（4）1.476（H）（2）1.461（H）（1）2.253（S）（3）Jnr,642/180.14.6900.5031.0131.553Jnr,642/183.25.427（-）（4）1.013（H）（1）1.249（H）（2）1.917（S）（3）Jnr,702/180.111.7051.3002.6344.055Jnr,702/183.213.335（-）（4）2.577（S）（1）3.280（S）（2）5.066（-）（3）Jnr,diff,641/9-14.0（1）81.1（4）26.4（2）27.0（3）Jnr,diff,642/18-15.7（1）101.4（3）23.3（2）23.4（2）Jnr,diff,701/9-14.0（1）90.5（4）30.0（2）31.3（3）Jnr,diff,702/18-13.9（1098.2（4）24.5（2）24.9（3）6 结语对沥青抗车辙性能的不同方面进行了阐述，对沥青抗车辙性能评价指标存在的缺陷进行了分析，探讨了沥青流变试验方法及抗车辙评价指标未来研究热点，论述了沥青流变试验方法及抗车辙性质指标评价标准。MSCR 试验能够更清楚地区分不同类型沥青流变性能之间的差异，并能够评价橡胶粉改性沥青的高应力敏感性。因此，MSCR 是目前评价改性沥青高温抗车辙性能的最佳试验方法。参考文献：1 BOULDIN M G,DONGR R,D ANGELO J.Proposed refinement of Superpave high-temperature specification parameter for performance-graded binders J.Transportation Research Board,2001（1766）:40-47.2 SYBILSKI D.Evaluation of validity of conventional test methods in case of polymer-bitumensJ.Preprints of Papers-American Chemical Society,Division of Fuel Chemistry,1996,41（4）:1302-1306.3 DRESSEN S,PLANCHE J P,GARDEL V.Advanced testing and characterisation of bituminous materialsC/A.Loizos,M.Partl,T.Scarpas,and I.L.Al-Qadi,eds.Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials.London:CRC Press/Balkema,2009:971-980.面可能会发生车辙，Jnr,diff如此高的沥青是不能用于工程实践的。4 陈静云,赵慧敏.用SHRP方法评价再生沥青性能J.大连理工大学学报,2011,51（1）:68-72.5 BAHIA H U,ANDERSON D A.Strategic highway research program binder rheological parameters:Background and comparison with conventional propertiesJ.Transportation Research Record 1488,Transportation Research Board,Washington,DC,1995:32-39.6 DANGELO J.New high-temperature binder specification using multistress creep and recoveryJ.Transportation Research E Circular,2010:1-13.7 陈治君,郝培文.基于重复蠕变恢复试验的化学改性沥青高温性能J.江苏大学学报（自然科学版）,2017,39（4）:479-483.8 CHEN J-S,TSAI C-J.How good are linear viscoelastic Properties of asphalt binder to predict rutting and fatigue crackingJ.Materials Engineering and Performance,1999,8（4）:443-449.9 SHENOY A.Refinement of the Superpave specification parameter for performance grading of asphaltJ.Transportation Engineering,2001,127（5）:357-362.10 SHENOY A.High temperature performance grading of asphalts through a specification criterion that could capture field performanceJ.Journal of Transportation Engineering,2004,130（1）:132-137.（下转第47页）2023 年第 3 期山东交通科技-47-显减慢，可见，钢纤维对混凝土抗冻性能的提高和耐久性的改善是十分显著的。（3）有必要进一步探求钢纤维最佳掺量，以求最大限度地改善混凝土的力学性能，提高混凝土的抗冻性能和耐久性。参考文献：1叶晟.钢纤维长径比对混凝土力学性能及抗冻性能的影响分析J.西部交通科技,2022（9）:35-37.2李冬,刘世.钢纤维对混凝土抗冻耐久性影响的研究J.低温建筑技术,2022,44（1）:49-53.3姜磊.钢纤维混凝土抗冻融性能试验研究D.西安:西安建筑科技大学,2010.4邱继生,潘杜,谷拴成,等.钢纤维煤矸石混凝土抗冻性能及损伤模型研究J.冰川冻土,2018,40（3）:563-569.5张桂金.钢纤维掺量对聚合物改性混凝土抗冻融性能的影响研究J.中国水能及电气化,2021（7）:38-41.6张鹏,赵士坤,常海召,等.纳米SiO2和钢纤维增强混凝土抗冻和抗裂性能J.土木工程与管理学报,2018,35（3）:73-78.7仝国芸,于丽英,牛建广.冬季冰冻区域的钢纤维喷射混凝土抗渗和抗冻性能试验研究J.混凝土,2018（3）:138-140.（上接第 21 页）7 黄优,刘朝晖,柳力,等.钢渣-水泥稳定碎石性能及环境影响试验J.长安大学学报（自然科学版）,2021,41（5）:43-53.8 杨泓全,王龙林,王祺顺,等.季冻区钢渣沥青混合料路用性能和冻融耐久性J.公路工程,2022,47（1）:123-129.（上接第 35 页）11 BAHIA H U,ZHAI H,ZENG M,et al.Development of binder specification parameters based on characterization of damage behaviorJ.J.Assoc.Asphalt Paving Technol,2001（70）:442-470.12 DELGADILLO R,NAM K,BAHIA H.Why do we need to change G*/sin and howJ.Road Materials and Pavement Design,2006,7（1）:7-27.13 DONGR R,DANGELO J,REINKE G.New criterion for Superpave high-temperature binder specificationJ.Transportation Research Record 1875,Transportation Research Board,Washington,DC,2004:22-32.14 MOREA F,ZERBINO R,AGNUSDEI J.Wheel tracking rutting performance estimation based on bitumen low shear viscosity（LSV）,loading and temperature conditionsJ.Mater.Struct.,2014,47（4）:683-692.15 BAHIA H U,HANSON D L,ZENG M,et al.Characterization of modified asphalt binders in superpave mix design R.NCHRP Report 459，Washington，D C:National Academy Press 2001:46-49.16 DANGELO J A.The relationship of the MSCR test to rutting J.Road Mater.Pavement Des.,2009,10（1）:61-80.17 D ANGELO J,KLUTTZ R,DONGR R,et al.Revision of the Superpave high temperature binder specification:The multiple stress creep recovery testJ.Asphalt Paving Technol,2007（76）:123-162.18 WASAGE T L J,STASTNA J,ZANZOTTO L.Rheological analysis of multi-stress creep recovery（MSCR）testJ.International Journal of Pavement Engineering,2011,12（6）:561568.19 GOLALIPOUR A.Modification of multiple stress creep and recovery test 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