基于MSCR試驗(yàn)的BRA改性瀝青高溫性能分析

吳源鋒，廖軍，黃晚清，馮文凱，曹明明

(1.榮縣交通運(yùn)輸局，四川 榮縣 643100；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院；3.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司)

目前，瀝青混凝土路面的車轍、坑槽等病害屢見(jiàn)不鮮，世界各國(guó)均把防治瀝青混凝土路面車轍病害放在首要位置，各類性能優(yōu)良的改性瀝青應(yīng)運(yùn)而生。布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt，簡(jiǎn)稱BRA)作為一種優(yōu)良的天然瀝青改性劑，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)BRA進(jìn)行了廣泛研究，Muhammad Karam等研究表明BRA能提高瀝青混合料的彈性模量；文獻(xiàn)[2]研究表明BRA的摻入對(duì)基質(zhì)瀝青的低溫性能造成不利影響，但明顯改善基質(zhì)瀝青的疲勞性能和抗老化性能；文獻(xiàn)[3]研究表明BRA改性瀝青的車轍因子與BRA摻量之間有較好的線性函數(shù)關(guān)系；文獻(xiàn)[4]、[5]對(duì)BRA改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明BRA能有效改善瀝青混合料的高溫性能；文獻(xiàn)[6]建議結(jié)合SHRP指標(biāo)評(píng)價(jià)BRA改性瀝青及其混合料性能。鑒于目前利用MSCR試驗(yàn)分析BRA改性瀝青高溫性能的研究較少，該文將在瀝青PG高溫分級(jí)基礎(chǔ)上，基于MSCR試驗(yàn)，對(duì)比分析70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、BRA改性瀝青的高溫性能。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選用印尼布敦巖瀝青(BRA)，某品牌70#基質(zhì)瀝青，某品牌SBS改性瀝青，BRA基本技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 布敦巖瀝青技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試結(jié)果

1.2 BRA改性瀝青的制備

BRA改性瀝青的制備方法：按照設(shè)計(jì)比例稱取一定質(zhì)量的BRA，將70#基質(zhì)瀝青放入150 ℃的烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)，再將烘箱升溫至180 ℃加熱10 min，然后加入事先稱取好的BRA，并用玻璃棒攪拌均勻，采用剪切機(jī)以4 500 r/min的轉(zhuǎn)速剪切、擠壓30 min，整個(gè)制備過(guò)程確保瀝青溫度不超過(guò)180 ℃，并根據(jù)瀝青黏度大小適當(dāng)調(diào)整溫度。

不同BRA摻量改性瀝青常規(guī)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 BRA摻量不同的改性瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 瀝青及其混合料試驗(yàn)方法

1.3.1 高溫分級(jí)試驗(yàn)

高溫分級(jí)試驗(yàn)采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的型號(hào)為AR1500ex的動(dòng)態(tài)剪切流變儀，對(duì)瀝青進(jìn)行常規(guī)震蕩剪切試驗(yàn)(DSR)，試驗(yàn)樣品為原樣瀝青以及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱(RTFOT)后瀝青殘留物，試驗(yàn)溫度為52～82 ℃，以6 ℃為一個(gè)間隔，選用的轉(zhuǎn)子直徑為25 mm，間隙設(shè)置為1 mm，震蕩剪切頻率為10 rad/s，在應(yīng)變控制模式下進(jìn)行。以原樣瀝青車轍因子(G*/sinδ)不小于1.0 kPa，且RTFOT后瀝青殘留物G*/sinδ不小于2.2 kPa來(lái)確定瀝青的高溫等級(jí)，以表征瀝青的高溫抗車轍性能。

1.3.2 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

瀝青多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)同樣采用AR1500ex型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，試驗(yàn)樣品為RTFOT后瀝青殘留物，試驗(yàn)溫度同樣為52～82 ℃，以6 ℃為一個(gè)間隔，選用的轉(zhuǎn)子直徑為25 mm，間隙設(shè)置為1 mm，在應(yīng)力控制模式下進(jìn)行，先后分別在0.1、3.2 kPa剪切應(yīng)力水平下加載1 s，卸載9 s，兩個(gè)步驟之間不發(fā)生間歇，不同的是在0.1 kPa的剪切應(yīng)力水平下重復(fù)進(jìn)行20個(gè)周期，前10個(gè)周期用于調(diào)整試件，數(shù)據(jù)不予以采納，3.2 kPa的剪切應(yīng)力水平下重復(fù)進(jìn)行10個(gè)周期，整個(gè)試驗(yàn)共耗時(shí)300 s。

依據(jù)以下公式計(jì)算每個(gè)周期內(nèi)瀝青的平均蠕變恢復(fù)率R、平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr：

(1)

(2)

式中：γp為峰值應(yīng)變；γnr為殘留應(yīng)變；γ0為起始應(yīng)變；τ為蠕變剪切應(yīng)力。

將0.1 kPa和3.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力水平下10個(gè)蠕變恢復(fù)周期內(nèi)的平均蠕變恢復(fù)率值分別表示為R0.1和R3.2，平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐捣謩e表示為Jnr，0.1和Jnr，3.2。平均蠕變恢復(fù)率和平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繉?duì)應(yīng)的應(yīng)力敏感性指標(biāo)Rdiff和Jnr-diff可根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算而得：

(3)

(4)

1.3.3 瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法

對(duì)不同類型瀝青混合料進(jìn)行60 ℃車轍試驗(yàn)獲取車轍深度、動(dòng)穩(wěn)定度DS，以驗(yàn)證瀝青高溫性能，其中混合料的級(jí)配為AC-20C，粗細(xì)集料為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r磨制的礦粉，油石比均設(shè)定為4.4%，對(duì)每類瀝青混合料平行試驗(yàn)3個(gè)試件，詳細(xì)試驗(yàn)步驟及要求見(jiàn)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)RTFOT老化前后瀝青分別進(jìn)行常規(guī)震蕩剪切試驗(yàn)(DSR)，獲取不同試驗(yàn)溫度下的G*/sinδ，并根據(jù)要求對(duì)瀝青進(jìn)行PG高溫分級(jí)，不同試驗(yàn)溫度下瀝青的G*/sinδ、PG高溫分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 瀝青的G*/sinδ及PG高溫等級(jí)

由表3可知：BRA摻量為0%、10%、20%的瀝青PG高溫分級(jí)均為70 ℃，BRA摻量為30%、40%、50%的瀝青以及SBS改性瀝青PG高溫分級(jí)均為76 ℃，BRA摻量為60%的瀝青PG高溫分級(jí)為82 ℃，表明依據(jù)PG高溫分級(jí)難以準(zhǔn)確區(qū)分不同種類瀝青高溫性能。

2.2 MSCR試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 蠕變恢復(fù)率分析

對(duì)RTFOT老化后瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn)，按式(1)計(jì)算出0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下，不同溫度時(shí)瀝青的R0.1、R3.2，具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同試驗(yàn)溫度下各瀝青的蠕變恢復(fù)率

由圖1可知：① 瀝青的R0.1、R3.2均隨試驗(yàn)溫度的升高而逐漸減小，表明瀝青的彈性成分在減少，黏性成分在增加，表現(xiàn)為變形恢復(fù)能力的降低；② 同一溫度下，各摻量BRA改性瀝青的R0.1、R3.2均小于SBS改性瀝青，但明顯大于70#基質(zhì)瀝青(BRA摻量為0%)，表明BRA的摻入可以明顯增加基質(zhì)瀝青的彈性變形，減少黏性變形，表現(xiàn)為瀝青高溫變形恢復(fù)能力增強(qiáng)。

為進(jìn)一步分析瀝青的R與BRA摻量之間的關(guān)系，在PG高溫分級(jí)結(jié)果基礎(chǔ)上，繪制出試驗(yàn)溫度分別為70、76 ℃時(shí)瀝青的R隨BRA摻量的變化，如圖2所示。

由圖2可知：①R0.1、R3.2均隨BRA摻量的增加明顯增大，表明瀝青的彈性成分隨之增多，黏性成分隨之減少，變形恢復(fù)能力逐漸增強(qiáng)；②R隨應(yīng)力水平的提高或溫度的升高而減小，印證了應(yīng)力和溫度對(duì)瀝青抗變形能力的影響具有等效性這一結(jié)論。

圖2 不同BRA摻量瀝青的蠕變恢復(fù)率

2.2.2 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠治?/p>

文獻(xiàn)[11]研究表明MSCR試驗(yàn)可以在更大的應(yīng)力應(yīng)變范圍內(nèi)模擬、測(cè)試和分析瀝青膠結(jié)料的非線性行為，Jnr更適合作為改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值越小表明瀝青高溫性能越好。0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下，瀝青的Jnr，0.1和Jnr，3.2可根據(jù)式(2)計(jì)算得到，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同試驗(yàn)溫度下各瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

由圖3可知：① 隨試驗(yàn)溫度的升高，瀝青的Jnr逐漸增大，表明其高溫抗永久變形能力逐漸降低；② 溫度越高，各摻量BRA改性瀝青的Jnr和70#基質(zhì)瀝青的Jnr之間的差值也越大，表明溫度越高越能區(qū)分瀝青高溫性能；③ 同一溫度下，隨BRA摻量的增加，其改性瀝青的Jnr逐漸減小，與70#基質(zhì)瀝青Jnr之間的差值也逐漸增大，表明BRA能明顯改善瀝青高溫抗永久變形能力，且BRA摻量越高改善效果越顯著；④ 應(yīng)力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時(shí)，瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭黾?，這與實(shí)際瀝青混凝土路面上較大的軸載會(huì)產(chǎn)生較大的車轍深度相符合；⑤ 各摻量BRA改性瀝青的Jnr明顯大于SBS改性瀝青，其與SBS改性瀝青Jnr的差值隨試驗(yàn)溫度的升高而增大，隨BRA摻量、應(yīng)力水平的增加而減小，表明高BRA摻量改性瀝青的抗永久變形能力在溫度不高、應(yīng)力較大條件下與SBS改性瀝青差別不大，也就是說(shuō)，在溫度不太高的區(qū)劃內(nèi)完全可以用高BRA摻量的改性瀝青替代SBS改性瀝青；⑥ 瀝青的Jnr，0.1、Jnr，3.2與試驗(yàn)溫度有較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即Jnr=AeBx，其中x為試驗(yàn)溫度，A、B為回歸系數(shù)，具體值見(jiàn)表4。

表4 瀝青的Jnr隨試驗(yàn)溫度變化的回歸系數(shù)A，B

為分析瀝青的Jnr與BRA摻量的關(guān)系，繪制出試驗(yàn)溫度分別為70、76 ℃時(shí)瀝青的Jnr隨BRA摻量的變化，如圖4所示。

由圖4可知：擬合發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)溫度分別為70、76 ℃時(shí)，瀝青的Jnr，0.1、Jnr，3.2均隨BRA摻量的增加呈指數(shù)減小趨勢(shì)，表明BRA摻量較低時(shí)，變化BRA摻量對(duì)瀝青高溫性能的影響更為顯著，而當(dāng)摻量較高時(shí)，摻量的變化對(duì)瀝青高溫性能的影響更為微弱。

圖4 不同BRA摻量瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

2.2.3 應(yīng)力敏感性指標(biāo)分析

不同溫度下瀝青的Rdiff、Jnr-diff可分別根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算得到，具體結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：① 各摻量BRA改性瀝青的Rdiff以及Jnr-diff均隨溫度的升高而增大，表明其R和Jnr的應(yīng)力敏感性隨溫度的升高而增大；② SBS改性瀝青的Rdiff明顯低于各摻量BRA改性瀝青，其Rdiff隨溫度的變化方式與各摻量BRA改性瀝青明顯不同，當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí)，其Rdiff急劇增加，表明SBS改性瀝青的應(yīng)力敏感性(R)明顯低于各摻量BRA改性瀝青，但更容易受溫度變化的影響；③ SBS改性瀝青的Jnr-diff明顯大于各摻量BRA改性瀝青，其Jnr-diff隨溫度的變化與各摻量BRA改性瀝青明顯不同，當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí)，其Jnr-diff急劇增加，表明SBS改性瀝青的應(yīng)力敏感性(Jnr)明顯大于各摻量BRA改性瀝青，且更容易受溫度變化的影響。

圖5 不同溫度下瀝青的應(yīng)力敏感性指標(biāo)

為分析瀝青的Rdiff和Jnr-diff與BRA摻量的關(guān)系，繪制出試驗(yàn)溫度分別為70、76 ℃時(shí)瀝青的Rdiff和Jnr-diff隨BRA摻量的變化，如圖6所示。

由圖6可知：① 各摻量BRA改性瀝青的Rdiff和Jnr-diff與BRA摻量之間無(wú)明顯的變化規(guī)律；② BRA摻量為40%～50%時(shí)Rdiff和Jnr-diff均較小，表明該摻量范圍內(nèi)BRA改性瀝青的R和Jnr的應(yīng)力敏感性較其他摻量BRA改性瀝青低；③ 76 ℃ 時(shí)BRA改性瀝青的應(yīng)力敏感指標(biāo)(Rdiff、Jnr-diff)均較70 ℃時(shí)高，表明其應(yīng)力敏感性更大，非線性黏彈性也更為顯著。

圖6 不同BRA摻量瀝青的應(yīng)力敏感性指標(biāo)

2.3 高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)瀝青混合料進(jìn)行60 ℃車轍試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同類型瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度和車轍深度

由圖7可知：隨BRA摻量的增加，瀝青混合料的車轍深度逐漸降低，動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大，表明其混合料的高溫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，與文中測(cè)得的BRA改性瀝青高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)變化情況較為一致。動(dòng)穩(wěn)定度表明BRA改性瀝青高溫性能不如SBS改性瀝青，而與PG高溫等級(jí)在評(píng)價(jià)瀝青高溫性能方面存在較大差異，可能還是由于評(píng)價(jià)原理、試驗(yàn)溫度的原因，需進(jìn)一步研究。

2.4 MSCR高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)與DS的相關(guān)性

將各BRA摻量改性瀝青混合料DS分別與58、64、70、76 ℃條件下的R0.1、R3.2、Jnr，0.1、Jnr，3.2進(jìn)行指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)回歸分析。發(fā)現(xiàn)DS僅與R0.1有良好的冪函數(shù)關(guān)系，而與R3.2、Jnr，0.1、Jnr，3.2均有較好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此統(tǒng)一采用對(duì)數(shù)函數(shù)回歸模型，擬合得到的回歸方程及其R2如圖8所示。

由圖8可知：①R0.1、R3.2、Jnr，0.1、Jnr，3.2與各BRA摻量改性瀝青混合料DS的對(duì)數(shù)函數(shù)相關(guān)性總體排序?yàn)镴nr，3.2>Jnr，0.1>R3.2>R0.1；② BRA摻量改性瀝青混合料DS與R0.1、R3.2、Jnr，0.1、Jnr，3.2之間的關(guān)系可以通過(guò)對(duì)數(shù)函數(shù)方程表達(dá)；③Jnr，3.2在BRA改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)上優(yōu)于Jnr，0.1、R0.1、R3.2。

圖8 BRA改性瀝青混合料DS與評(píng)價(jià)指標(biāo)的擬合曲線

3 結(jié)論

利用瀝青常規(guī)震蕩剪切試驗(yàn)和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，對(duì)文中瀝青的 PG高溫分級(jí)、平均蠕變恢復(fù)率(R)、平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)、應(yīng)力敏感性以及適用的交通等級(jí)進(jìn)行了研究，并利用中國(guó)國(guó)內(nèi)車轍試驗(yàn)驗(yàn)證瀝青混合料高溫性能，得出以下結(jié)論：

(1)PG高溫分級(jí)難以準(zhǔn)確區(qū)分不同種類瀝青的高溫性能。

(2)BRA的摻入能夠增強(qiáng)瀝青的高溫變形恢復(fù)能力及高溫抗永久變形能力,高BRA摻量的改性瀝青在一定條件下的抗永久變形能力與SBS改性瀝青相當(dāng)。

(3)BRA改性瀝青的應(yīng)力敏感性隨溫度的升高而逐漸增大,與SBS改性瀝青的應(yīng)力敏感性隨溫度變化的方式明顯不同,當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí),SBS改性瀝青的應(yīng)力敏感性急劇增加。BRA摻量為40%～50%時(shí)，BRA應(yīng)力敏感性較小。

(4)Jnr，0.1、Jnr，3.2可作為BRA改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。