基于MSCR的基質(zhì)瀝青老化高溫性能

彭紅衛(wèi),聶憶華,余沛涵

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410015;2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 瀝青材料

依托湖南武靖高速項(xiàng)目,基于MSCR進(jìn)行基質(zhì)瀝青材料的老化高溫性能研究。選取項(xiàng)目常用的三種基質(zhì)瀝青:泰州A-50#基質(zhì)瀝青、中石油A-70#基質(zhì)瀝青、中石油A-90#基質(zhì)瀝青。各瀝青按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[1-10]測(cè)試,常規(guī)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

三種瀝青均采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(RTFOT)方法開(kāi)展模擬老化試驗(yàn),老化溫度為163 ℃,老化時(shí)間分別為40、85、180、270 min,具體老化試驗(yàn)步驟見(jiàn)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011,T0610—2011)。

瀝青試樣除了針入度、黏度、軟化點(diǎn)和延度等常規(guī)性能參數(shù)檢測(cè)外,還進(jìn)行了多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)。MSCR試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR),型號(hào)為Aaton Paar公司的MCR301,其溫控系統(tǒng)為CTD450,如圖1所示。試驗(yàn)規(guī)范參照美標(biāo)AASHTO T 350—14,選用25 mm的平行板,試樣厚度為1 mm。包括原樣瀝青在內(nèi)的15組瀝青試樣分別在58、64和70 ℃三個(gè)溫度下測(cè)試,應(yīng)力水平取0.1、3.2 kPa;試驗(yàn)樣品在0.1 kPa下加載1 s,在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下恢復(fù)9 s,如此重復(fù)20個(gè)周期,在3.2 kPa下則重復(fù)10個(gè)周期。由設(shè)備自動(dòng)采集相關(guān)的數(shù)據(jù),圖2為一個(gè)應(yīng)變恢復(fù)循環(huán)周期,根據(jù)公式1～4計(jì)算出基質(zhì)瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr、變形恢復(fù)率R值。

(圖中:ε0為初始應(yīng)變值;εc為第1 s結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值;εr為第10 s試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值)圖1 基質(zhì)瀝青蠕變恢復(fù)周期應(yīng)變圖

圖2 A-50#瀝青MSCR指標(biāo)試驗(yàn)值隨老化時(shí)間趨勢(shì)圖

ε1=εc-ε0

(1)

ε10=εr-ε0

(2)

Jnr=(εr-ε0)/δ

(3)

(4)

式中:ε0為初始應(yīng)變值;εc為第1 s結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值;εr為第10 s試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值;δ為應(yīng)力。

分別對(duì)0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力作用下的10次蠕變恢復(fù)周期所求得的Jnr值取平均數(shù),計(jì)算出Jnr的平均值,記為Jnr0.1和Jnr3.2;對(duì)0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力作用下的10次蠕變恢復(fù)周期所求得的R值取平均數(shù),計(jì)算出R的平均值,記為R0.1和R3.2。

根據(jù)公式(5)得到試驗(yàn)瀝青的變形回復(fù)率的應(yīng)力敏感指標(biāo)R-diff。

(5)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 老化動(dòng)力學(xué)理論

瀝青老化動(dòng)力學(xué)可動(dòng)態(tài)表征瀝青老化行為特征,基于瀝青的技術(shù)性能指標(biāo),建立了老化動(dòng)力學(xué)方程。路面瀝青的老化遵循下列動(dòng)力學(xué)方程

-dc/dt=kc

(6)

式中:c為瀝青中生成瀝青質(zhì)的反應(yīng)物濃度;t為老化時(shí)間,min;k為反應(yīng)速率。

2.2 Jnr老化規(guī)律

表2、表3給出了不同測(cè)試應(yīng)力(0.1 kPa、3.2 kPa)、不同測(cè)試溫度(58、64、70 ℃)下,A-50#、A-70#、A-90#基質(zhì)瀝青的四種不同老化時(shí)間(40、85、180、270 min)試樣以及原樣瀝青(0 min)的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr值與變形恢復(fù)率R值,并按公式(6)進(jìn)行老化動(dòng)力學(xué)擬合,分別得到Jnr和R表征的老化速率k及其擬合相關(guān)系數(shù)R2。表4給出了三種基質(zhì)瀝青的變形回復(fù)率的應(yīng)力敏感指標(biāo)R-diff。分別為A-50#、A-70#、A-90#基質(zhì)瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr值與變形恢復(fù)率R值隨不同老化時(shí)間(0、40、85、180、270 min)的變化趨勢(shì)圖。

表2 不同老化時(shí)間下不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr值及其表征老化速率k

表3 不同老化時(shí)間下變形恢復(fù)率R值及其表征老化速率k

表4 不同老化時(shí)間下變形恢復(fù)率R的應(yīng)力敏感指標(biāo)R-diff

瀝青是一種粘彈性材料,瀝青的變形包括彈性變形與塑性變形兩部分。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr用來(lái)衡量瀝青的殘余變形,Jnr越大,瀝青的殘余變形越大,高溫條件下抗變形能力越弱;反之則越好。表2數(shù)據(jù)以及趨勢(shì)圖表明,在各因素變化下,Jnr值及老化速率k值變化規(guī)律明顯。同一測(cè)試應(yīng)力、測(cè)試溫度下,三種瀝青的Jnr值均隨老化時(shí)間增加而下降,擬合相關(guān)系數(shù)R2均高于0.98,符合老化動(dòng)力學(xué)規(guī)律,老化速率由大到小順序?yàn)锳-90#>A-70#≈A-50#;同一測(cè)試應(yīng)力下,相同老化時(shí)間同一瀝青的Jnr值均隨測(cè)試溫度增加而增加,測(cè)試溫度越高的Jnr值表征的老化速率越小;同一測(cè)試溫度下,相同老化時(shí)間同一瀝青的Jnr值均隨測(cè)試應(yīng)力增加而增加,測(cè)試應(yīng)力越高的Jnr值表征的老化速率一般越大。以上分析表明瀝青的老化有利于高溫性能的增強(qiáng),這是因?yàn)闉r青老化的過(guò)程是小分子組分向大分子組分遷移,瀝青質(zhì)增加導(dǎo)致瀝青變硬、模量增大;試驗(yàn)溫度升高,基質(zhì)瀝青的彈性成分減少、粘性成分增加,即Jnr值升高;蠕變應(yīng)力增加,瀝青抗永久變形能力也減小,Jnr值升高,因此溫度、應(yīng)力是影響基質(zhì)瀝青抗變形能力的兩個(gè)重要因素。

2.3 R老化規(guī)律

利用試驗(yàn)所得到的變形恢復(fù)率R能夠很好地評(píng)價(jià)瀝青彈性變形的強(qiáng)弱,變形恢復(fù)率R越大則說(shuō)明瀝青的彈性變形越大,反之則說(shuō)明瀝青的彈性變形越弱。

表3數(shù)據(jù)以及趨勢(shì)圖表明:在各因素變化下,變形恢復(fù)率R值及老化速率k值變化規(guī)律明顯;同一測(cè)試應(yīng)力、測(cè)試溫度下,三種瀝青的變形恢復(fù)率R值均隨老化時(shí)間增加而增加,擬合相關(guān)系數(shù)R2均高于0.91,符合老化動(dòng)力學(xué)規(guī)律,老化速率由大到小順序?yàn)锳-90#>A-70#≈A-50#,同一測(cè)試應(yīng)力下,相同老化時(shí)間同一瀝青的R值均隨測(cè)試溫度增加而減小,測(cè)試溫度越高的R值表征的老化速率越大;同一測(cè)試溫度下,相同老化時(shí)間同一瀝青的R值均隨測(cè)試應(yīng)力增加而減小,測(cè)試應(yīng)力越高的R值表征的老化速率越大。以上分析表明,除了不同測(cè)試溫度下表征的老化速率外,R值表征的基質(zhì)瀝青高溫性能變化規(guī)律以及老化規(guī)律與Jnr值表征基本一致。由表4數(shù)據(jù)分析表明,三種瀝青變形恢復(fù)率的應(yīng)力敏感指標(biāo)R-diff與試驗(yàn)溫度、老化時(shí)間之間沒(méi)有明顯的規(guī)律,且三種瀝青之間的規(guī)律也不明顯。

3 結(jié) 論

(1)多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)中三種基質(zhì)瀝青隨著老化時(shí)間的增加Jnr值減小、R值增大,說(shuō)明三種瀝青隨老化程度變深其彈性成分增加,從而高溫性能增強(qiáng);相同試驗(yàn)溫度、蠕變應(yīng)力下,Jnr值和R值表征的老化速率由大到小順序均為A-90#>A-70#≈A-50#,說(shuō)明A-90#基質(zhì)瀝青抗老化性能較差。

(2)相同老化時(shí)間同一瀝青的Jnr值均隨測(cè)試溫度增加而增加,R值相反;同一測(cè)試溫度下,相同老化時(shí)間同一瀝青的Jnr值均隨測(cè)試應(yīng)力增加而增加,R值相反;溫度、應(yīng)力是影響基質(zhì)瀝青抗變形能力的兩個(gè)重要因素,溫度與應(yīng)力越高,基質(zhì)瀝青抗變形能力下降。

(3)三種基質(zhì)瀝青變形恢復(fù)率的應(yīng)力敏感指標(biāo)R-diff與試驗(yàn)溫度、老化時(shí)間之間沒(méi)有明顯的規(guī)律,且三種基質(zhì)瀝青之間的規(guī)律也不明顯。