有砟軌道瀝青級配碎石基床復(fù)合改性瀝青性能研究

樓梁偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081）

在運(yùn)營過程中，高速鐵路有砟軌道出現(xiàn)的翻漿冒泥、路基沉降、道床板結(jié)等病害，均與水分侵入路基有著直接或間接的關(guān)系［1-2］。日本、德國、意大利、美國、荷蘭等國已將瀝青混凝土材料應(yīng)用到鐵路軌下基礎(chǔ)中，對采用瀝青混凝土取代部分碎石基層進(jìn)行嘗試，以起到防水和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)作用［3-4］。國內(nèi)最早關(guān)于路基面防水瀝青混合料（Surface Asphalt Mixture Impermeable，SAMI）的研究成果在遂渝無砟軌道綜合試驗(yàn)段、京津城際以及武廣客運(yùn)專線進(jìn)行了試用［5］。鐵科院圍繞全斷面瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)開展了大量基礎(chǔ)性研究工作，提出了瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)的材料技術(shù)要求，形成相應(yīng)的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并先后在鄭徐、京張、鄭萬等無砟軌道路基段中應(yīng)用，但在有砟軌道中尚未應(yīng)用［6-8］。在有砟軌道基床表層中設(shè)置瀝青級配碎石，可顯著提高有砟軌道路基的防排水能力，改善路基的受力狀態(tài)。有砟軌道瀝青級配碎石基床主要承受上部靜、動荷載作用，尤其是要考慮溫度應(yīng)力引起的開裂、高頻振動引起的疲勞開裂以及環(huán)境作用下的老化問題。然而，由于荷載特點(diǎn)和環(huán)境條件等因素，采用單一改性劑的改性瀝青的高溫性能、低溫性能、疲勞性能以及抗老化性能相互制約，無法滿足使用要求。

本研究擬采用增強(qiáng)劑與SBS改性瀝青復(fù)配的技術(shù)方案，制備復(fù)合改性瀝青，通過對3種不同增強(qiáng)劑摻量復(fù)合改性瀝青（SBS，SBS+4%增強(qiáng)劑，SBS+8%增強(qiáng)劑）的動態(tài)剪切試驗(yàn)、低溫梁流變試驗(yàn)、室內(nèi)老化試驗(yàn)（短期老化和長期老化）、疲勞試驗(yàn)以及傅里葉變換紅外光譜，分析其在不同老化狀態(tài)下的流變性能、官能團(tuán)變化以及疲勞性能、低溫性能。研究成果可為復(fù)合改性瀝青在高速鐵路有砟軌道瀝青級配碎石基床中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 原材料選擇

選用鐵路專用SBS改性瀝青，其基本性能見表1。

表1 SBS改性瀝青基本性能

1.2 SBS復(fù)合改性瀝青制備

SBS復(fù)合改性瀝青的制備工藝如下：①利用高速剪切儀將預(yù)熱至180℃且呈完全流動狀態(tài)的SBS改性瀝青在1 000 r/min下攪拌均勻；②按照SBS改性瀝青質(zhì)量比0，4%，8%稱量增強(qiáng)劑，將其緩慢加入攪拌均勻的SBS改性瀝青中；③利用高速剪切儀（6 000 r/min）將混和物在180℃下剪切60 min，從而制備SBS復(fù)合改性瀝青；④將制備好的SBS復(fù)合改性瀝青分別標(biāo)號并保存，用于后續(xù)試驗(yàn)。為簡化后續(xù)表達(dá)，將3種不同增強(qiáng)劑摻量的SBS復(fù)合改性瀝青分別命名為SBS、SBS+4%增強(qiáng)劑、SBS+8%增強(qiáng)劑。

1.3 試驗(yàn)方案

采用如表2的試驗(yàn)方案對復(fù)合改性瀝青的性能進(jìn)行評價(jià)。

表2 試驗(yàn)方案

1）室內(nèi)老化試驗(yàn)

采用RTFOT試驗(yàn)?zāi)M瀝青材料在施工過程中的短期老化，即在標(biāo)準(zhǔn)玻璃盛樣皿（高140 mm，直徑64 mm）中倒入35 g瀝青，在163℃和4 000 mL/min空氣通氣量下，以15 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行85 min的老化。

采用PAV試驗(yàn)?zāi)M瀝青材料在服役過程中的長期老化，即將RTFOT后的瀝青材料倒入老化盤中，并放入老化容器中，在2.1 MPa和100℃的環(huán)境下老化20 h。

2）DSR試驗(yàn)

利用DSR評價(jià)未老化和RTFOT狀態(tài)下復(fù)合改性瀝青的高溫抗變形性能，即將復(fù)合改性瀝青試樣放置在2個(gè)平行的圓形板中，采用25 mm的轉(zhuǎn)子，控制工作間隔為1 mm，振蕩頻率為10 rad/s，應(yīng)變值分別設(shè)為10%（未老化）和12%（RTFOT），起始測試溫度設(shè)為64℃，溫度間隔為6℃，測試不同溫度下復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、車轍因子 G*/sinδ、臨界破壞溫度。此外，針對PAV后的復(fù)合改性瀝青，可用疲勞因子G*sinδ評價(jià)其抗疲勞性能。

3）MSCR試驗(yàn)

為研究復(fù)合改性瀝青在高溫狀態(tài)下的蠕變和恢復(fù)特性，利用DSR對RTFOT后的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn)。選用的測試應(yīng)力水平為0.1 kPa和3.2 kPa，測試溫度為64℃，試驗(yàn)按照應(yīng)力加載1 s、卸載9 s進(jìn)行，重復(fù)加載應(yīng)力次數(shù)為10次，取其各周期平均值計(jì)算不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率。

4）BBR試驗(yàn)

針對PAV后的復(fù)合改性瀝青，利用BBR得到的蠕變速率m和蠕變勁度模量S來評價(jià)瀝青材料的低溫蠕變特性，選取-6，-12，-18℃三個(gè)試驗(yàn)溫度。

5）LAS試驗(yàn)

通過DSR對PAV后的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行LAS試驗(yàn)，選用8 mm的轉(zhuǎn)子和1 mm的工作間隔，測試溫度為25℃。先后進(jìn)行頻率掃描和振幅掃描，進(jìn)而根據(jù)疲勞模型確定復(fù)合改性瀝青的疲勞壽命。

6）FTIR分析

采用FTIR分析測試RTFOT和PAV前后復(fù)合改性瀝青官能團(tuán)的變化，進(jìn)而評價(jià)其抗老化性能。試驗(yàn)過程為將復(fù)合改性瀝青置于ATR附件的晶體上，測試范圍為4 000～600 cm-1，掃描次數(shù)為32次，掃描分辨率為4 cm-1。每次測試結(jié)束用蘸有四氫呋喃的脫脂棉清理附件，并重新測量背景單通道光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫抗變形性能

車轍因子是評價(jià)瀝青材料高溫抗變形能力的典型指標(biāo)，車轍因子G*/sinδ說明瀝青因能量耗散而造成的變形相對較小，即瀝青具有較好的高溫抗變形能力。美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（Strategic Highway Research Program，SHRP）中規(guī)定，當(dāng)車轍因子G*/sinδ≥1.0 kPa（未老化的瀝青材料）或≥2.2 kPa（RTFOT后的瀝青材料）時(shí)，瀝青材料未發(fā)生破壞［9］。

復(fù)合改性瀝青在不同溫度下車轍因子G*/sinδ的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。表3為復(fù)合改性瀝青高溫臨界破壞溫度的試驗(yàn)結(jié)果。由圖1和表3可知：

1）隨著試驗(yàn)溫度的升高，3種瀝青材料的車轍因子呈下降趨勢。這主要是由于溫度升高，瀝青材料的變形模量降低，其高溫抗變形能力降低。

圖1 車轍因子測試結(jié)果

表3 高溫臨界破壞溫度測試結(jié)果

2）與SBS改性瀝青相比，在同一試驗(yàn)溫度下添加增強(qiáng)劑后的復(fù)合改性瀝青的車轍因子明顯增大，說明添加增強(qiáng)劑后復(fù)合改性瀝青的高溫抗變形性能得到明顯改善，且隨著增強(qiáng)劑摻量的增加改善效果更為明顯。這主要是由于摻入的增強(qiáng)劑經(jīng)高速剪切分散于瀝青中與里面原有的SBS分子交聯(lián)形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步約束了SBS分子和瀝青分子鏈的運(yùn)動，從而使得瀝青的稠度增大，高溫抗變形能力得到顯著改善。

3）增強(qiáng)劑摻量的增加，提高了復(fù)合改性瀝青的高溫臨界破壞溫度，與車轍因子的變化規(guī)律保持一致。原樣階段的SBS+4%增強(qiáng)劑和SBS+8%增強(qiáng)劑的復(fù)合改性瀝青高溫臨界破壞溫度分別為81.9，90.2℃，與未添加增強(qiáng)劑的SBS改性瀝青相比，分別提高了12.9，21.2℃。這對提高瀝青級配碎石基床的高溫抗變形能力十分有益。

通過MSCR試驗(yàn)測試了RTFOT后3種復(fù)合改性瀝青在64℃下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率。通常來說，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭叫∪渥兓謴?fù)率越大，說明瀝青的高溫變形恢復(fù)能力越強(qiáng)，越不容易產(chǎn)生永久變形［10］。多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果見圖2?？芍?/p>

圖2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

1）相比于3.2 kPa，在0.1 kPa應(yīng)力水平下，3種復(fù)合改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃枯^小，而蠕變恢復(fù)率較大。這說明3種改性瀝青在較小的應(yīng)力水平下均具備較強(qiáng)的變形恢復(fù)能力。

2）無論是采用0.1 kPa還是3.2 kPa的荷載應(yīng)力水平，添加增強(qiáng)劑均可以顯著降低改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率。這說明其明顯改善了瀝青的高溫抗變形能力以及變形恢復(fù)能力。隨著增強(qiáng)劑摻量的增加，其不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃砍掷m(xù)降低，而蠕變恢復(fù)率則不斷提高。這意味著增加增強(qiáng)劑摻量可進(jìn)一步提高其改善高溫性能的效果。增強(qiáng)劑所帶來的高溫性能改善效果主要是由于其可直接提高復(fù)合改性瀝青彈性成分的比例，使得復(fù)合改性瀝青在承受應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生更多的彈性可恢復(fù)變形，從而減少了高溫下不可恢復(fù)的永久變形，提高了復(fù)合改性瀝青的高溫抗變形能力。

2.2 低溫抗開裂性能

按 照 AASHTO TP-1［11］進(jìn) 行 BBR 試 驗(yàn) ，利 用RTFOT+PAV階段后瀝青60 s的蠕變速率m值和蠕變勁度模量S值評價(jià)瀝青材料在低溫條件下的收縮和釋放能力。m值越大說明瀝青材料在低溫作用下的應(yīng)力釋放速率越大，避免了瀝青材料中剩余應(yīng)力的產(chǎn)生；S值越小說明瀝青材料中產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的應(yīng)力越小，瀝青材料的低溫柔韌性越好。3種復(fù)合改性瀝青在不同試驗(yàn)溫度下的BBR試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 BBR試驗(yàn)結(jié)果

基于SHRP研究成果，以60 s時(shí)的m≥0.3，S≤300 MPa為判據(jù)，計(jì)算得到復(fù)合改性瀝青的低溫臨界溫度，并根據(jù)SHRP PG分級原則，按照2個(gè)臨界溫度值（分別由勁度模量和蠕變速率反算得到）之間的較高溫度減去10℃得到復(fù)合改性瀝青的低溫破壞溫度［12］。表4和圖4為3種復(fù)合改性瀝青在低溫條件下的臨界溫度、破壞溫度和低溫等級計(jì)算結(jié)果。

表4 臨界溫度、低溫破壞溫度與低溫等級測試結(jié)果

圖4 臨界溫度的反算過程示意

由圖3、圖4和表4可知：

1）隨著恒定應(yīng)力加載時(shí)間的增加，3種復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量S值均減小，蠕變速率m值均增大。

2）在相同試驗(yàn)溫度下，由于增強(qiáng)劑的添加及其摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的S值小于SBS改性瀝青的S值，說明復(fù)合改性瀝青在低溫條件下柔性更好，可抑制低溫裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。然而，復(fù)合改性瀝青的m值未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。如在-6℃和-12℃條件下SBS改性瀝青的m值更小，而-18℃時(shí)復(fù)合改性瀝青的m值更小。

3）與SBS改性瀝青相比，除由勁度模量反算的臨界破壞溫度外，復(fù)合改性瀝青的臨界破壞溫度、低溫破壞溫度略高，說明增強(qiáng)劑的添加會降低復(fù)合改性瀝青的低溫脆度，但也會損失部分釋放溫度應(yīng)力的能力。但從PG分級角度，3種復(fù)合改性瀝青的低溫等級均為-22，可滿足我國大多數(shù)地區(qū)低溫條件下的使用要求。

2.3 中溫抗疲勞性能

針對RTFOT+PAV后的復(fù)合改性瀝青試樣進(jìn)行疲勞性能測試，采用疲勞因子G*sinδ表征瀝青材料的疲勞性能。疲勞因子越大，說明瀝青材料的抗疲勞開裂性能越差，并規(guī)定其不應(yīng)超過5 000 kPa［13］。由于疲勞破壞是在常溫下產(chǎn)生的，故選用了25，22，19℃這3個(gè)測試溫度。3種復(fù)合改性瀝青疲勞因子的測試結(jié)果見表5?？芍?，當(dāng)試驗(yàn)溫度相同時(shí)，由于增強(qiáng)劑的添加且隨其摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的疲勞因子均小于SBS改性瀝青，說明復(fù)合改性瀝青具有較為優(yōu)越的抗疲勞性能。

通過LAS試驗(yàn)，結(jié)合瀝青疲勞模型計(jì)算得到復(fù)合改性瀝青在不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命。疲勞壽命越大說明瀝青材料的抗疲勞性能越好［14］。3種復(fù)合改性瀝青的疲勞壽命測試結(jié)果見圖5。

表5 疲勞因子測試結(jié)果

圖5 疲勞壽命測試結(jié)果

由圖5可知，與SBS改性瀝青相比，在各應(yīng)變水平下復(fù)合改性瀝青具有較高的疲勞壽命，且隨著增強(qiáng)劑摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的疲勞壽命也呈增加趨勢，LAS測試結(jié)果與疲勞因子測試結(jié)果一致。

2.4 抗老化性能

瀝青材料的老化會導(dǎo)致其模量和相位角發(fā)生變化。故采用RTFOT前后車轍因子的變化率來評價(jià)3種復(fù)合改性瀝青的抗老化性能。圖6為64℃和70℃下車轍因子的變化率。

圖6 短期老化前后車轍因子變化率

由圖6可知，由于增強(qiáng)劑的添加且隨著增強(qiáng)劑摻量的增加，復(fù)合改性瀝青RTFOT前后的車轍因子變化率明顯降低。以測試溫度64℃為例，SBS+4%增強(qiáng)劑和SBS+8%增強(qiáng)劑的改性瀝青車轍因子變化率由未添加增強(qiáng)劑時(shí)的142.0%分別降低至63.9%和44.5%，說明增強(qiáng)劑顯著改善了瀝青材料的抗老化性能。

通過FTIR分析了3種復(fù)合改性瀝青在不同老化狀態(tài)（即未老化、RTFOT短期老化、PAV長期老化）前后的官能團(tuán)變化。圖7為SBS+8%增強(qiáng)劑的復(fù)合改性瀝青在不同老化狀態(tài)下的紅外光譜分析結(jié)果。

圖7 3種老化狀態(tài)下的改性瀝青紅外光譜示意（以SBS+8%增強(qiáng)劑為例）

相關(guān)研究成果表明，瀝青材料的老化程度與亞砜基（S==O）和羰基（C==O）的變化關(guān)系密切。可采用式（1）和式（2）分別計(jì)算亞砜基指數(shù)（IS==O）和羰基指數(shù)（IC==O），來評價(jià)瀝青材料的抗老化性能。亞砜基指數(shù)和羰基指數(shù)值越大，則瀝青材料的老化程度越嚴(yán)重，其抗老化性能越差［15］。

圖7中所示的亞砜基和羰基這兩個(gè)特征峰分別處于1 030 cm-1和1 735 cm-1的位置。按式（1）和式（2）計(jì)算，得到3種復(fù)合改性瀝青的亞砜基指數(shù)和羰基指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 與瀝青老化相關(guān)的官能團(tuán)指數(shù)變化情況

由圖8可知，與SBS改性瀝青相比，復(fù)合改性瀝青的亞砜基指數(shù)和羰基指數(shù)均隨著增強(qiáng)劑摻量的增加而增加，說明增強(qiáng)劑可改善瀝青材料的抗老化性能，這與車轍因子變化率的試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文圍繞高速鐵路有砟軌道瀝青級配碎石基床選用的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論：

1）與SBS改性瀝青相比，添加增強(qiáng)劑的復(fù)合改性瀝青具有更好的高溫抗變形、中溫抗開裂以及抗老化性能，但其低溫抗開裂性能基本沒有影響。

2）通過DSR，MSCR，BBR，LAS，F(xiàn)TIR等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著增強(qiáng)劑摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的高溫抗變形、中溫抗開裂以及抗老化性能均有明顯改善，且復(fù)合改性瀝青具有較小的低溫勁度模量，其蠕變速率也較小。

3）為滿足高速鐵路有砟軌道瀝青級配碎石基床的使用要求，推薦采用SBS+8%增強(qiáng)劑的復(fù)合改性瀝青方案。