BRA改性瀝青高溫性能評價指標的比較研究*

吳源鋒 廖 軍 黃晚清 馮文凱 曹明明

(榮縣交通運輸局1) 榮縣 643100) (成都理工大學環(huán)境與土木工程學院2) 成都 610059) (四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院3) 成都 610041)

0 引 言

近些年來許多學者對瀝青高溫性能的評價指標進行了深入的研究.熊劍平等[1]對瀝青抗車轍性能的評價指標進行了優(yōu)選，發(fā)現(xiàn)針入度、軟化點，以及車轍因子不能準確評價Rubber，PE，SBS改性瀝青的抗車轍性能，建議采用平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr作為瀝青抗車轍性能的評價指標.黃衛(wèi)東等[2]對不同類型的SBS改性瀝青高溫性能的評價指標進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)Jnr0.1和Shenoy不可恢復(fù)柔量在SBS改性瀝青高溫性能評價上均優(yōu)于車轍因子.劉紅瑛等[3]對多聚磷酸改性瀝青高溫性能的評價指標進行了對比分析，結(jié)果表明，軟化點和累積應(yīng)變可以用于評價不同類型瀝青的高溫性能.樊向陽等[4]對抗車轍劑改性瀝青的高溫性能的諸多評價指標進行了研究，發(fā)現(xiàn)Jnr0.1，Jnr3.2可以較為準確的評價抗車轍劑改性瀝青的高溫性能.目前對天然巖瀝青研究較多的是其對基質(zhì)瀝青的改性機理及其混合料的路用性能.陸兆峰等[5]研究了天然巖瀝青改性基質(zhì)瀝青的內(nèi)在機理，結(jié)果表明巖瀝青的摻入改變了基質(zhì)瀝青原有的瀝青組分.黃文通等[6]研究了北美巖瀝青改性基質(zhì)瀝青的機理，結(jié)果表明北美巖瀝青能有效增強瀝青內(nèi)部分子之間的作用力，顯著增強瀝青的抗老化性能、高溫抗車轍性能.羅東等[7]研究純凈巖瀝青對基質(zhì)瀝青老化性能及疲勞性能的影響，結(jié)果表明，巖瀝青對基質(zhì)瀝青抗老化性能和疲勞性能有顯著的改善，但對基質(zhì)瀝青的低溫性能造成不利影響，建議純凈巖瀝青摻量為15%.曾夢瀾等[8]對歐洲巖瀝青改性瀝青混合料路用性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)歐洲巖瀝青顯著增強了瀝青混合料的抗水損害能力及高溫抗車轍性能，但同時降低了瀝青混合料的低溫抗裂性能.

目前對布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能評價指標的研究較少，文中將對瀝青諸多高溫性能評價指標進行對比分析，以優(yōu)選出能較為準確評價BRA改性瀝青高溫性能的指標.

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

選用印尼布敦巖瀝青(buton rock asphalt，BRA)，基質(zhì)瀝青為70#A級道路石油瀝青，其技術(shù)指標見表1～2.

表1 布敦巖瀝青技術(shù)指標及測試結(jié)果

表2 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標及測試結(jié)果

1.2 BRA改性瀝青的制備

選取BRA和70#基質(zhì)瀝青在實驗室制備BRA摻量不同的改性瀝青，其中布敦巖瀝青的摻量(布敦巖瀝青與70#基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比)分別為0.0%，10.0%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%.BRA改性瀝青的制備方法如下：將70#基質(zhì)瀝青放入烘箱中加熱至180 ℃，按照設(shè)計比例稱取一定質(zhì)量的布敦巖瀝青，加入到70#基質(zhì)瀝青中并用玻璃棒攪拌均勻，采用轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的剪切機剪切、擠壓30 min，剪切過程中保證瀝青溫度維持在180 ℃[9].

1.3 瀝青結(jié)合料試驗方法

BRA能夠增大基質(zhì)瀝青的黏度，從而增強瀝青的高溫抗變形能力，與SBS聚合物對基質(zhì)瀝青高溫性能的改性機理有較大區(qū)別.因此為研究瀝青各高溫性能評價指標對BRA改性瀝青高溫性能的評價效果，對BRA摻量不同的改性瀝青進行高溫性能常規(guī)試驗、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度試驗、常規(guī)震蕩剪切試驗(DSR)和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR).

采用上海某公司生產(chǎn)的SYD-2806G型全自動瀝青軟化點試驗儀和SYD-2801I型針入度試驗儀對BRA摻量不同的原樣改性瀝青進行軟化點試驗和針入度試驗，其中針入度試驗獲取溫度分別15,25,30 ℃的針入度值，以計算出各摻量BRA改性瀝青當量軟化點[10].采用美國博勒飛DV-II+Pro型黏度計對BRA摻量不同的原樣改性瀝青進行旋轉(zhuǎn)黏度試驗，試驗溫度為135 ℃.以上試驗詳細的步驟及要求見JTG E20—2011.

采用美國TA公司生產(chǎn)的型號為AR1500ex的動態(tài)剪切流變儀對瀝青進行常規(guī)震蕩剪切試驗(DSR)和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR)，試驗樣品均為RTFOT老化后BRA改性瀝青殘留物，震蕩剪切試驗溫度為60 ℃，角頻率為10 rad/s，在應(yīng)變控制模式下進行. MSCR試驗的試驗溫度同樣設(shè)定為60 ℃，選取25 mm轉(zhuǎn)子，間隙設(shè)置為1 mm，在應(yīng)力控制模式下進行，先后分別在0.1,3.2 kPa剪切應(yīng)力水平下加載1 s，卸載9 s，兩個步驟之間不發(fā)生間歇，不同的是在0.1 kPa的剪切應(yīng)力水平下重復(fù)進行20個周期，3.2 kPa的剪切應(yīng)力水平下重復(fù)進行10個周期，整個試驗共耗時300 s[11-12].繪出累計應(yīng)變和時間的關(guān)系曲線，圖1為一個蠕變恢復(fù)周期內(nèi)的應(yīng)變圖.每個周期內(nèi)的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繛?/p>

Jnr=εu/σ

式中：εμ為未恢復(fù)的應(yīng)變；σ為應(yīng)力.

圖1 一個蠕變回復(fù)周期內(nèi)的應(yīng)變圖

1.4 瀝青混合料試驗方法

對BRA摻量不同的改性瀝青混合料進行了60 ℃車轍試驗獲取動穩(wěn)定度DS，并將其與瀝青高溫評價指標進行回歸分析，以驗證BRA改性瀝青高溫性能評價指標的有效性，其中混合料的級配均為AC-20C，粗細集料均為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r磨制的礦粉，油石比均設(shè)定為4.4%，對每種BRA摻量瀝青混合料平行試驗三個試件，取其平均值作為試驗結(jié)果，詳細的試驗步驟及要求見文獻[10].

2 BRA改性瀝青高溫評價指標研究

2.1 軟化點

BRA摻量不同的改性瀝青軟化點測定結(jié)果見表3.由表3可知，隨BRA摻量的增加瀝青軟化點有較明顯的提高，表明BRA改性瀝青高溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.

表3 不同摻量BRA改性瀝青軟化點

2.2 當量軟化點

BRA摻量不同的改性瀝青當量軟化點見表4.由表4可知，隨BRA摻量的增加瀝青當量軟化點有較明顯的提高，表明BRA改性瀝青高溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且BRA摻量越高，瀝青高溫性能越好.

表4 不同摻量BRA改性瀝青當量軟化點

2.3 135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度

BRA摻量不同的改性瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度見表5.由表5可知，BRA摻量為10%,20%,30%,40%,50%,60%的改性瀝青黏度分別是70#基質(zhì)瀝青黏度的100.51%,130.90%,185.91%,309.75%,338.74%,386.08%，表明BRA改性瀝青高溫性能明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且BRA摻量越高，瀝青高溫性能越好.

表5 BRA改性瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度

2.4 車轍因子及Shenoy不可恢復(fù)柔量

車轍因子G*/sinδ并不能夠很好地反映SBS類高彈改性瀝青的高溫抗永久變形能力.Shenoy提出不可恢復(fù)柔量[1-1/(tanδ·sinδ)]/G*作為瀝青高溫性能的評價指標.試驗采集到的車轍因子G*/sinδ和相位角δ計算出Shenoy不可恢復(fù)柔量，見表6.由表6可知，隨著BRA摻量的增加，BRA改性瀝青G*/sinδ均有所增加，Shenoy不可恢復(fù)柔量均有所減小.

表6 不同摻量BRA改性瀝青G*/sin δ和[1-1/(tan δ·sin δ)]/G*

2.5 平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

對BRA摻量不同的改性瀝青進行MSCR試驗得到的Jnr0.1和Jnr3.2 kPa-1見表7.由表7可知，隨BRA摻量的增加，Jnr0.1和Jnr3.2 kPa-1均逐漸減小，表明BRA改性瀝青高溫性能逐漸增強.

表7 不同摻量BRA改性瀝青60 ℃的Jnr0.1和Jnr3.2

2.6 評價指標的比較

瀝青的軟化點和當量軟化點隨BRA摻量的變化見圖2a).擬合發(fā)現(xiàn)，瀝青軟化點隨BRA摻量的增加而呈線性增長趨勢.對BRA摻量與當量軟化點進行線性回歸、對數(shù)函數(shù)回歸、冪函數(shù)回歸、指數(shù)函數(shù)回歸，發(fā)現(xiàn)更符合線性關(guān)系，但相關(guān)性系數(shù)R2為0.85.此外，由圖2a)可知，隨著BRA摻量的增加，瀝青的當量軟化點與軟化點的差值逐漸減小，表明BRA摻量較高時，當量軟化點與軟化點對BRA改性瀝青高溫性能的評價更趨于一致.

瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子隨BRA摻量的變化分別見圖2b)～c).擬合發(fā)現(xiàn)，135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度和車轍因子均隨BRA摻量的增加而呈指數(shù)增長的趨勢，表明隨著BRA摻量的增加，瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度和車轍因子增長的速度越來越快，也就是說當BRA摻量較高時，變化BRA摻量對瀝青高溫性能的影響更為顯著.

瀝青的Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1,Jnr3.2 kPa-1隨BRA摻量的變化分別見圖2d)～f).擬合發(fā)現(xiàn)，Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1,Jnr3.2 kPa-1均隨BRA摻量的增加而呈指數(shù)減小的趨勢，表明隨著BRA摻量的增加，瀝青的Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1、Jnr3.2 kPa-1增長的速度越來越慢，也就是說BRA摻量較低時，變化BRA摻量對瀝青高溫性能的影響更為顯著，而當摻量較高時，變化BRA的摻量對瀝青高溫性能的影響更為微弱.

圖2 BRA改性瀝青各評價指標與BRA摻量的擬合曲線

3 瀝青混合料動穩(wěn)定度

對不同BRA摻量的改性瀝青混合料進行了60 ℃車轍試驗，以驗證BRA改性瀝青高溫性能評價指標的有效性，試驗得到的動穩(wěn)定度結(jié)果見圖3.由圖3可知，隨BRA摻量的增加，瀝青混合料動穩(wěn)定度均有所增加，表明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性逐漸增強.

圖3 不同摻量BRA改性瀝青混合料動穩(wěn)定度

4 各高溫評價指標與動穩(wěn)定度的相關(guān)性

將BRA改性瀝青混合料AC-20C的60 ℃動穩(wěn)定度分別與文中瀝青高溫性能評價指標(軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子、Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1、Jnr3.2)進行線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)回歸分析.可以發(fā)現(xiàn)：BRA改性瀝青混合料60 ℃動穩(wěn)定度除了與軟化點和當量軟化點有良好的線性關(guān)系外，與其余高溫評價指標的線性關(guān)系并不明顯，擬合得到的函數(shù)中指數(shù)函數(shù)的R2最大，因此，統(tǒng)一采用指數(shù)函數(shù)回歸模型，擬合得到的回歸方程及其R2見圖4.由圖4可知，動穩(wěn)定度與軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子的回歸曲線均為下凹型單調(diào)遞增函數(shù)，回歸曲線的斜率隨著軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子的增加而增大，而動穩(wěn)定度與Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1的回歸曲線均為下凹型單調(diào)遞減函數(shù)，回歸曲線的斜率隨著Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1的增加而減小，表明BRA改性瀝青的高溫性能越好，其瀝青混合料的動穩(wěn)定度對BRA改性瀝青高溫性能的變化越敏感，也就是說BRA含量越高，BRA摻量的波動會使其混合料動穩(wěn)定度產(chǎn)生較大的變異.因此，在實際工程中為了避免BRA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度產(chǎn)生較大的變異，必須嚴格控制BRA的摻量.反之，當BRA含量較低時，BRA摻量的波動對其混合料動穩(wěn)定度的影響不顯著，也就是說BRA改性瀝青的高溫性能越差，其瀝青混合料動穩(wěn)定度對BRA改性瀝青高溫性能變化的敏感度就越低，因而對于高溫性能要求較低的路面，對于BRA改性瀝青高溫性能變異的容忍度較高.

由圖4中各擬合方程的R2來看，BRA改性瀝青的各高溫評價指標與BRA改性瀝青混合料60 ℃動穩(wěn)定度指數(shù)函數(shù)相關(guān)性排序為Jnr3.2>Shenoy不可恢復(fù)柔量>Jnr0.1>當量軟化點>軟化點>車轍因子>135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度.

基于以上有限的數(shù)據(jù)回歸分析，對于BRA改性瀝青可以得出：①BRA改性瀝青混合料動穩(wěn)定度與瀝青結(jié)合料高溫評價指標軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子、Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1之間的關(guān)系可通過指數(shù)函數(shù)方程表達.②Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1，Shenoy不可恢復(fù)柔量、當量軟化點、軟化點在BRA改性瀝青高溫性能評價上均優(yōu)于車轍因子，而135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度與動穩(wěn)定度的相關(guān)性最差.

圖4 BRA改性瀝青混合料動穩(wěn)定度與各評價指標的擬合曲線

5 結(jié) 論

1) BRA摻量與瀝青軟化點、當量軟化點存在良好的線性函數(shù)關(guān)系，而與135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子、Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1，Jnr3.2均存在良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系.

2) BRA改性瀝青混合料動穩(wěn)定度與瀝青高溫性能評價指標Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1，Shenoy不可恢復(fù)柔量、軟化點、當量軟化點、車轍因子、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度之間的關(guān)系可通過指數(shù)函數(shù)方程表達.

3) BRA改性瀝青的高溫性能越好，其瀝青混合料的動穩(wěn)定度對BRA改性瀝青高溫性能的變化越敏感.

4) MSCR試驗得到的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1，Jnr3.2 kPa-1與BRA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度有較好的相關(guān)性，可用于評價BRA改性瀝青的高溫性能.

5)Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1、Shenoy柔量、當量軟化點，以及軟化點在BRA改性瀝青結(jié)合料高溫性能評價上均優(yōu)于車轍因子，而135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度與動穩(wěn)定度的相關(guān)性最差.

6) 雖然當量軟化點是經(jīng)驗評價指標，但它與BRA改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有良好的相關(guān)性， 在無法進行MSCR試驗的情況下，它也可用于評價BRA改性瀝青高溫性能.