高模量瀝青高溫流變性能的研究

王素青

（山西省交通運輸安全應急保障技術中心（有限公司），山西太原 030006）

0 引言

隨著我國經濟社會的迅速發(fā)展，公路交通量迅速增長，交通重載問題也日益突出。在高溫重載的耦合作用下，瀝青路面的車轍病害也愈加嚴重。針對高溫重載條件下引發(fā)的路面車轍問題，現(xiàn)已從路面材料、結構設計等方面提出多種處治措施。其中，高模量瀝青材料以其優(yōu)良的抗高溫變形能力，在防治瀝青路面車轍病害方面得到了廣泛的應用[1]。

現(xiàn)階段，常用的3 種高模量實現(xiàn)方式分別為：直接采用硬質瀝青；利用天然瀝青改性；聚合物改性劑改性。其中高模量改性劑由于改性效果好、工藝簡單而得到了廣泛的應用。高模量瀝青通過改善瀝青材料的高溫性能指標來提高路面結構的抗車轍能力，因此，對其高溫性能指標的研究評價尤為重要。目前，我國評價瀝青材料的高溫性能以針入度、軟化點指標為主，無法全面精確地表征高模量瀝青材料的黏彈性特征。因此本文以兩種常用的改性劑制備高模量瀝青，通過DSR 和MSCR 試驗，以復數(shù)模量、車轍因子、蠕變恢復率R、不可恢復蠕變柔量Jnr及應力敏感性指標Jnr-diff作為評價指標，對高模量瀝青的流變特性及蠕變指標展開分析研究。

1 原材料性能

1.1 瀝青

基質瀝青選取A級70號道路石油，技術指標見表1。

表1 基質瀝青技術指標

1.2 高模量劑

為制備合格的高模量瀝青，本文采用兩種市面上常見的改性劑PRM 和XT 系列改性劑。根據(jù)相關資料，PRM 推薦摻量約為7.5%～20%（以瀝青質量為基數(shù)），XT-2 摻量約為5%～15%。技術指標見表2。

表2 改性劑技術指標

1.3 制備工藝

將基質瀝青加熱升溫至160 ℃，緩慢摻入1∕2 高模量劑，邊攪拌邊加熱，當溫度升至170～180 ℃時摻入剩余高模量劑，攪拌均勻并剪切1 h。

2 流變性能指標研究

本文試驗儀器選用SmartPave102 型動態(tài)剪切流變儀（DSR）。在一定溫度條件下，將樣品置于上下板之間，測試時控制應力或應變水平，并控制馬達以一定的速度旋轉（剪切速率）或是一定的幅度擺動，測出所需要的扭矩，進而得到樣品的剪切模量或其他指標。為保證材料處于線性黏彈區(qū)，在選定的試驗溫度和荷載頻率條件下，該試驗將應變水平控制在0.1%。

2.1 高模量瀝青的復數(shù)模量研究

研究表明，改性瀝青60 ℃復數(shù)剪切模量指標與混合料的模量指標相關性較好[2-3]，因此本文將60 ℃（10 rad∕s，12%）復數(shù)剪切模量作為評價高模量瀝青流變特性的指標之一。通過DSR 試驗，對比不同改性劑摻量對60 ℃復數(shù)剪切模量的影響，試驗結果見圖1所示。

圖1 復數(shù)模量試驗結果

由圖1 可知，60 ℃復數(shù)剪切模量指標隨高模量劑摻量的增加而增大，這可能是由于高模量劑的摻入在瀝青材料中形成了網(wǎng)狀結構，提高了其彈性變形能力。

根據(jù)美國SHRP 評價方法，只有當60 ℃（10 rad∕s，12%）復數(shù)模量不小于10 kPa 才可稱為高模量瀝青，因此要求兩種高模量劑的摻量均需達到7.5%及以上。同時，從復數(shù)模量指標來看，國產高模量改性劑XT-2的改性效果要優(yōu)于PRM。

2.2 高模量瀝青的車轍因子研究

本文提出以高模量瀝青材料來應對高溫重載條件下導致的車轍問題，故選取76 ℃、5 Hz 條件下的車轍因子[4]作為評定其在高溫重載情況下抗車轍能力的技術指標，車轍因子試驗結果如圖2所示。

圖2 76 ℃車轍因子試驗結果

由圖2 可知，76 ℃車轍因子指標的變化趨勢同復數(shù)模量指標相似，與改性劑摻量呈正相關關系，高溫抗車轍能力隨之改善增強。在76 ℃、5 Hz 模擬高溫重載的試驗條件下，2.5%PRM 和2.5%XT-2 改性瀝青的車轍因子指標分別為2.62 kPa 和2.92 kPa，均超過了規(guī)范1.0 kPa 的要求。

3 蠕變特性研究

所謂的車轍病害，即為由于重復的行車荷載作用而導致的不可恢復變形逐步累積的一個結果。同時，也有研究認為，車轍因子指標與實際道路的抗車轍變形能力的相關性不好[5]，而重復蠕變累積變形能夠更好地反映瀝青材料的高溫失效特性。因此，本文通過MSCR 試驗，在不同的溫度及應力條件下，對高模量瀝青的蠕變性能指標展開試驗研究。

3.1 蠕變恢復率R

蠕變恢復率R值越大，材料的彈性變形性能越好，抗永久變形能力也就越好，試驗結果如圖3所示。

圖3 蠕變恢復率R試驗結果

由圖3 可知，高模量瀝青的蠕變恢復率指標R隨著改性劑摻量的增加也在逐步增大，延遲彈性恢復性能變好。摻量達到10%以后，指標的增長速度加快，改性效果也就愈加顯著。對比不同溫度條件下的試驗結果發(fā)現(xiàn)，溫度升高，R值減小，表明高溫條件對導致瀝青材料的彈性恢復能力變差；溫度一定，應力增大時，R值減小，表明重載也不利于瀝青的彈性恢復能力；在76 ℃，3.2 kPa 試驗條件下，低摻量改性瀝青的蠕變恢復率已經為0，此時改性瀝青結構已經發(fā)生破壞，不再具有彈性恢復能力。

3.2 不可恢復蠕變柔量Jnr

永久變形量更多地依賴于不可恢復蠕變柔量值[6]，因此不可恢復蠕變柔量Jnr越小，瀝青材料抗高溫越好，試驗結果如圖4所示。

圖4 指標Jnr試驗結果

由圖4 可知，高模量劑摻量的增加會使高模量瀝青的Jnr指標逐漸減小，永久變形量越小，即高溫性能也越好。試驗中使用的兩種高模量劑均為PE 類改性劑，這類該改性劑通常是以在瀝青材料中形成的交聯(lián)網(wǎng)狀結構來改善高溫性能的[7]，在一定程度下，改性劑的摻量增加，交聯(lián)固化效果也就越好，抗永久變形的能力也就越好。

3.3 應力敏感性指標Jnr-diff

Jnr-diff指標的試驗結果見圖5所示。

圖5 指標Jnr-diff試驗結果

由圖5 分析可知，溫度一定時，改性劑摻量增加，Jnr-diff也隨之增大，高模量改性瀝青的應力敏感性增大。溫度升高，Jnr-diff指標減小，說明溫度升高會使高模量瀝青材料的應力敏感性增大。同時在試驗中發(fā)現(xiàn)，76 ℃試驗下，12.5%摻量的高模量改性瀝青的Jnr-diff增大到1 000%以上，說明材料此時很可能已經進入了蠕變破壞階段。

4 結論

a）高模量瀝青的60 ℃復數(shù)模量和76 ℃車轍因子指標均隨著改性劑摻量的增加而提高；同時，在76 ℃、5 Hz 高溫重載條件下，2.5%的高模量劑即可實現(xiàn)較為理想的車轍因子指標。

b）針對蠕變特性指標，高模量劑摻量的增加會使R值和Jnr-diff增大、Jnr減小，即高模量瀝青的抗永久變形能力增強，但應力敏感性也隨之變差。高溫條件下，改性劑摻量過高甚至會導致瀝青材料直接蠕變破壞。