RET改性瀝青高低溫性能試驗(yàn)分析

熊 剛，劉 焰

(1.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 烏魯木齊 830000； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

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RET改性瀝青高低溫性能試驗(yàn)分析

熊 剛1，劉 焰2

(1.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 烏魯木齊 830000； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

采用瀝青3大指標(biāo)試驗(yàn)、DSR試驗(yàn)和BBR試驗(yàn)比較不同摻量RET改性劑的改性瀝青技術(shù)性能，對(duì)RET改性瀝青混合料進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)和低溫小梁3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，驗(yàn)證RET改性劑對(duì)瀝青高、低溫性能的影響作用。試驗(yàn)結(jié)果表明：RET改性劑摻入瀝青后，25 ℃針入度值降低，軟化點(diǎn)和5 ℃延度值均有所增加；RET改性瀝青的高溫臨界溫度和瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值均隨著RET摻量的增加而提高；隨著RET摻量增加，改性瀝青蠕變勁度降低、蠕變曲線斜率增加，且混合料的彎曲應(yīng)變能密度也會(huì)不斷增加。

RET改性瀝青；動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)DSR；彎曲蠕變勁度試驗(yàn)BBR；路用性能

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平迅速發(fā)展，道路交通量快速增加，超載現(xiàn)象較為普遍，其加劇了我國(guó)瀝青路面早期病害的形成，部分新建公路甚至在通車1～2年內(nèi)就出現(xiàn)了坑槽、麻面、車轍和開裂等病害，造成路面服務(wù)水平大幅下降，難以滿足使用要求[1]。為最大限度地避免早期病害發(fā)生，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，高性能改性瀝青材料成為一種有效選擇，其中尤以聚合物改性瀝青應(yīng)用居多[2]。按照聚合物改性劑的不同，聚合物改性瀝青可分為SBS、SBR、EVA及PE類等[3]。

近年來，對(duì)應(yīng)于聚合物改性瀝青，RET改性瀝青由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和全新的改性理念，已得到業(yè)界人士的關(guān)注。相關(guān)研究表明[4]，RET改性瀝青與傳統(tǒng)聚合物改性瀝青相比其優(yōu)勢(shì)明顯：1) RET改性瀝青有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性；而聚合物改性瀝青屬于物理改性，易發(fā)生離析現(xiàn)象，儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差，不利于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和工程施工。2) RET改性瀝青加工方便，直接進(jìn)行機(jī)械攪拌即可，不需采用特殊加工設(shè)備；而聚合物改性瀝青需要諸如膠體磨和高速剪切機(jī)進(jìn)行剪切研磨以便將聚合物打碎，從而使其均勻分散到瀝青中。3) RET改性瀝青價(jià)格相對(duì)聚合物改性瀝青價(jià)格更為便宜，其經(jīng)濟(jì)效益可觀。

RET改性瀝青作為一種新型改性瀝青在國(guó)外受到了普遍關(guān)注[5-6]，但國(guó)內(nèi)目前對(duì)其研究和認(rèn)識(shí)還較為有限。本文為明確RET改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的影響作用，基于瀝青3大物理指標(biāo)試驗(yàn)、剪切流變(DSR)試驗(yàn)和彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)對(duì)比研究RET改性瀝青和基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能，并采用車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)分別驗(yàn)證RET改性瀝青混合料的高溫和低溫路用性能。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)所用基質(zhì)瀝青為殼牌70#A級(jí)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 殼牌70#A級(jí)瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

1.2 RET改性劑

RET的含義是一種由乙烯主鏈與2種共聚物單體聚合而成的彈性體，本次試驗(yàn)采用的RET改性劑由美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)，其物理指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。參照文獻(xiàn)[7]工藝制備RET改性瀝青：首先把基質(zhì)瀝青加熱到185 ℃，然后將一定摻量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)的RET改性劑緩慢加入基質(zhì)瀝青，并持續(xù)攪拌3.5 h；之后緩慢加入質(zhì)量為瀝青質(zhì)量0.2%的多聚磷酸PPA，其主要起催化作用；加完P(guān)PA并攪拌1 h后停止，最后發(fā)育2 h即可得到RET改性瀝青。

1.3 礦料

集料為石灰?guī)r碎石和機(jī)制砂，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而成，礦料級(jí)配為AC-13型。礦料密度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，合成級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 AC-13礦料級(jí)配曲線

檢測(cè)指標(biāo)顏色氣味密度/(g·cm-3)熔融溫度/℃熔流率(190℃/2.16kg)/(g/10min)結(jié)果白色無味0.9377312

表3 礦料密度試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)方法

2.1 瀝青試驗(yàn)2.1.1 3大物理指標(biāo)試驗(yàn)

對(duì)制備好的RET改性瀝青進(jìn)行25 ℃針入度、軟化點(diǎn)和5 ℃延度試驗(yàn)，參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.2 DSR試驗(yàn)

DSR試驗(yàn)可以測(cè)定瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ以表征瀝青材料的粘彈性質(zhì)。本文采用DSR試驗(yàn)得到Superpave瀝青規(guī)范定義的車轍因子G*/sinδ以評(píng)價(jià)RET改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能。通常其值越大瀝青的高溫性能就越好[8]。試驗(yàn)過程中，采用大旋轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)板，板間距1 mm，在應(yīng)力控制模式(0.12 kPa)下施加頻率為10 rad/s的正弦震蕩荷載，以確保瀝青變形控制線粘彈性區(qū)域。試驗(yàn)溫度設(shè)定為64、70、76、82和88 ℃。

2.1.3 BBR試驗(yàn)

BBR試驗(yàn)可以測(cè)試瀝青在低溫下的勁度，瀝青低溫勁度越大，其脆性特性就越明顯，路面就越容易在低溫下開裂。BBR試驗(yàn)利用梁理論來計(jì)算瀝青小梁試件在蠕變荷載作用下的勁度，用蠕變荷載來模擬溫度下降時(shí)路面產(chǎn)生的應(yīng)力，其蠕變勁度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：S為蠕變勁度模量；P為集中荷載；L為梁跨距，取102 mm；b為梁寬，取12.5 mm；h為梁高，取6.25 mm；δt為跨中撓度。

BBR試驗(yàn)勁度模量典型曲線如圖2所示。根據(jù)圖2還可以得到瀝青在各時(shí)刻曲線斜率的絕對(duì)值m值，m值反映了瀝青勁度模量隨變形的反應(yīng)情況，其值越大越好[9]。本文在-18 ℃下，對(duì)RET改性瀝青進(jìn)行BBR試驗(yàn)，測(cè)得瀝青在240 s內(nèi)的跨中撓度、60 s時(shí)的勁度S和m值，以評(píng)價(jià)采用不同摻量RET改性劑時(shí)復(fù)合改性瀝青的低溫性能。

圖2 BBR試驗(yàn)勁度模量S和勁度模量曲線m值

2.2 瀝青混合料試驗(yàn)2.2.1 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)是我國(guó)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性最常用的方法。本文按照J(rèn)TG E20—2011中規(guī)定的方法進(jìn)行車轍試驗(yàn)并得到動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)DS，以比較不同RET摻量瀝青混合料的抗車轍能力。

2.2.2 低溫彎曲試驗(yàn)

采用電液伺服萬能材料機(jī)MTS在-10 ℃下對(duì)瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。根據(jù)試件在破壞時(shí)刻的荷載、跨中撓度并采用JTG E20—2011中的公式便可計(jì)算小梁的彎拉強(qiáng)度σ0和破壞應(yīng)變?chǔ)?。目前我國(guó)主要采用破壞應(yīng)變?chǔ)?來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，但部分學(xué)者認(rèn)為該指標(biāo)僅考慮了瀝青混合料在低溫下的變形能力，而忽略了抗拉強(qiáng)度的作用[10-11]。近年來，基于能量角度，綜合考慮了變形和強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)的應(yīng)變能密度逐漸應(yīng)用于瀝青混合料低溫性能評(píng)價(jià)中，其計(jì)算方法為根據(jù)小梁試件的σ-ε曲線，得出峰值荷載之前曲線的包絡(luò)面積。小梁彎拉試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變典型曲線如圖3所示。本次試驗(yàn)中，各混合料在低溫下彈性特征明顯，在峰值荷載前彎拉應(yīng)力σ與彎拉應(yīng)變?chǔ)呕境收壤P(guān)系，所以應(yīng)變能密度按公式(2)近似計(jì)算：

(2)

式中：W為應(yīng)變能密度。

圖3 小梁彎拉試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 物理指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

不同摻量RET改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，RET摻量為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的改性瀝青其針入度分別比基質(zhì)瀝青降低了0.4、0.5、0.6、0.8 mm，表明隨著RET摻量的增加，瀝青針入度不斷減小，稠度逐漸增加，常溫下其抗變形能力不斷提升。從表4還可看出，隨著RET改性劑摻量的增加，瀝青軟化點(diǎn)均有不同程度的增加，摻量為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的RET改性瀝青其軟化點(diǎn)比基質(zhì)瀝青分別增加了12.7、17.9、21.2、22 ℃，說明 RET 改性劑能夠較好地改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)RET摻量在增加到2.0%之前時(shí)，軟化點(diǎn)增幅均較為明顯，而摻量由2.0%增加至2.5%時(shí)變化不大。比較基質(zhì)瀝青與不同RET摻量改性瀝青的5 ℃延度指標(biāo)可知，摻入RET后瀝青的延度值有所提升，但RET摻量超過1.5%后，延度值基本保持穩(wěn)定。表明RET可改善瀝青的低溫性能，但過量的RET對(duì)瀝青低溫性能改善作用并不顯著。

表4 不同RET摻量改性瀝青3大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

注：0%～2.5%均代表RET摻量。下同。

3.2 DSR試驗(yàn)與車轍試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同RET摻量的改性瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn)，不同溫度下對(duì)應(yīng)的車轍因子結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，在不同溫度下，基質(zhì)瀝青中加入RET后車轍因子均有明顯提高，基質(zhì)瀝青的高溫PG分級(jí)為70 ℃，而摻入RET后，改性瀝青的高溫PG分級(jí)已達(dá)到82 ℃，說明RET有助于提升瀝青的高溫性能。但從PG分級(jí)角度看，RET摻量變化并未改變RET改性瀝青的高溫等級(jí)，為此，本文對(duì)各摻量下的改性瀝青臨界溫度進(jìn)行比較。

表5 車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

臨界溫度表征瀝青的高溫失效溫度，其計(jì)算原理如下[12]：根據(jù)試驗(yàn)得到對(duì)應(yīng)溫度下的車轍因子，按方程進(jìn)行擬合得到系數(shù)a、b，然后反算車轍因子為1 000 Pa時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即為該瀝青的臨界溫度。本次試驗(yàn)中，4種不同RET摻量的改性瀝青的臨界溫度分別為82.2、83.7、86.8和86.9 ℃。試驗(yàn)結(jié)果再次說明，RET摻量增加有助于提升RET改性瀝青的高溫性能。但同時(shí)也可以看出，RET摻量大于2.0%時(shí)，改性瀝青高溫性能提升速率較小，即摻量增加對(duì)高溫性能的增強(qiáng)作用也將不再明顯。

為進(jìn)一步驗(yàn)證RET對(duì)基質(zhì)瀝青的高溫改善作用，對(duì)基質(zhì)瀝青和摻加RET的改性瀝青混合料進(jìn)行了車轍試驗(yàn)，得到的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，RET改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值明顯高于基質(zhì)瀝青混合料，證明RET摻入對(duì)瀝青混合料高溫性能具有明顯改善作用。同時(shí)隨著RET摻量的增加，瀝青混合料高溫性能提升趨勢(shì)與瀝青的臨界溫度增加趨勢(shì)基本吻合。

3.3 BBR試驗(yàn)與低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各類改性瀝青進(jìn)行了-18 ℃BBR試驗(yàn)，并得到勁度模量S和m值，結(jié)果如表6所示。

由表6數(shù)據(jù)可以看出，與基質(zhì)瀝青相比，RET改性瀝青蠕變勁度模量S變小，m值變大，表明RET能改善瀝青的低溫性能。隨著RET摻量增加，改性瀝青的勁度模量S隨之降低，蠕變曲線斜率m值隨之降低，表明復(fù)合改性瀝青的彎曲流變性能在逐漸變好。深入分析數(shù)據(jù)還可以看出，RET摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%時(shí)，RET改性瀝青相對(duì)基質(zhì)瀝青蠕變勁度模量分別降低了18.1%、37.2%、39.8%和40.7%，蠕變曲線斜率m值分別增加了3.5%、6.5%、7.1%和7.1%，說明RET摻量較低時(shí)，S值和m值變化幅度較大；但隨著RET摻量超過1.5%，則S值和m值已無太大變化。

圖5 混合料動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果與瀝青臨界溫度對(duì)比

測(cè)試指標(biāo)0%1%1.5%2%2.5%S/MPa226185142136134m值0.3100.3210.3300.3320.332

為驗(yàn)證RET對(duì)基質(zhì)瀝青低溫性能的影響作用，還進(jìn)行了瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)，計(jì)算應(yīng)變能密度如表7所示。從表7可以看出，隨著RET摻量增加，瀝青混合料的應(yīng)變能密度隨之增加，從而再次說明基質(zhì)瀝青中加入RET會(huì)對(duì)瀝青低溫性能產(chǎn)生積極作用。同時(shí)RET摻量對(duì)瀝青混合料低溫性能影響的趨勢(shì)與對(duì)基質(zhì)瀝青的影響趨勢(shì)較為接近。

表7 應(yīng)變能密度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論與建議

1) 與基質(zhì)瀝青相比，RET改性瀝青25 ℃針入度值降低，軟化點(diǎn)和5 ℃延度值均有所增加。

2) RET改性瀝青的高溫臨界溫度和瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值均隨著RET摻量的增加而提高，表明RET改性劑能提升瀝青的高溫性能，但RET摻量大于2%時(shí)，摻量增加對(duì)瀝青高溫性能增強(qiáng)作用不再明顯。

3) 與基質(zhì)瀝青相比，RET改性瀝青蠕變勁度模量S降低，蠕變曲線斜率m值增加，同時(shí)RET改性瀝青混合料低溫應(yīng)變破壞能比基質(zhì)瀝青混合料的增幅大得多，表明RET可顯著改善瀝青及其混合料的低溫性能。隨著RET摻量的增加，改性瀝青和瀝青混合料低溫性能增強(qiáng)；但RET摻量超過1.5%后，RET的改善作用不再明顯。

4) 綜合考慮RET對(duì)基質(zhì)瀝青高、低溫性能的影響及經(jīng)濟(jì)性，工程應(yīng)用中采用RET對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性時(shí)建議其摻量不超過2%。

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Test and Analysis on High/Low Temperature Performance of RET Modified Asphalt

XIONG Gang1, LIU Yan2

This paper icarries out high temperature rutting test and low temperature 3 point bending test on small beam to RET modified asphalt mixture. The tests were based on 3 indices test for asphalt, DSR test and BBR test, to compare technical performance of modified asphalt at different content of RET modifier, so to verify influence of RET modifier to high/low temperature performance of asphalt. Test results show that when adding RET modifier into asphalt, penetration value at 25 ℃ is reduced, while the softness value and ductility value at 5 ℃ increased. In addition, the high temperature critical temperature of RET modified asphalt and dynamic stability value of asphalt mixture improves with the increment of RET content. As RET content increased, the modified asphalt has lower creep stiffness, higher creep curve rate and the bending strain energy density of the mixture continuously increases.

RET modified asphalt; dynamic shearing test DSR; bending creep stiffness test BBR; road performance

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.011

2016-03-14

熊 剛(1970-)，男，四川省樂至縣人，本科，高工。

1009-6477(2016)05-0041-05

U416.217

A