基于MSCR試驗(yàn)的改性瀝青高溫性能評價

郭詠梅， 許 麗， 吳 亮， 沈新元(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

近年來，不少研究人員對于軟化點(diǎn)、車轍因子G*/sinδ等瀝青高溫指標(biāo)能否準(zhǔn)確評價改性瀝青提出了質(zhì)疑[1-2].鑒于此，美國NCHRP 9-10項(xiàng)目的研究報(bào)告[2]提出采用重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(RCRT)來評價改性瀝青.但是D’angelo等[3]的研究表明RCRT的加載應(yīng)力較低，無法反映改性瀝青在路面中的實(shí)際受力狀態(tài)，因此又提出了多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)，采用0.1kPa 和3.2kPa兩個應(yīng)力水平進(jìn)行測試，以不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr、恢復(fù)率R和應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff，Rdiff作為評價指標(biāo)，其中Jnr可以反映改性瀝青在較大應(yīng)力下的非線性流變響應(yīng)，且有研究表明Jnr與瀝青混合料抗車轍性能的相關(guān)性較好[4].目前MSCR試驗(yàn)已被編入美國AASHTO和ASTM規(guī)范[5-6]中，AASHTO MP19-10分級標(biāo)準(zhǔn)[7]也以3.2kPa 應(yīng)力時的Jnr值作為瀝青分級新指標(biāo).中國一些研究者[8-9]應(yīng)用MSCR試驗(yàn)對SBS改性瀝青、PE改性瀝青等的高溫性能進(jìn)行了評價，但是將改性瀝青的MSCR評價結(jié)果與其混合料高溫性能進(jìn)行對比分析的研究還不多.本文選擇華東地區(qū)常用的幾種改性瀝青，應(yīng)用MSCR試驗(yàn)對其高溫性能進(jìn)行測試與分析，再與改性瀝青混合料三軸動態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比研究，為準(zhǔn)確評價改性瀝青提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù).

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料

以SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青和高強(qiáng)瀝青為研究對象，其編號和主要性能指標(biāo)如表1所示.為了更好地模擬改性瀝青在實(shí)際路面上的工作狀態(tài)，本文MSCR試驗(yàn)采用的均是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT)進(jìn)行短期老化處理后的試樣，老化方法見JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》.

表1 改性瀝青的主要性能Table 1 Main properties of modified asphalts

粗、細(xì)集料分別采用玄武巖和石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r礦粉，抗剝落劑的摻量為改性瀝青質(zhì)量的0.4%，所有礦質(zhì)材料的技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求.選擇目前瀝青路面上面層常用的AC-13作為集料級配型式，考慮到膠粉改性瀝青的溶脹效應(yīng)，其混合料的集料級配增加間斷級配型式ARAC-13作為對比.在進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時，AC-13和ARAC-13均通過控制關(guān)鍵篩孔2.36mm通過率的方法，經(jīng)多次調(diào)整確定合成級配，結(jié)果如表2所示.

表2 改性瀝青混合料的合成級配Table 2 Aggregate gradations of modified asphalt mixtures

改性瀝青混合料由馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比，再按最佳油石比應(yīng)用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，最后經(jīng)鉆芯取樣和雙面切割獲得φ100×150mm的圓柱體試件.

1.2 試驗(yàn)

MSCR試驗(yàn)步驟為：首先采用0.1kPa的應(yīng)力，加、卸載時間分別為1s和9s，重復(fù)循環(huán)10次；再采用3.2kPa的應(yīng)力，加、卸載時間和重復(fù)次數(shù)同前.0.1，3.2kPa應(yīng)力之間不間斷，整個試驗(yàn)共耗時200s.參考AASHTO MP19-10分級標(biāo)準(zhǔn)[7]的要求，試驗(yàn)溫度選擇58，64，70℃.試驗(yàn)儀器采用美國TA公司生產(chǎn)的AR-2000ex高級流變儀，根據(jù)試驗(yàn)的測溫范圍，采用直徑為25mm的平行板夾具，試樣厚度取1mm.

蠕變試驗(yàn)的加載模式有動態(tài)和靜態(tài)兩大類，本文選擇與真實(shí)瀝青路面情況更接近的動態(tài)蠕變試驗(yàn).為了更準(zhǔn)確地模擬改性瀝青混合料在實(shí)際路面中的受力狀態(tài)，加載應(yīng)力包括軸向應(yīng)力和圍壓，即為三軸加載.參考中國標(biāo)準(zhǔn)軸載輪胎與路面的接觸壓力，軸向應(yīng)力取700kPa，圍壓取138kPa.試驗(yàn)的加載波形設(shè)為半正弦波，加載0.1s、卸載0.9s為1個蠕變恢復(fù)循環(huán)，試驗(yàn)的終止條件為重復(fù)加載次數(shù)達(dá)到10000次或試件的累積應(yīng)變曲線進(jìn)入破壞期.試驗(yàn)儀器采用澳大利亞IPC Global公司生產(chǎn)的UTM-25萬能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度采用60℃.

2 改性瀝青MSCR高溫性能分析與評價

2.1 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

圖1為膠粉改性瀝青在64℃下的MSCR試驗(yàn)曲線，呈現(xiàn)了0.1，3.2kPa應(yīng)力下累積應(yīng)變隨時間的變化情況，其他試驗(yàn)曲線限于論文篇幅不再一一繪出.在每個應(yīng)力下，單次循環(huán)的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr按式(1)計(jì)算.0.1，3.2kPa應(yīng)力下10次循環(huán)內(nèi)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康钠骄捣謩e表示為Jnr，0.1，Jnr，3.2，它們能反映瀝青在不同應(yīng)力下的抗永久變形能力，數(shù)值越小，瀝青的高溫性能越好.

Jnr=γnr/τ

(1)

式中：τ為每次循環(huán)的加載應(yīng)力，kPa；γnr為該次循環(huán)的不可恢復(fù)應(yīng)變.

圖1 膠粉改性瀝青在64℃下的MSCR試驗(yàn)曲線Fig.1 MSCR test curve of rubber modified asphalt at 64℃

改性瀝青在58,64,70℃時的Jnr，0.1，Jnr，3.2值如圖2所示.由圖2可以看出：當(dāng)應(yīng)力提高時，3種改性瀝青的Jnr值均不同程度增大，在溫度升高時亦然.這表明“重載”作用對改性瀝青抗永久變形能力的影響與“高溫”相似，即應(yīng)力與溫度具有某種等效性.對試件施加0.1kPa應(yīng)力時，改性瀝青的流變性能基本處于線性范圍[10]；而當(dāng)應(yīng)力增加到3.2kPa時，改性瀝青的流變性能很可能已經(jīng)進(jìn)入非線性范圍，這應(yīng)該可以模擬瀝青路面在承受較大荷載時的情況.

圖2 不同應(yīng)力和溫度下改性瀝青的Jnr值Fig.2 Jnrvalues of modified asphalts at different stresses and temperatures

為了全面評價3種改性瀝青，以不同應(yīng)力和溫度下的Jnr值為依據(jù)進(jìn)行高溫性能排序.由圖2可以看出，當(dāng)試驗(yàn)條件改變時，膠粉改性瀝青的Jnr值變化幅度最大.開始時應(yīng)力和溫度都較低，膠粉改性瀝青的Jnr值最小，高溫性能最好；之后隨著應(yīng)力或溫度的提高，膠粉改性瀝青的Jnr值很快超過高強(qiáng)瀝青；特別是當(dāng)溫度升高到70℃時，膠粉改性瀝青的Jnr，3.2值大幅增加，雖然仍稍低于SBS改性瀝青，但兩者已經(jīng)很接近了.可以預(yù)測，如果試驗(yàn)的應(yīng)力或溫度進(jìn)一步增大，膠粉改性瀝青的Jnr值很可能超過SBS改性瀝青.總之，在不同應(yīng)力和溫度下以Jnr值為依據(jù)對3種改性瀝青高溫性能的評價順序并不一致，分析其原因主要是膠粉改性瀝青對應(yīng)力和溫度的敏感性明顯大于另外2種改性瀝青.由于應(yīng)力與溫度具有等效性，本文僅分析應(yīng)力敏感性對改性瀝青抗永久變形能力的影響.

2.2 應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff

瀝青的應(yīng)力敏感性可以用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬Σ町怞nr-diff來描述，其計(jì)算公式見式(2).Jnr-diff值越大，瀝青的應(yīng)力敏感性越大.

(2)

3種改性瀝青在不同溫度時的Jnr-diff值如圖3所示.由圖3可以看出，當(dāng)溫度升高時改性瀝青的Jnr-diff值隨之增大，這表明高溫條件下改性瀝青抗永久變形能力的應(yīng)力敏感性更為突出.3種改性瀝青中，膠粉改性瀝青的Jnr-diff值為同溫度下的最大值，即膠粉改性瀝青的應(yīng)力敏感性明顯超出其他2種改性瀝青.膠粉改性瀝青的Jnr-diff值在58℃時為68%，64℃ 時達(dá)到196%，70℃時更高達(dá)342%.AASHTO MP19-10分級標(biāo)準(zhǔn)對Jnr-diff值的要求是“≤75%”[7]，顯然，64℃和70℃下的膠粉改性瀝青均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個范圍，很可能已經(jīng)達(dá)到蠕變破壞階段.

圖3 不同溫度下改性瀝青的Jnr-diff值Fig.3 Jnr-diff values of modified asphalts at different temperatures

58℃時SBS改性瀝青、高強(qiáng)瀝青的Jnr-diff值分別為0.3%，0.6%，64℃時為2%，3%，70℃時則為37%，47%，都滿足了AASHTO MP19-10分級標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)測試要求.參考Petersen等[11]確定振動模式下瀝青流變性能線性范圍極限值的方法，可以根據(jù)改性瀝青的Jnr-diff值是否“>5%”來判定其流變性能處于哪個范圍.由此得出：當(dāng)應(yīng)力達(dá)到3.2kPa時，58℃和64℃下的SBS改性瀝青和高強(qiáng)瀝青流變性能均處于線性范圍，但是在70℃時的SBS改性瀝青、高強(qiáng)瀝青和58℃時的膠粉改性瀝青一樣，流變性能已經(jīng)進(jìn)入非線性范圍.

因改性瀝青的Jnr-diff值達(dá)到5%時可作為其流變性能線性范圍極限值，且Jnr-diff值會隨溫度升高而增大，故得出改性瀝青流變性能的線性范圍將隨溫度升高而變窄的結(jié)論.由圖3還可見，當(dāng)應(yīng)力為3.2kPa 時，58℃和64℃下只有膠粉改性瀝青的流變性能超出線性范圍，且其在3個溫度下的Jnr-diff值均遠(yuǎn)大于其他改性瀝青，因此可得出：3種改性瀝青中，膠粉改性瀝青流變性能的線性范圍最小.

2.3 改性瀝青的MSCR交通分級

基于MSCR試驗(yàn)的AASHTO MP19-10分級標(biāo)準(zhǔn)沿用了以車轍因子G*/sinδ為基礎(chǔ)的瀝青膠結(jié)料規(guī)范溫度分級的方法，即各等級相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求值固定為常數(shù)，而試驗(yàn)溫度則不同，且2個規(guī)范采用的分級溫度數(shù)值也是相同的，其中高溫分級溫度范圍為46～82℃，以6℃為1個間隔.確定了高溫等級后，AASHTO MP19-10分級標(biāo)準(zhǔn)再以Jnr，3.2為分級新指標(biāo)，按照對應(yīng)的交通量情況分為極重交通(E)、特重交通(V)、重交通(H)、標(biāo)準(zhǔn)交通(S)共4個等級[7].

3種改性瀝青的交通分級結(jié)果如表3所示.由表3可以看出，同一改性瀝青在不同溫度下適用的交通等級不一樣.SBS改性瀝青在58℃時的評級是特重交通(V)，64℃時是重交通(H)，70℃時則是標(biāo)準(zhǔn)交通(S)，即隨著溫度升高，適用的交通等級逐漸下降.其他改性瀝青基本上遵循相同規(guī)律，這從另一個側(cè)面印證了應(yīng)力和溫度對改性瀝青抗永久變形能力的影響具有等效性這一推論.

表3 不同溫度下改性瀝青適用的交通等級Table 3 Traffic grades of application about modified asphalts at different temperatures

由表3還可以看出，膠粉改性瀝青在3種改性瀝青中比較特殊，它在58℃時適用的交通等級是極重交通(E)，屬于最高等級，但是在64，70℃時卻連最低等級也沒有達(dá)到.膠粉改性瀝青的PG高溫等級高達(dá)82℃(見表1)，說明其在低應(yīng)力區(qū)間線性范圍內(nèi)的抗永久變形能力非常優(yōu)秀；但是由于其線性范圍很小，故當(dāng)應(yīng)力或溫度提高時膠粉改性瀝青的流變性能迅速進(jìn)入非線性范圍，導(dǎo)致其高溫性能急速衰減，因此膠粉改性瀝青不適用于特重交通或重交通的瀝青路面.另外，對于應(yīng)力敏感性突出的改性瀝青而言，決定其交通等級的關(guān)鍵因素除了分級指標(biāo)Jnr，3.2外，還應(yīng)包括應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff.這是因?yàn)镸SCR試驗(yàn)對Jnr-diff值有“<75%”的限制，不滿足要求的改性瀝青即使Jnr，3.2值比較高，也會如膠粉改性瀝青一樣評出較差的交通等級.

3 基于混合料三軸動態(tài)蠕變試驗(yàn)的驗(yàn)證分析

圖4給出了以3種改性瀝青為結(jié)合料的改性瀝青混合料60℃三軸動態(tài)蠕變試驗(yàn)曲線，其中AC-13，ARAC-13代表集料級配型式，括號內(nèi)為改性瀝青編號.瀝青混合料累積應(yīng)變的發(fā)展過程通常由3個階段組成，即初始階段、穩(wěn)定階段和破壞階段，可以把進(jìn)入破壞階段的先后順序作為評價瀝青混合料高溫性能的依據(jù)，故由圖4得出：AC-13(C)的高溫性能最好，AC-13(A)次之，而ARAC-13(B)和AC-13(B)排在后兩位.

圖4 改性瀝青混合料60℃三軸動態(tài)蠕變試驗(yàn)曲線Fig.4 Triaxial repeated creep test curves of modified asphalt mixtures at 60℃

雖然集料性狀及級配型式對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性影響很大，但是近期的研究表明典型密級配瀝青混合料的抗永久變形能力主要由瀝青性能決定[12].因此，采用相同集料與密級配型式(AC-13)的改性瀝青混合料高溫性能排序可以反映其改性瀝青結(jié)合料實(shí)際高溫性能的優(yōu)劣.由此得出：高強(qiáng)瀝青的高溫性能最好，SBS改性瀝青次之，膠粉改性瀝青最差.這個結(jié)果與前文64，70℃下3種改性瀝青交通等級反映出的高溫性能排序一致.本文三軸動態(tài)蠕變試驗(yàn)的加載方案模擬的是標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用情況，而近年來中國不少高等級公路上重載車大量增加，甚至超載車也占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎?，在重載交通條件下改性瀝青肯定承受了更大應(yīng)力，很可能MSCR試驗(yàn)的溫度需要進(jìn)一步提高.

4 結(jié)論

(1)當(dāng)應(yīng)力提高時改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S之增大，溫度升高時亦然，這表明在非線性范圍內(nèi)應(yīng)力和溫度對改性瀝青抗永久變形能力的影響具有等效性.

(2)隨著溫度的升高，改性瀝青流變性能的線性范圍逐漸變窄，應(yīng)力敏感性更為顯著；膠粉改性瀝青在低應(yīng)力區(qū)間的高溫性能優(yōu)秀，但是其線性范圍很小，當(dāng)應(yīng)力或溫度提高時迅速進(jìn)入非線性范圍，高溫性能急劇衰減.

(3)在不同應(yīng)力和溫度下改性瀝青高溫性能的排序可能發(fā)生改變，因此在評價改性瀝青的高溫性能時應(yīng)充分考慮其在實(shí)際瀝青路面中的受力和溫度狀態(tài)，而基于AASHTO MP19-10標(biāo)準(zhǔn)的交通分級能夠反映改性瀝青的這一特性.

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