基于多應力蠕變恢復試驗的溫拌瀝青高溫性能

雷俊安，鄭南翔，許新權(quán)，吳傳海，呂大偉，呂明敏

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；3.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623)

瀝青溫拌技術(shù)不僅能夠有效降低瀝青混合料在施工過程中的溫度，還減少了有害煙氣的排放，從而減輕對人體和環(huán)境的危害.目前瀝青溫拌方法主要有4類，即表面活性劑法、有機添加劑法、泡沫瀝青法及瀝青礦物法[1].溫拌劑因具有降黏作用，因此將其加入瀝青后，對瀝青的性能尤其是高溫流變特性的影響十分明顯.瀝青的高溫流變特性反應了瀝青高溫抗變形能力，抗變形能力強的瀝青及其混合料對減少路面車轍病害具有十分重要的意義.

目前，瀝青高溫性能的研究多采用動態(tài)剪切流變試驗(DSR)，并采用車轍因子(G*/sinδ)對瀝青的高溫性能進行評價.汪海年等[2-3]、高俊鋒等[4]采用DSR試驗，研究了生物瀝青及溫拌生物瀝青結(jié)合料高溫流變性能.高志偉等[5]、宋云連等[6]采用DSR試驗，研究了溫拌劑種類、摻量、溫度等對瀝青流變性能的影響規(guī)律.吳建濤等[7]采用DSR試驗，研究了瀝青膜厚度對流變性的影響.樊亮等[8]進一步提出了多應力蠕變恢復(multi-stress creep reco-very，MSCR)試驗也能夠很好地反應瀝青的流變學特性，并可以用蠕變恢復率、不可恢復蠕變?nèi)崃恳约皯γ舾行栽u價高溫性能.丁海波等[9]采用多應力蠕變恢復試驗對瀝青進行流變分析，結(jié)果表明多應力蠕變恢復試驗的蠕變?nèi)崃靠勺鳛闉r青高溫性能評價指標.曾詩雅等[10]、唐乃膨等[11]、郭詠梅等[12]基于多應力蠕變恢復試驗，研究了改性瀝青高溫性能.雖然已有研究人員采用MSCR試驗研究瀝青的高溫性能，但是由于目前此方法對溫拌瀝青高溫流變性能的研究尚且不足，尤其是對短期老化前后差異性研究并不多見，為此，筆者采用MSCR試驗，研究不同溫拌劑種類、溫度以及短期老化等因素對瀝青高溫流變特性的影響，以期為瀝青的工程實際應用提供參考.

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

1)瀝青.瀝青選擇殼牌新粵瀝青有限公司產(chǎn)的SBSI-D改性瀝青以及70#基質(zhì)瀝青.瀝青的基本性能指標如表1所示.

表1 瀝青的基本性能指標

2)溫拌劑.溫拌劑選擇美德維實偉克有限公司生產(chǎn)的第3代表面活性類溫拌劑Evotherm3G，以及深圳海川新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的有機添加劑類溫拌劑EC120.其中Evotherm3G為黃褐色黏稠狀液體，EC120為顆粒狀白色固體.

1.2 試驗方案

1.2.1溫拌瀝青制備

將基質(zhì)瀝青加熱至130～140 ℃，改性瀝青加熱至150～160 ℃；待瀝青完全融化后，用攪拌機高速攪拌10 min；根據(jù)廠家推薦，將溫拌劑Evotherm3G和EC120分別按瀝青質(zhì)量的0.6%和3.0%加入熱瀝青中，然后用攪拌機高速攪拌10 min即可.

1.2.2短期老化試驗

對基質(zhì)瀝青(BA)、BA+0.6%Evotherm3G、BA+3%EC120、SBS改性瀝青(SBS)、SBS +0.6%Evotherm3G和SBS +3%EC120等6種瀝青試樣進行短期老化試驗，得到老化后的6種瀝青試樣.試驗采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(RTFOT)，老化瓶中瀝青質(zhì)量控制為(35.0±0.5)g，老化溫度為(163.0±0.5)℃，老化時間為85 min.

1.2.3MSCR試驗

MSCR試驗的設(shè)備為美國TA公司生產(chǎn)的動態(tài)剪切流變儀，如圖1所示.采用加載-卸載的模式對老化前、后的6種瀝青試樣進行試驗.首先在0.1 kPa的應力水平下，加載1 s，卸載9 s，重復10個周期；然后在3.2 kPa的應力水平下重復上述步驟.整個試驗共計20個周期，耗時200 s.圖2為1個周期的瀝青蠕變和恢復(加載-卸載)曲線.

圖1 MSCR試驗

圖2 瀝青的蠕變和恢復曲線

加載過程中，瀝青應變達到峰值γp，卸載過程中可恢復的應變?yōu)棣胷，不可恢復的應變?yōu)棣胾.在不同的應力水平(p=0.1，3.2 kPa)下作用N個周期后，每次循環(huán)后的應變恢復率γr(p,N)為

(1)

10個周期平均應變恢復率(蠕變恢復率)R(p)為

(2)

每個循環(huán)中不可恢復蠕變?nèi)崃縅nr計算公式為

(3)

10個周期的平均不可恢復蠕變?nèi)崃縅nr(p)為

(4)

通過以上公式可計算得到p=0.1,3.2 kPa時的R(3.2)，R(0.1)，Jnr(3.2)和Jnr(0.1)等4個參數(shù)，則計算可得瀝青的蠕變恢復率應力敏感性指標Rdiff和不可恢復蠕變?nèi)崃繎γ舾行灾笜薐nr-diff，即

(5)

(6)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 蠕變恢復曲線

通過MSCR試驗可以得到不同應力水平和溫度下瀝青的蠕變與恢復曲線，并據(jù)此可以計算得到瀝青的蠕變恢復率、不可恢復蠕變?nèi)崃恳约皯γ舾行灾笜?圖3為短期老化前后6種瀝青試樣在試樣溫度為64 ℃、應力為0.1 kPa時，第1個周期的蠕變與恢復曲線.

圖3 6種瀝青的蠕變與恢復曲線

由圖3可知：改性瀝青的應變曲線有一個明顯的蠕變恢復階段，而基質(zhì)瀝青的恢復曲線并不明顯；當加入EC120溫拌劑后，基質(zhì)瀝青才表現(xiàn)出蠕變恢復，這表明EC120溫拌劑對瀝青蠕變恢復性能的提高有一定作用.根據(jù)瀝青的蠕變與恢復曲線，得到瀝青的最大應變值，以及蠕變恢復后的殘余應變值，結(jié)果如表2和3所示.

表2 瀝青峰值應變

從圖3和表2可以看出：① EC120溫拌劑無論加入基質(zhì)瀝青還是改性瀝青中均能降低瀝青的峰值應變，而Evotherm3G增加了瀝青的峰值應變，表明Evotherm3G能夠提高瀝青的流動變形特性.② 短期老化后，瀝青的峰值應變均小于老化前，基質(zhì)瀝青平均降低了49.5%，改性瀝青平均降低了15.7%，可見短期老化對基質(zhì)瀝青影響更加明顯.③ 基質(zhì)瀝青的應變遠大于改性瀝青的應變，基質(zhì)瀝青峰值應變由大到小依次為BA+Evotherm3G，BA，RTFOT/BA+Evotherm3G，BA+EC120，RTFOT/BA和RTFOT/BA+EC120，改性瀝青峰值應變由大到小依次為SBS+Evotherm3G，RTFOT/SBS+Evotherm3G，SBS，RTFOT/SBS，SBS+EC120和RTFOT/SBS+EC120.

從圖3和表3中可以看出：① EC120溫拌劑加入瀝青后降低了殘余應變，而Evotherm3G溫拌劑卻增加了瀝青的殘余應變，表明EC120能夠提高瀝青的蠕變恢復性能.② 短期老化降低了基質(zhì)瀝青的殘余應變，增大了改性瀝青的殘余應變，表明短期老化對基質(zhì)瀝青的蠕變恢復性有所提高，而對改性瀝青有所降低.

表3 瀝青殘余應變

2.2 蠕變恢復率

蠕變恢復率反應了瀝青的變形恢復能力，其值越大，表明瀝青恢復變形的能力越強.圖4和圖5為分別在0.1 kPa和3.2 kPa應力水平下，不同試驗溫度t時短期老化前后瀝青試樣的蠕變恢復率.

圖4 0.1 kPa應力水平下瀝青的蠕變恢復率曲線

圖5 3.2 kPa應力水平下瀝青的蠕變恢復率曲線

由圖4可知：0.1 kPa應力水平下，瀝青的蠕變恢復率隨溫度升高而降低；EC120溫拌劑加入瀝青后，瀝青蠕變恢復率均得到提升，而Evotherm3G溫拌劑卻降低了瀝青的蠕變恢復率；短期老化對基質(zhì)瀝青的蠕變恢復率有所提升，但降低了改性瀝青的蠕變恢復率.

由圖4和圖5可知：在3.2 kPa應力水平下瀝青的蠕變恢復率較0.1 kPa時總體上有所降低，表明增大應力水平會降低瀝青的蠕變恢復率；表現(xiàn)出來的規(guī)律性與0.1 kPa相同，瀝青的蠕變恢復率隨溫度升高而降低，且EC120增加了瀝青的蠕變恢復率，Evotherm3G則降低了瀝青的蠕變恢復率，兩種溫拌劑對瀝青蠕變恢復率的影響表現(xiàn)相反.

2.3 不可恢復蠕變?nèi)崃?/h3>

不可恢復蠕變?nèi)崃糠从碁r青在不同應力水平下的抗永久變形的能力，其值越小，瀝青的抗變形能力越強，高溫性能越好.圖6和圖7為分別在0.1 kPa和3.2 kPa應力水平下，短期老化前后瀝青試樣的不可恢復蠕變?nèi)崃?

圖6 0.1 kPa應力水平下瀝青不可恢復蠕變?nèi)崃壳€

圖7 3.2 kPa應力水平下瀝青不可恢復蠕變?nèi)崃壳€

由圖6可知：0.1 kPa應力水平下，瀝青的不可恢復蠕變?nèi)崃烤S溫度的升高而增大，且溫度對基質(zhì)瀝青不可恢復蠕變?nèi)崃康挠绊懕雀男詾r青更加明顯；EC120總體上降低了瀝青的不可恢復蠕變?nèi)崃浚砻鱁C120提升了瀝青高溫性能；Evotherm3G增加了瀝青的不可恢復蠕變?nèi)崃?，表明Evotherm3G降低了瀝青的高溫性能；短期老化后基質(zhì)瀝青的不可恢復蠕變?nèi)崃拷档兔黠@，表明短期老化提升了基質(zhì)瀝青的高溫性能；短期老化增大了改性瀝青的不可恢復蠕變?nèi)崃?，表明短期老化降低了改性瀝青的高溫性能.

由圖6和圖7可知：整體上3.2 kPa應力水平下瀝青的不可恢復蠕變?nèi)崃勘?.1 kPa應力水平下有所增大，表明應力水平也會影響瀝青的高溫性能，且低應力水平下瀝青高溫性能更好.

2.4 應力敏感性

應力敏感性表征了瀝青對應變變化的敏感程度，恢復率的應力敏感性可用恢復率差值的變化率Rdiff來評價，不可恢復蠕變?nèi)崃康膽γ舾行钥捎貌豢苫謴腿渥內(nèi)崃康南鄬Σ町怞nr-diff來評價.圖8和圖9分別為計算得到的瀝青應力敏感性指標Rdiff和Jnr-diff曲線.

圖8 瀝青的應力敏感性指標Rdiff曲線

由圖8可知：基質(zhì)瀝青較改性瀝青具有更大的Rdiff，且溫度越高，瀝青恢復率的應力敏感性越大；EC120溫拌劑降低了基質(zhì)瀝青恢復率的應力敏感性，Evotherm3G溫拌劑則對改性瀝青恢復率的應力敏感性有所提高.

由圖9可知：改性瀝青的Jnr-diff比基質(zhì)瀝青更大；相對于Evotherm3G，EC120對瀝青Jnr-diff的影響更為明顯，提高了瀝青的Jnr-diff.

圖9 瀝青的應力敏感性指標Jnr-diff曲線

由于Evotherm3G溫拌劑是一種液態(tài)的表面活性劑產(chǎn)品，主要通過改變?yōu)r青的表面能來影響其性能；而EC120溫拌劑屬于蠟質(zhì)添加劑，主要是通過其低熔點特性來影響瀝青性能.因此，兩種溫拌劑對瀝青的改性結(jié)果和作用機理有著明顯的區(qū)別.

3 結(jié) 論

1)Evotherm3G溫拌劑增加了瀝青的應變，提高了瀝青流動變形能力，降低了瀝青的蠕變恢復率，而EC120溫拌劑降低了瀝青的應變，提高了瀝青蠕變恢復率.

2)Evotherm3G溫拌劑提高了瀝青不可恢復蠕變?nèi)崃?，降低了瀝青的高溫性能，而EC120溫拌劑降低了瀝青不可恢復蠕變?nèi)崃浚黾恿藶r青高溫性能.

3)兩種溫拌劑均能不同程度地提高瀝青的應力敏感性，相對而言，Evotherm3G溫拌劑對瀝青的Rdiff提高更為明顯，而EC120溫拌劑對瀝青的Jnr-diff提高更為明顯.

4)短期老化對瀝青的高溫性能影響明顯，短期老化增大基質(zhì)瀝青的高溫性能，但對改性瀝青高溫性能有所削弱.