抗車轍劑改性瀝青的高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)*

樊向陽(yáng) 羅 蓉 馮光樂(lè) 劉 帥

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2) 武漢 430063)

抗車轍劑改性瀝青的高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)*

樊向陽(yáng)1)羅 蓉1)馮光樂(lè)2)劉 帥1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (湖北省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2)武漢 430063)

道路工程；抗車轍劑；瀝青；高溫性能；多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)；相關(guān)性分析；評(píng)價(jià)指標(biāo)

0 引 言

瀝青路面的車轍的出現(xiàn)往往是由于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足導(dǎo)致的，在級(jí)配和瀝青用量基本一致的情況下，混合料高溫穩(wěn)定性的差別往往來(lái)源于瀝青的高溫性能.摻加抗車轍劑是一種有效、便捷的提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法.抗車轍劑的主要成分為高分子聚合物，它的摻加會(huì)對(duì)瀝青起到纖維加筋的作用，并提高瀝青的變形恢復(fù)能力，從而改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[1-3].

本文通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，以兩種抗車轍劑為研究對(duì)象，研究不同抗車轍劑種類和摻量對(duì)瀝青高溫性能的影響，對(duì)比瀝青的高溫性能指標(biāo)與瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的相關(guān)性，以尋找合理的指標(biāo)評(píng)價(jià)抗車轍劑對(duì)瀝青的改性作用.

1 瀝青試驗(yàn)

采用一種70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，抗車轍劑選用兩種，其中一種為國(guó)產(chǎn)的抗車轍劑用D表示，另一種為進(jìn)口的抗車轍劑用I表示.使用高速剪切機(jī)對(duì)瀝青進(jìn)行摻加抗車轍劑改性，速率為4 000～5 000 r/min，剪切過(guò)程中瀝青溫度控制在(180±10) ℃，維持30 min.抗車轍劑的摻量為瀝青質(zhì)量的3.5%和7%，所制備的瀝青試樣分別用3.5% D，7.0% D，3.5% I，7.0% I表示.

1.1 常規(guī)高溫性能指標(biāo)試驗(yàn)

對(duì)70#基質(zhì)瀝青和抗車轍劑改性瀝青進(jìn)行了常規(guī)高溫性能指標(biāo)試驗(yàn)，測(cè)定了瀝青的軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)t800、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 瀝青的常規(guī)高溫性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，抗車轍劑的摻加使得瀝青的軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)和動(dòng)力黏度均有明顯提高，同種抗車轍劑摻量越大高溫指標(biāo)提高的越明顯，同等摻量下抗車轍劑I對(duì)瀝青的軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)提高更大.

1.2 DSR試驗(yàn)

表2 瀝青的DSR試驗(yàn)結(jié)果

1.3 MSCR試驗(yàn)

MSCR試驗(yàn)在動(dòng)態(tài)剪切流變儀上進(jìn)行，本文選擇了58，60和70 ℃三個(gè)溫度進(jìn)行MSCR試驗(yàn)研究，試驗(yàn)先對(duì)試樣施加1 s的剪切蠕變荷載，隨后卸載9 s，共進(jìn)行兩個(gè)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)，前10個(gè)周期的應(yīng)力水平為0.1 MPa，后10個(gè)周期的應(yīng)力水平為3.2 MPa，試驗(yàn)過(guò)程記錄試樣在加載和卸載過(guò)程中的剪應(yīng)變，并以10個(gè)周期的試驗(yàn)結(jié)果的平均值計(jì)算未恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1(0.1 MPa)、Jnr3.2(3.2 MPa)，其計(jì)算公式為

(1)

式中：rnr為未恢復(fù)應(yīng)變，%；τ為蠕變應(yīng)力，MPa.不同瀝青的MSCR試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 瀝青的MSCR試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，抗車轍劑的添加減小了瀝青的未恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr.隨著試驗(yàn)溫度上升，Jnr不斷增加，說(shuō)明溫度越高瀝青的未恢復(fù)變形量越大，與實(shí)際情況相符合.

2 瀝青混合料

集料采用石灰?guī)r，瀝青混合料的集料級(jí)配見(jiàn)表4.

表4 集料級(jí)配

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)方法確定了基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比為4.6%，空隙率為4.0%.按照車轍試驗(yàn)的要求及目標(biāo)空隙率，采用相同的油石比制作抗車轍劑改性瀝青混合料的車轍試驗(yàn)試件，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm.根據(jù)車轍試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，每種瀝青混合料進(jìn)行三次平行試驗(yàn)，并確保三次平行試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)小于20%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 相關(guān)性分析

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度與各高溫性能指標(biāo)的關(guān)系

瀝青不同的高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)中，瀝青試樣在軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度的測(cè)試過(guò)程所承受的荷載為靜載，荷載作用方式與路面真實(shí)受力環(huán)境也有較大差別，同時(shí)測(cè)試溫度與車轍試驗(yàn)溫度相差較大，瀝青是一種溫度敏感性材料，因此，可能會(huì)出現(xiàn)抗車轍劑改性瀝青高溫性能指標(biāo)與混合料動(dòng)穩(wěn)定度相關(guān)性較差的現(xiàn)象，由針入度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的當(dāng)量軟化點(diǎn)雖然與抗車轍劑改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度具有較好的相關(guān)性，但該試驗(yàn)屬于經(jīng)驗(yàn)性的試驗(yàn)；在DSR試驗(yàn)中，作用在瀝青試樣上的荷載為連續(xù)加載的動(dòng)態(tài)剪切荷載，對(duì)于抗車轍劑改性瀝青而言，這種連續(xù)的加載方式忽略了其回彈特性，DSR試驗(yàn)對(duì)抗車轍劑改性瀝青而言還存在應(yīng)變水平較小的缺點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中的控制應(yīng)變?yōu)?0%，在這種小應(yīng)變水平下，抗車轍劑中高分子纖維在瀝青中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不能完全發(fā)揮作用，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相關(guān)性較差.MSCR試驗(yàn)通過(guò)不同的應(yīng)力水平，設(shè)置合理的加載和卸載時(shí)間及周期，模擬了瀝青路面的實(shí)際應(yīng)力情況.根據(jù)60 ℃MSCR試驗(yàn)在不同應(yīng)力水平下的10個(gè)周期的試驗(yàn)結(jié)果均值，繪制了應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系圖和應(yīng)變恢復(fù)百分率—時(shí)間關(guān)系圖，見(jiàn)圖3，應(yīng)變恢復(fù)百分率R為

(2)

式中：γp為峰值應(yīng)變，%；γnr為未恢復(fù)應(yīng)變，%.

由圖3可知，隨著1 s的加載，五種瀝青在不同應(yīng)力水平下產(chǎn)生了不同的峰值剪應(yīng)變?chǔ)胮，γp從大到小排序?yàn)椋夯|(zhì)70#>3.5% D>7.0% D>3.5% I>7.0% I，與對(duì)應(yīng)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度從小到大的順序一致，這一現(xiàn)象表明抗車轍劑對(duì)瀝青有纖維加筋作用，加載時(shí)所產(chǎn)生的峰值剪應(yīng)變?chǔ)胮越小說(shuō)明抗車轍劑纖維加筋的作用越明顯；在應(yīng)變恢復(fù)階段，抗車轍劑提高了瀝青的應(yīng)變恢復(fù)量，五種瀝青的應(yīng)變恢復(fù)百分率R排序與對(duì)應(yīng)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度的排序基本一致，表明抗車轍劑提高了瀝青的變形恢復(fù)能力，減小了瀝青的永久變形.

綜上所述，在評(píng)價(jià)抗車轍劑改性瀝青高溫性能方面，MSCR試驗(yàn)無(wú)論從試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性、加載方式合理性還是抗車轍劑的作用機(jī)理方面均具有較好的優(yōu)勢(shì)，可作為評(píng)價(jià)抗車轍劑改性瀝青的高溫性能的指標(biāo).同時(shí)由經(jīng)驗(yàn)性的針入度試驗(yàn)計(jì)算得到的當(dāng)量軟化點(diǎn)t800與抗車轍劑瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有良好的相關(guān)性，也可作為抗車轍劑改性瀝青的參考評(píng)價(jià)指標(biāo).

圖3 MSCR試驗(yàn)結(jié)果

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前國(guó)內(nèi)的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中，對(duì)聚合物改性瀝青混合料在不同氣候環(huán)境條件下的動(dòng)穩(wěn)定度有不同的要求.通過(guò)相關(guān)性分析結(jié)果，推算出抗車轍劑改性瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)未恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1，Jnr3.2和當(dāng)量軟化點(diǎn)t800的限值，結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 抗車轍劑改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

4 結(jié) 束 語(yǔ)

1) MSCR試驗(yàn)中未恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1，Jnr3.2與抗車轍劑改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有較好的相關(guān)性，可用于評(píng)價(jià)抗車轍劑改性瀝青的高溫性能.

2) 當(dāng)量軟化點(diǎn)雖然是經(jīng)驗(yàn)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但其與抗車轍劑改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也具有較好的相關(guān)性，在無(wú)法進(jìn)行MSCR試驗(yàn)的條件下，也可用于評(píng)價(jià)抗車轍劑改性瀝青的高溫性能.

3) MSCR試驗(yàn)結(jié)果表明抗車轍劑降低了瀝青的峰值剪應(yīng)變?chǔ)胮，提高了瀝青的應(yīng)變恢復(fù)百分率R，說(shuō)明抗車轍劑對(duì)瀝青有纖維加筋的作用并提高了瀝青的變形恢復(fù)能力.

4) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及分析，確定了評(píng)價(jià)抗車轍劑瀝青的高溫性能指標(biāo)Jnr0.1，Jnr3.2和t800，并根據(jù)氣候分區(qū)確定了各指標(biāo)的限值.

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High-temperature Performance Evaluation Index of Anti-rutting Agent Modified Asphalt

FAN Xiangyang1)LUO Rong1)FENG Guangle2)LIU Shuai1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(DivisionofEngineeringQualitySupervision,DepartmentofTransportationofHubeiProvince,Wuhan430063,China)2)

road engineering; anti-rutting agent; asphalt; high-temperature performance; multiple stress creep recovery tests; correlation analysis; evaluation indexes

2017-05-05

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)基金項(xiàng)目資助(2015CB060100)

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.017

樊向陽(yáng)(1990—)：男，博士生，從事研究領(lǐng)域?yàn)榈缆窞r青路面材料