MSCR試驗(yàn)用于評價(jià)瀝青高溫性能適用性研究

李劍新，郝培文，李奕佳，肖卓，李紹輝

（1.中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院，北京 100195 2.長安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

在瀝青高溫性能評價(jià)方面，各國評價(jià)指標(biāo)各有優(yōu)劣。我國現(xiàn)行規(guī)范采用軟化點(diǎn)指標(biāo)（TR&B）、當(dāng)量軟化點(diǎn)指標(biāo)（T800）、60 ℃黏度指標(biāo)、針入度指數(shù)（PI）等；澳大利亞采用彈性黏度；歐洲采用零剪切黏度（ZSV）和低剪切黏度（LSV）等指標(biāo)表征瀝青的高溫性能[1，2]；美國在高溫指標(biāo)方面經(jīng)過了一系列探索，從最初的車轍因子到考慮了損傷效應(yīng)的重復(fù)蠕變恢復(fù)（RCR）試驗(yàn)，再進(jìn)一步改進(jìn)為多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)（MSCR），該試驗(yàn)方法是目前和瀝青路面路用性能相關(guān)性最緊密、操作較簡便、并且被廣泛認(rèn)可的瀝青結(jié)合料高溫評價(jià)方法[3，4]。2015年，MSCR 被納入AASHTO M332 規(guī)范，用于確定相應(yīng)荷載等級情況下的瀝青高溫PG 分級；林江濤[5]、董強(qiáng)[6]對道路石油瀝青、改性瀝青等進(jìn)行MSCR 試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改性瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎睿↗nr-diff）遠(yuǎn)大于普通瀝青；郭詠梅發(fā)現(xiàn)AASHTO MP19-10 交通分級能夠反映改性瀝青不同溫度應(yīng)力下的材料響應(yīng)。以上研究均采用MSCR 試驗(yàn)測試瀝青混合料高溫性能，但其并未評價(jià)MSCR 試驗(yàn)是否適用于基質(zhì)瀝青高溫評價(jià)，特別是當(dāng)瀝青標(biāo)號相同、油源不同時(shí)，該測試方法的有效性仍需進(jìn)一步測試驗(yàn)證。

本文采用不同油源、不同標(biāo)號和不同老化程度的瀝青作為研究對象，選取軟化點(diǎn)、布氏黏度及MSCR 試驗(yàn)測試瀝青高溫性能，評價(jià)瀝青油源、標(biāo)號及其老化程度對瀝青高溫性能指標(biāo)影響的顯著性，以研究MSCR 試驗(yàn)對瀝青高溫性能評價(jià)的準(zhǔn)確性及有效性。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

選取克拉瑪依30 號、50 號、70 號、90號、110 號基質(zhì)瀝青（簡寫為K30、K50、K70、K90、K110），3 種油源同一標(biāo)號的90 號基質(zhì)瀝青（克拉瑪依瀝青90 號，即K90；臨河瀝青90號，即L90；西太瀝青90 號，即X90）。以上瀝青基本性能見表1所示。

對上述7 種瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化（RTFOT）及壓力老化（PAV）試驗(yàn)，研究瀝青短期老化及長期老化對瀝青結(jié)合料力學(xué)性能的影響。

表1 瀝青常規(guī)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

采用軟化點(diǎn)、布氏黏度和MSCR 試驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行上述基質(zhì)瀝青的高溫性能評價(jià)，并檢驗(yàn)瀝青油源、標(biāo)號、老化程度對其高溫性能指標(biāo)影響的顯著性，以研究MSCR 試驗(yàn)對瀝青高溫性能評價(jià)的有效性。

2 瀝青高溫性能評價(jià)

參照我國現(xiàn)行規(guī)范JTG F40—2004（《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》）中道路石油瀝青高溫技術(shù)指標(biāo)軟化點(diǎn)，瀝青混合料拌和及壓實(shí)溫度選定布氏黏度及MSCR 試驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)，從而評價(jià)瀝青的高溫性能。

2.1 軟化點(diǎn)

測試上述7 種基質(zhì)瀝青及其短期老化、長期老化后試樣的軟化點(diǎn)，分析瀝青油源及瀝青標(biāo)號對其軟化點(diǎn)的影響，見圖1和圖2所示。

分析圖1、圖2可知，低標(biāo)號瀝青軟化點(diǎn)較高、高溫性能較好；不同油源90 號瀝青軟化點(diǎn)存在差異，且老化作用使瀝青高溫性能變好。

分析瀝青標(biāo)號、瀝青油源及其老化程度對瀝青軟化點(diǎn)影響的顯著性，結(jié)果見表2所示。

圖1 同一油源瀝青軟化點(diǎn)

圖2 不同油源90 號瀝青軟化點(diǎn)

表2 方差顯著性分析數(shù)據(jù)

利用F 檢驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)因素方差分析，P 值的大小反映各因素對因變量影響情況的顯著性與否。P ＞0.05，該因素對因變量無顯著影響；P ＜0.01，該因素對因變量有極顯著影響；當(dāng)0.01 ≤P ≤0.05 時(shí)，該因素對因變量有顯著影響。分析表2可知，瀝青標(biāo)號及其老化程度對瀝青軟化點(diǎn)影響顯著，但油源對軟化點(diǎn)無顯著影響。

2.2 布氏黏度

測試上述7 種瀝青及其短期老化、長期老化后試樣的布氏黏度，分析瀝青標(biāo)號和瀝青油源對布氏黏度的影響，見圖3和圖4所示。

分析圖3和圖4可知，瀝青標(biāo)號越低，布氏黏度越大、高溫性能越好；不同油源90 號瀝青布氏黏度測試結(jié)果差別較大；短期老化及長期老化將提高瀝青高溫性能。

圖3 同一油源布氏黏度

圖4 不同油源90 號瀝青布氏黏度

分析瀝青標(biāo)號、瀝青油源及其老化程度對瀝青布氏黏度影響的顯著性，見表3所示。

表3 方差顯著性分析數(shù)據(jù)

分析表3可知，瀝青油源、瀝青標(biāo)號及其老化程度對瀝青布氏黏度均無顯著影響；各因素對瀝青布氏黏度的影響程度排序?yàn)椋簽r青標(biāo)號＞瀝青老化程度＞瀝青油源。

2.3 MSCR 試驗(yàn)

采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）進(jìn)行MSCR 試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器見圖5所示。本研究MSCR 試驗(yàn)選用0.1 kPa、3.2 kPa 兩個(gè)應(yīng)力水平，以模擬輕、重交通兩種載荷狀況；每個(gè)應(yīng)力水平下加載1 s 卸載9 s，重復(fù)10 個(gè)循環(huán)；0.1 kPa 試驗(yàn)載荷完成后即進(jìn)行3.2 kPa 應(yīng)力水平測試；采用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）、恢復(fù)率（R）和應(yīng)力敏感性指標(biāo)（Jnr-diff）作為MSCR 試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)。已有研究表明，Jnr可以反映瀝青在較大應(yīng)力下的非線性流變響應(yīng)，且其與瀝青混合料的抗車轍性能相關(guān)性較好[4]。

圖5 動態(tài)剪切流變儀（DSR）

測試上述7 種基質(zhì)瀝青及其短期老化、長期老化后瀝青MSCR 試驗(yàn)力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖6至圖9。其中，Jnr0.1、Jnr3.2分別代表0.1 kPa和3.2 kPa 應(yīng)力水平下不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康钠骄担?0 次循環(huán)）。

分析圖6及圖7可知，隨瀝青標(biāo)號增大，Jnr0.1和Jnr3.2均增大，表明瀝青抗永久變形的能力隨瀝青標(biāo)號增大而減小[7]，因而低標(biāo)號瀝青具有更好的高溫性能；瀝青油源對其不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃看嬖谳^大影響。

圖6 64 ℃瀝青老化前后Jnr0.1

圖7 64 ℃瀝青老化前后Jnr3.2

圖8 64 ℃瀝青老化前后R0.1

圖9 64 ℃瀝青老化前后R3.2

分析圖8及圖9可知，同一油源的瀝青，隨瀝青標(biāo)號增大，R0.1、R3.2減小，表明低標(biāo)號瀝青高溫性能更好；瀝青油源對其恢復(fù)率存在較大影響。旋轉(zhuǎn)薄膜老化及壓力老化后Jnr值減小且R值增大，均表征瀝青高溫性能的提高，表明瀝青老化使其高溫性能變好。

檢驗(yàn)瀝青標(biāo)號、油源及其老化程度對瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率影響的顯著性，見表4所示。

分析表4可知，瀝青標(biāo)號、油源及老化程度對其不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康挠绊懺诓煌瑧?yīng)力水平下表現(xiàn)出不同規(guī)律：低應(yīng)力水平下，瀝青油源和其老化程度對Jnr0.1影響顯著；高應(yīng)力水平下，瀝青標(biāo)號和其老化程度對Jnr3.2影響顯著；瀝青標(biāo)號對其恢復(fù)率影響顯著。

表4 影響因素顯著性檢驗(yàn)

3 瀝青高溫性能對比研究

綜合以上分析可知，同一油源瀝青，隨瀝青標(biāo)號增大，其軟化點(diǎn)和布氏黏度均逐漸減小，但其不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭龃?，表明瀝青高溫性能變差，因而不同評價(jià)指標(biāo)對瀝青高溫性能評價(jià)結(jié)果規(guī)律一致。

不同油源、同一標(biāo)號瀝青，其高溫性能存在差異：K90 瀝青軟化點(diǎn)較高、布氏黏度較大、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃枯^小，其高溫性能最好；X90 高溫性能次之，L90 瀝青高溫性能最差；不同試驗(yàn)方法對瀝青高溫性能評價(jià)存在一致性。

對軟化點(diǎn)、布氏黏度和MSCR 試驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)從高溫性能、老化程度、油源、瀝青標(biāo)號四個(gè)方面的影響進(jìn)行評價(jià)，見表5所示。

分析表5可知，上述3 個(gè)指標(biāo)均可有效評價(jià)瀝青的高溫性能；油源及標(biāo)號對軟化點(diǎn)影響更顯著；老化程度、標(biāo)號、油源對MSCR 試驗(yàn)指標(biāo)的影響均顯著，對布氏黏度均不顯著。因此，建議采用MSCR 試驗(yàn)評價(jià)瀝青高溫性能，從而有效區(qū)分瀝青油源、標(biāo)號、老化程度對瀝青高溫性能的差異。

4 結(jié)語

a）瀝青標(biāo)號及其老化程度對瀝青軟化點(diǎn)影響顯著，瀝青油源對軟化點(diǎn)影響不顯著；

表5 高溫指標(biāo)評價(jià)

b）無法采用瀝青布氏黏度試驗(yàn)區(qū)分瀝青油源、標(biāo)號及老化程度的影響；

c）在低應(yīng)力水平下，瀝青油源和老化程度對不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1影響顯著；高應(yīng)力水平下，瀝青標(biāo)號和老化程度對不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2影響顯著；不同應(yīng)力水平下瀝青恢復(fù)率規(guī)律相同，標(biāo)號對恢復(fù)率有極顯著影響。

d）建議采用MSCR 試驗(yàn)評價(jià)瀝青高溫性能，以有效區(qū)分瀝青油源、標(biāo)號及其老化程度對其高溫性能的影響。