基于MSCR試驗(yàn)的高粘瀝青高溫性能評(píng)價(jià)

鄭 浩， 劉 珞， 程永旺

(四川濟(jì)通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，四川成都 610299)

大量研究表明，采用軟化點(diǎn)、60 ℃動(dòng)力粘度等常規(guī)性試驗(yàn)指標(biāo)及車轍因子來評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能存在有很大的局限性[1]。為了能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能，D′Angelo[2]等人提出了多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)試驗(yàn)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫穩(wěn)定性，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

目前，國內(nèi)也有不少學(xué)者通過該評(píng)價(jià)方法對(duì)各種改性瀝青的高溫性能進(jìn)行了相關(guān)性研究。裴暢茂[3]結(jié)合紅外光譜，證明了MSCR試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青的高溫性的有效性；崔鷹翔[4]通過MSCR試驗(yàn)對(duì)不同摻量的橡膠改性瀝青的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為增大橡膠摻量能夠有效改善橡膠瀝青的高溫性能；郭詠梅[5]采用MSCR試驗(yàn)對(duì)不同的改性瀝青進(jìn)行高溫性能評(píng)價(jià)，并通過改性瀝青混合料試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；高俊峰[6]通過MSCR試驗(yàn)對(duì)生物瀝青的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并基于MSCR試驗(yàn)的高溫分級(jí)思想對(duì)其進(jìn)行高溫分級(jí)。朱曼[7]認(rèn)為MSCR試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎媚M實(shí)際中瀝青路面受力情況，且研究了高粘瀝青在兩種測(cè)試水平應(yīng)力及四個(gè)溫度下高溫性能的變化情況。

綜上可知，國內(nèi)學(xué)者基于MSCR試驗(yàn)對(duì)高粘瀝青高溫性能的研究較少且尚不深入。本次論文基于采用多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)，對(duì)瀝青在不同溫度與應(yīng)力下及不同高粘改性劑摻量下的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并通過各種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行了驗(yàn)證，以期能夠準(zhǔn)確獲取高粘瀝青高溫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料

本次實(shí)驗(yàn)選擇常用的70#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。高粘添加劑選用重慶交科生產(chǎn)的高粘劑，呈淡黃色顆粒狀，摻量為瀝青質(zhì)量的0 %(即基質(zhì)瀝青)、 8 %、12 %、16 %(外摻)。

1.2 高粘改性瀝青的制備

高粘瀝青制備過程如下：將基質(zhì)瀝青在烘箱中恒溫至180 ℃，按比例稱取高粘添加劑加入到基質(zhì)瀝青中，再放置在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min±100 r/min的瀝青剪切機(jī)中進(jìn)行剪切，剪切過程瀝青溫度維持在180 ℃±10 ℃剪切30 min。再將制備好的高粘瀝青放入180 ℃±5 ℃烘箱中發(fā)育60 min。

表1 70#瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

2.1 MSCR試驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)采用美國TA公司生產(chǎn)的型號(hào)為DHR-1 動(dòng)態(tài)剪切流變儀，參照 AASHTO MP 19-10 規(guī)范對(duì)瀝青進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)，試驗(yàn)樣品均為RTFOT老化后瀝青。溫度設(shè)置為52～76 ℃，溫度間隔為6 ℃，選取25 mm夾具，兩夾具間間隙為1 mm。先后分別在0.1 kPa、3.2 kPa剪切應(yīng)力水平下加載1 s，卸載9 s，期間不發(fā)生間歇。0.1 kPa的剪切應(yīng)力水平下重復(fù)進(jìn)行20個(gè)周期，3.2 kPa的剪切應(yīng)力水平下重復(fù)進(jìn)行10個(gè)周期。

MSCR試驗(yàn)共有6個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)，分別為0.1 kPa應(yīng)力下的恢復(fù)率R0.1與不可恢復(fù)蠕變量Jnr0.1，3.2 kPa應(yīng)力下的恢復(fù)率R3.2與不可恢復(fù)蠕變量Jnr3.2，以及兩個(gè)應(yīng)力敏感性指標(biāo)Rdiff、Jnr-diff。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：εnr為殘余應(yīng)變；ε0為初始應(yīng)變；εp為峰值應(yīng)變；τ為加載應(yīng)力。

(3)

(4)

2.2 車轍實(shí)驗(yàn)方案

此次試驗(yàn)混合料的級(jí)配為AC-13，粗細(xì)集料均為石灰?guī)r，礦粉采用玄武巖礦粉，基質(zhì)瀝青最佳油石比為4.8 %，高粘瀝青最佳油石比為5.1 %。混合料筑模后，將試件放置車轍儀中以60 ℃±1 ℃溫度保溫5 h后進(jìn)行車轍試驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)輪往返碾壓速度為42 次/min±1 次/min，時(shí)間為1 h。對(duì)每種摻量瀝青混合料進(jìn)行三組平行試驗(yàn)，取其平均值為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為能夠直觀有效的分析各個(gè)因素對(duì)MSCR試驗(yàn)指標(biāo)的影響，選取高粘改性瀝青的中值摻量與基質(zhì)瀝青作對(duì)比，分析溫度、應(yīng)力水平和短期老化對(duì) MSCR 評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。為更好模擬現(xiàn)實(shí)路面實(shí)際溫度，選取本次實(shí)驗(yàn)中的中值溫度，即溫度為64 ℃時(shí)，分析改性劑摻量因素對(duì) MSCR 相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響。

3.1 溫度和應(yīng)力水平對(duì)MSCR相關(guān)指標(biāo)影響分析

由圖1～圖4可知：從指標(biāo)R0.1、R3.2來看，隨著溫度上升，瀝青的恢復(fù)率變化呈減小趨勢(shì)。表明溫度對(duì)瀝青高溫不可恢復(fù)蠕變的影響很大，瀝青抵抗永久變形的能力隨溫度升高而減小。當(dāng)應(yīng)力水平的增加，瀝青的R值隨溫度減小的速率明顯加快。從指標(biāo)Jnr 0.1、Jnr3.2來看，兩種瀝青對(duì)應(yīng)力變化的敏感性較低，但隨著溫度的增加，瀝青的不可恢復(fù)變形在增加，瀝青在高溫條件下抵抗變形的能力減弱，高粘瀝青的指標(biāo)隨溫度變化增長較為緩慢，基質(zhì)瀝青的指標(biāo)與溫度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增加。

圖1 不同溫度下R0.1變化情況

圖2 不同溫度下R3.2變化情況

圖3 不同溫度下Jnr0.1變化情況

圖4 不同溫度下Jnr3.2變化情況

3.2 改性劑摻量對(duì)MSCR相關(guān)指標(biāo)影響分析

由圖5～圖7可知：

(1)隨著改性劑的加入，改性瀝青的Jnr指標(biāo)均明顯低于基質(zhì)瀝青，說明膠粉的摻入使瀝青不可恢復(fù)變形量減少，使得瀝青在非彈性區(qū)間抵抗高溫變形的能力增強(qiáng)。

(2)從恢復(fù)率指標(biāo)上看，無論應(yīng)力大小，R值隨著改性劑摻量的增加而增加，表明改性瀝青擁有較好的彈性變形能力，高粘瀝青在彈性區(qū)間的高溫性能得到改善。

(3)Rdiff指標(biāo)隨改性劑的變化與Jnr-diff情況截然相反，表明改性瀝青在較高應(yīng)力水平下仍然有較強(qiáng)的抗永久變形能力，改性劑能顯著改善瀝青高溫性能。

圖5 不同改性劑摻量下Jnr變化

圖6 不同改性劑摻量下R變化

圖7 不同改性劑摻量下敏感性指標(biāo)變化

3.3 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果分析

通過對(duì)不同摻量高粘改性劑的瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)獲取動(dòng)穩(wěn)定度，動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，高粘瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著改性劑摻量的增加而增加，表明改性劑摻量能夠較好地提高瀝青混合料的高溫性，驗(yàn)證了MSCR試驗(yàn)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)高粘瀝青的高溫穩(wěn)定性是較為準(zhǔn)確的。

表2 不同改性劑摻量下的瀝青混合料穩(wěn)定度

4 結(jié)論

(1)高粘改性瀝青的恢復(fù)率R與不可恢復(fù)蠕變量Jnr具有較高的溫度敏感性，對(duì)應(yīng)力敏感性較弱，瀝青抵抗永久變形的能力隨溫度升高而減小。

(2)高粘改性瀝青隨著改性劑摻量的增加，瀝青的恢復(fù)率R隨之增加，不可恢復(fù)蠕變量Jnr隨之減少，表明高粘改性劑能夠顯著改善瀝青的高溫性能。

(3)通過對(duì)各種瀝青混合進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以混合料的路用性能驗(yàn)證了采用MSCR試驗(yàn)指標(biāo)來評(píng)價(jià)高粘瀝青高溫性能的可靠性。