煤制油渣對瀝青高溫-疲勞流變性能的影響研究

劉文娟,毛 華,毛海臻,李瑞霞

(1.鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450000；2. 鄭州市公路管理局，河南 鄭州 450025；3. 鶴壁市市政管理處，河南 鶴壁 458000)

0 引言

伴隨溫室效應的不斷積累、公路交通量的逐步攀升及車輛軸載的重型化趨勢，高溫車轍、疲勞開裂已成為瀝青路面最常見的病害形式之一。煤制油渣是煤炭向油品轉化過程中的副產品，存在產量巨大、污染環(huán)境、難降解處理等弊端，亟需綠色環(huán)保處理。近年來，已有少數學者將其作為瀝青改性劑研究[1-2]，但由于研究工作起步較晚，對煤制油渣改性瀝青的認識并不全面，缺乏瀝青高溫 — 疲勞流變特性的研究分析。結合瀝青路面病害特點，若能準確評價煤制油渣改性瀝青的高溫性能和疲勞性能，將對煤制油渣的高效綠色利用產生積極推動作用。

目前，我國常采用車轍因子G*/sinδ、疲勞因子G*/sinδ作為評價瀝青高溫性能和疲勞性能的指標，但已有學者提出G*/sinδ并不適用于評價改性瀝青的高溫性能，此外，G*/sinδ也僅測試了粘彈性范圍內的疲勞性能，兩者均無法真實反映改性瀝青的流變特性。近年來，國內外學者不斷完善瀝青流變性能的評價方法，D′ANGELO[3-4]等基于重復蠕變恢復(RCR)提出了多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗以模擬車轍病害的非線性形成過程，其中3.2 kPa應力水平下的不可恢復柔量Jnr3.2與路面的實際響應存在著良好的相關性；郭詠梅[5]等通過瀝青混合料三軸動態(tài)蠕變試驗驗證了MSCR方法評價改性瀝青高溫抗車轍性能的合理性；丁海波[6]等研究得出Jnr與車轍深度具有良好的相關性，可作為評價改性瀝青高溫流變性能的技術指標；此外，相關研究表明[7]，時間掃描(TS)試驗能夠有效評價瀝青的疲勞性能，但存在耗時過長、試驗結果可重復性較差等弊端。對此，BAHIA[8]等提出運用線性振幅掃描(LAS)試驗來評價瀝青的疲勞性能；SABOURI[9]等通過四點彎曲疲勞(FBB)驗證了LAS與FBB具有較好的相關性，且認為G*/sinδ不能有效評價改性瀝青的疲勞性能； 此外，BEHNOOD[10]等利用瀝青主曲線研究了不同改性劑對瀝青強度、流變性的影響；郭詠梅[11]等通過構建流變主曲線探究了不同改性瀝青的粘彈特性及高溫性能，并通過試驗驗證了瀝青動態(tài)力學響應能夠有效反映混合料的黏彈性能。

為深入探究煤制油渣對瀝青高溫性能和疲勞性能的影響，本文首先采用多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗研究煤制油渣改性瀝青的高溫抗車轍性能，并依據AASHTO規(guī)范劃分交通適用等級；然后，通過時間掃描(TS)試驗分析煤制油渣改性瀝青在寬頻率和寬溫域范圍內的粘彈性特性；最后，根據LAS試驗及粘彈性連續(xù)損傷(VECD)理論探究煤制油渣改性瀝青的疲勞性能。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料性能及制備方法

試驗選用東明石化生產的70#基質瀝青，煤制油渣為某公司生產的改進型煤制油渣，擬定摻量(煤制油渣與基質瀝青質量比)為0%、5%、10%、15%、20%。

煤制油渣改性瀝青制備方法：將70#瀝青置于烘箱內加熱至流動狀態(tài)，加入擬定摻量的煤制油渣改性劑，采用高速剪切方法進行改性處理，剪切速率為4 000 r/min，剪切時間為30 min。改性瀝青技術性能見表1。

表1 改性瀝青性能指標Table 1 The properties of modified asphalt摻量/%25 ℃針入度/(0.1 mm)軟化點/℃15 ℃ 延度/cm135 ℃旋轉粘度/(Pa·s)069.349.1>150.00.542547.154.313.40.961043.255.613.10.9621535.157.111.21.012030.160.610.51.43

為了更好地評價瀝青在實際路面的應用情況，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE20-2011)[12]，將制備完成的改性瀝青進行旋轉薄膜老化試驗(RTFOT)，以模擬短期現場老化。本文所有試驗均采用RTFOT老化后的殘留物開展相關研究。

1.2 試驗方法

a.多重應力蠕變恢復(MSCR)。

根據AASHTOMP19-10[13]，樣品在不同應力水平(0.1、 3.2 kPa)分別完成10次加-卸載循環(huán)，每次循環(huán)包含1 s的加載時間及9 s的卸載時間，各循環(huán)連續(xù)無間隙，試驗共計耗時200 s，試驗溫度選取64 ℃、70 ℃。主要參數計算公式如(1)～式(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ε1為蠕變恢復階段1 s末的應變值；ε10為蠕變恢復階段10 s末的應變值；σ為加載階段施加的應力水平。

b.頻率掃描。

頻率掃描試驗溫度選擇10 ℃～80 ℃，溫度梯度為10 ℃，頻率范圍為0.1～10 Hz，流變主曲線的參考溫度為40 ℃。試驗前需采用最不利條件(10 ℃、10 Hz)下的應變振幅掃描試驗來確定瀝青的線粘彈性范圍[14]。根據應變峰值結果確定頻率掃描的應變水平為0.1%。結合時溫等效原理及移位因子計算，參考YIN[15]等構建瀝青主曲線方法的合理性驗證，采用最小二乘法(L-M法)及Williams-Landel-Ferry(WLF)方程計算不同溫度下∣G*∣、δ的等效移位因子。圖1為流變主曲線移位構建示意圖，WLF方程如式(5)所示。

(5)

式中:T為實際加載溫度；T0為擬定參考溫度；D1、D2為方程擬合參數。

圖1 流變主曲線構建示意圖

c.線性振幅掃描(LAS)。

根據AASHTOTP101-12[16]，LAS試驗包括兩個步驟：① 頻率掃描試驗(加載應變0.1%，頻率范圍0.2～30 Hz)獲得瀝青未損壞的流變特性以確定參數α、B；② 線性振幅掃描試驗測定瀝青損傷特性以確定參數A，掃描頻率10 Hz，應變以1%的梯度由0.1%線性增加至30%(0.1%、1%、2%…30%)，線性振幅掃描過程如圖2所示。試驗溫度選擇較易發(fā)生疲勞失效的中間溫度(20 ℃)，試件保溫15 min以消除溫度影響。

基于LAS試驗數據，依據應變能密度函數式(6)和功勢理論損傷速率式(7)等建立模量與損傷間的關系，進一步推導出材料關于時間的累計損傷參數D(t)。

W=W(εij,E)

(6)

(7)

式中:εij為單軸向應變；E為模量；S為損傷變量；t為時間；α為未損壞材料參數。

針對瀝青材料，采用式(9)擬合累積損傷D(t)與瀝青材料參數∣G*∣·sinδ間的關系(見圖3)，并確定參數C1、C2，選擇∣G*∣·sinδ降低35%作為LAS的疲勞失效準則，此時LAS預測疲勞性能與實測值的相關性最優(yōu)，綜上可得瀝青的疲勞壽命Nf。主要公式如下：

(8)

|G*|·sinδ=C0-C1(D)C2

(9)

(10)

(11)

Nf=A35(γmax)-B

(12)

式中:ID為未產生損傷時|G*|初始值；γ0為應變幅值；|G*|為復數剪切模量；δ為相位角；C0為0.1%應變水平下|G*|sinδ平均值；C1、C2為模型擬合參數；f為加載頻率，10 Hz；k=1+(1-C2)α；B=2α；γmax為預估最大應變值。

圖2 線性振幅掃描過程

圖3 損傷擬合曲線示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 多重應力蠕變恢復(MSCR)分析與評價

a.試驗基本評價指標分析。

Jnr3.2是評價瀝青高溫性能的重要指標，Jnr3.2越小，瀝青的高溫抗車轍能力越強。由圖4中Jnr的變化情況可得：① 在兩個不同溫度下，摻加煤制油渣后，其改性瀝青的不可恢復柔量Jnr較基質瀝青均有明顯降低，由此表明，煤制油渣可以顯著改善瀝青的高溫抗車轍性能；② 64 ℃、70 ℃時，隨著煤制油渣摻量的增加，Jnr變化斜率絕對值逐漸減小，表明摻量較低時，煤制油渣對基質瀝青的改善效果較為顯著；③ 70 ℃Jnr變化斜率絕對值較64 ℃時產生不同程度增加，意味著特殊高溫環(huán)境下，煤制油渣對瀝青抗車轍性能的提升能力有所削弱，但摻量對瀝青高溫性能的提高作用卻逐漸凸顯。煤制油渣含有大量瀝青質[1]，與瀝青共混后導致改性瀝青組分變化，重質組分(瀝青質+膠質)含量提高，輕質組分(芳香芬+飽和芬)占比下降，瀝青硬度明顯提高，瀝青高溫抗車轍性能得到有效改善。

(a) Jnr、Jnr-diff

恢復率R表示卸載階段瀝青的恢復能力，R值越大，瀝青恢復能力越強。由圖4(b)可以看出：① 隨著應力水平和試驗溫度的增加，瀝青恢復率明顯降低；② 隨著煤制油渣摻量的增加，瀝青恢復率逐漸提高，但其改善效果甚微，64 ℃時，0%、20%摻量改性瀝青的R3.2分別為0.68%、4.2%，70 ℃時0%、20%摻量改性瀝青的R3.2分別為0.14%、1.61%，而SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青的恢復率約為70%～90%[17]，由此表明煤制油渣改性瀝青的恢復率較弱，整體仍處于較低水平。

Jnr-diff、R-diff與瀝青的應力敏感性存在正比關系。R-diff隨摻量增加逐漸下降，說明煤制油渣能夠降低瀝青的應力敏感性；不同溫度下Jnr-diff隨摻量的變化趨勢不盡相同，其中，溫度越高，Jnr-diff越大，由此表明溫度升高將會增加瀝青應力敏感性的變異程度，但遠小于AASHTO規(guī)范提出的 75%極限值。同時，Jnr-diff>5%是作為判斷瀝青是否進入非線性狀態(tài)的依據[18]，64 ℃時，高摻量(10%)改性瀝青初步進入非線性狀態(tài)，隨著溫度升高或摻量降低，瀝青非線性范圍逐步變窄。

b.基于MSCR改性瀝青交通分級。

我國通常采用車轍因子G*/sinδ作為瀝青PG分級的評價依據，但由于G*/sinδ對改性瀝青的適用性較差，路面服役溫度無法達到PG分級溫度等原因，車轍因子無法準確判別改性瀝青的交通適用等級。AASHTOM332-14[18]提出：當Jnr-diff≤75%時，以Jnr3.2值作為劃分依據，建立起4個交通量等級：標準交通(S)、重交通(H)、 特重交通(V)及極重交通(E)。

由表2可得，煤制油渣的加入能夠明顯提升瀝青的交通適用等級。64 ℃時，隨著摻量的增加，瀝青Jnr-diff逐漸減小至7%左右，略大于非線性范圍5%的上限值，應力敏感性較小，抗永久變形能力較強，表現為瀝青的交通適用等級由重交通(H)逐漸提升至特重交通(V)、極重交通(E)。雖然10%摻量改性瀝青被劃入特重交通(V)，但Jnr3.2值顯示其抗車轍能力與15%、20%摻量改性瀝青相比，并無明顯差別；當溫度升至70 ℃，Jnr-diff整體增加且離散程度較高，瀝青非線性范圍變窄，導致高溫性能迅速衰減，基質瀝青無法滿足最低等級要求，15%、20%摻量煤制油渣改性瀝青的交通等級由極重交通(E)降低至重交通(H)，10%摻量改性瀝青降低一個等級，由特重交通(V)降為重交通(H)。

綜合分析Jnr3.2、R、Jnr-diff及交通等級劃分結果，推薦使用10%摻量的煤制油渣以提高瀝青的抗車轍能力，對于極重交通量或特殊高溫地區(qū)，可將煤制油渣摻量提高至15%、20%。

表2 不同摻量改性瀝青交通等級劃分Table 2 Traffic classification of modified asphalt with different dosages交通量等級負載頻率及交通等級(ESALs)PG分級64 ℃70 ℃標準交通(Jnr3.2?4.0 )<10 million and >70 km/h5%重交通(Jnr3.2?2.0 )10～30 million or 20～70 km/h0%10%、 15%、 20%特重交通(Jnr3.2?1.0 )>30 million or <20 km/h5%、 10%級重交通(Jnr3.2?0.5 )>30 million and <20 km/h15%、 20%

c.基于MSCR瀝青蠕變類型判斷。

AASHTOM332-14[18]利用不可恢復柔量Jnr與恢復率R間的函數曲線(R=29.371×Jnr(-0.263))，反映改性瀝青在高溫環(huán)境下的彈性響應程度，并作為判斷改性瀝青是否含有足量彈性體的依據。當Jnr3.2-R3.2散點落在曲線上方時，表明改性瀝青的彈性恢復能力滿足AASHTO標準要求，如典型的SBS改性瀝青等，同理反之。從圖5的Jnr3.2-R3.2散點圖可以看出：64 ℃、70 ℃下，不同摻量改性瀝青的Jnr3.2-R3.2點位均遠低于Jnr-R函數曲線，煤制油渣改性瀝青的彈性恢復率較基質瀝青未發(fā)生明顯增長，意味著煤制油渣改性瀝青中含有極少量彈性體，蠕變類型仍以粘性流動為主(見圖5)。

圖5 Jnr3.2-R 3.2散點圖

2.2 流變主曲線分析與評價

由瀝青40 ℃復數剪切模量|G*|主曲線可得：擬定頻率、溫域內，隨著煤制油渣的加入，瀝青|G*|主曲線整體走勢未發(fā)生明顯改變。隨頻率或摻量增加，|G*|主曲線整體水平逐漸增大，上升趨勢逐漸放緩，在煤制油渣摻量較低時，改善效果較為明顯，表明低頻(高溫)情況下，煤制油渣將有效提高瀝青的強度及高溫抗變形能力，且|G*|隨摻量的變化趨勢與MSCR試驗結果相吻合，瀝青呈現蠕變的力學行為,見圖6。

圖6 40 ℃|G*|主曲線

相位角δ是瀝青損耗模量G′′與儲能模量G′比值的度量，δ減小意味著瀝青儲能模量的增加量高于損耗模量，瀝青抗變形能力得到提高。δ亦反映了瀝青力學行為中粘性響應與彈性響應占比情況，當δ趨近于0°，意味著瀝青的力學響應越接近彈性響應，當δ趨近于90°，表明瀝青的粘性響應占據主導作用。由圖7瀝青40 ℃相位角δ主曲線可得：低頻(高溫)情況下，瀝青相位角δ均接近90°，隨頻率增加或溫度降低，瀝青的相位角逐漸減小；改性瀝青相位角δ明顯低于基質瀝青，不同摻量煤制油渣改性瀝青的δ主曲線相互重疊，整體水平無明顯差異。表明煤制油渣的加入降低了瀝青內耗，提高了抗變形能力，小幅提高了瀝青的彈性響應占比，改性瀝青δ主曲線變化趨勢未發(fā)生明顯改變。

圖7 40 ℃相位角主曲線

2.3 線性振幅掃描(LAS)分析與評價

根據圖8應力-應變關系，20 ℃環(huán)境下，隨著煤制油渣摻量增加，改性瀝青的最大應力增幅明顯，破壞應變慢慢降低，表明隨著摻量的增加，煤制油渣改性瀝青逐漸變硬，需提高負載應力水平才能滿足應變線性增加要求，同時，瀝青發(fā)生破壞的應變臨界值也隨之逐漸減小。根據應力-應變關系可將其劃分為3個階段：① 第一階段：瀝青彈性響應范圍內，應力-應變本應如基質瀝青一樣具有良好的線性增長關系，煤制油渣改性瀝青卻出現局部應力突變現象，即達到規(guī)定應變值所施加的應力值遠低于預期應力水平。這可能是由于20 ℃時改性瀝青的模量較高，經反復震蕩剪切作用，瀝青內部結構產生過度損傷，造成后續(xù)僅需較小應力水平便能達到應變要求值，當應力水平無法滿足應變線性增長速率，應力-應變曲線又重返線性增長關系。② 第二階段：隨著瀝青損傷不斷累積，試樣邊緣逐漸破裂，剪切應力不再增加。③ 第三階段：當破裂進一步擴展，試樣的有效作用面積逐漸減小，剪切應力急劇下降，如圖8所示。

圖8 20 ℃ 時應力 — 應變關系圖

依據式(6)～式(9)計算不同摻量煤制油渣改性瀝青的A、B值，如圖9。其中，參數A與儲能模量有關，表示瀝青在累積損傷過程中保證自身完整性的能力，當路面預期應變水平為1%，A值即為瀝青的疲勞壽命；參數B表示瀝青的應變敏感性，|B|越高，疲勞壽命減小速率越大，故當A值較大、B值較小時，瀝青的疲勞性能更優(yōu)[19]。隨著煤制油渣摻量的增加，改性瀝青A值呈階梯型增長，B值未產生明顯波動，其增長斜率接近水平，意味著煤制油渣的加入將提高瀝青保持自身完整性的能力，但也加快了瀝青疲勞損壞速度，需結合公式(10)探究煤制油渣對瀝青疲勞性能的影響。

圖9 參數A、B隨摻量的變化

根據公式(10)計算不同應變水平下瀝青的疲勞壽命Nf，如圖10所示。當預估應變水平γmax≤3%時，改性瀝青的疲勞性能與煤制油渣摻量呈正相關；當3%<γmax≤7.5%時，高摻量(15%、20%)改性瀝青Nf的衰減斜率較大，不同摻量改性瀝青的疲勞壽命依次排序為：10%>15%>20%>5%>0%；當γmax>7.5%時，Nf呈現完全相反的趨勢，基質瀝青的疲勞性能優(yōu)于改性瀝青，且疲勞性能與煤制油渣用量呈反比關系。由此表明，當預估應變水平≤7.5%時，煤制油渣可以有效改善瀝青的疲勞壽命。

研究表明， 2.5%、5%的路面預估應變值分別與厚層、薄層瀝青路面的實際應變情況相吻合[20]。由圖11可以看出，當預估應變值為2.5%，煤制油渣摻量≤10%時，改性瀝青的Nf隨摻量的增加呈階梯型增長，但增長速率在10%摻量后放緩，15%、20%摻量煤制油渣改性瀝青的Nf與10%摻量改性瀝青的Nf相差無幾。此外，相關研究表明，當γmax=5%時，瀝青Nf與混合料的疲勞壽命相關性較高，更符合路面的實際工作情況[8,21]。由圖11可知，當預估應變值為5%時，改性瀝青Nf在10%摻量達到峰值，并隨摻量增加出現小幅下降，20%摻量改性瀝青的Nf已降至基質瀝青水平。綜上所述，認為10%摻量的煤制油渣改性瀝青具有最優(yōu)的疲勞性能。

圖10 不同應變水平下Nf值

圖11 2.5%、5%應變水平下Nf值

3 結論

a.煤制油渣能夠有效降低瀝青的不可恢復柔量Jnr，明顯提高瀝青的抗車轍能力及交通適用等級，且當煤制油渣用量較低時，其對瀝青高溫性能的改善效果較為顯著；在特殊高溫環(huán)境下，煤制油渣摻量對瀝青抗車轍能力的提高作用逐漸凸顯；煤制油渣對瀝青恢復率R的改善效果甚微，整體處于較低水平，蠕變類型仍以粘性流動為主。

b.寬頻寬溫域范圍內，隨著煤制油渣摻量的增加，改性瀝青|G*|主曲線逐漸提升，表明低頻(高溫)狀態(tài)下，煤制油渣有助于提高瀝青的高溫性能；煤制油渣改性瀝青的相位角主曲線較基質瀝青有所降低，彈性響應占比小幅增大，表明煤制油渣的摻入有助于改善瀝青的抗變形能力。

c.隨著負載應變的線性增加，煤制油渣改性瀝青出現局部應力突變現象，最大應力和破壞應變隨著煤制油渣摻量的增加分別呈現出增大與減小的趨勢；針對厚層瀝青路面，煤制油渣改性瀝青的疲勞壽命Nf隨著摻量的增加而逐漸增大，但當摻量達到10%后，Nf的增速明顯放緩；針對薄層瀝青路面，煤制油渣改性瀝青的疲勞性能在10%摻量時達到最優(yōu)。

d.綜上所述，為兼顧煤制油渣改性瀝青的高溫性能與疲勞性能，根據不可恢復柔量Jnr、恢復率R、疲勞壽命Nf等評價指標的試驗結果，推薦煤制油渣的最佳摻量為10%。