樊向陽 羅 蓉 馮光樂 劉 帥

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

抗車轍劑改性瀝青的高溫性能評價指標*

樊向陽1)羅 蓉1)馮光樂2)劉 帥1)

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

道路工程；抗車轍劑；瀝青；高溫性能；多重應力蠕變恢復試驗；相關性分析；評價指標

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)定性不足導致的，在級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，它的摻加會對瀝青起到纖維加筋的作用，并提高瀝青的變形恢復能力，從而改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[1-3].

本文通過相關試驗，以兩種抗車轍劑為研究對象，研究不同抗車轍劑種類和摻量對瀝青高溫性能的影響，對比瀝青的高溫性能指標與瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的相關性，以尋找合理的指標評價抗車轍劑對瀝青的改性作用.

1 瀝青試驗

采用一種70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，抗車轍劑選用兩種，其中一種為國產(chǎn)的抗車轍劑用D表示，另一種為進口的抗車轍劑用I表示.使用高速剪切機對瀝青進行摻加抗車轍劑改性，速率為4 000～5 000 r/min，剪切過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)高溫性能指標試驗

對70#基質(zhì)瀝青和抗車轍劑改性瀝青進行了常規(guī)高溫性能指標試驗，測定了瀝青的軟化點、當量軟化點t800、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度，試驗結果見表1.

表1 瀝青的常規(guī)高溫性能指標試驗結果

由表1可知，抗車轍劑的摻加使得瀝青的軟化點、當量軟化點和動力黏度均有明顯提高，同種抗車轍劑摻量越大高溫指標提高的越明顯，同等摻量下抗車轍劑I對瀝青的軟化點、當量軟化點提高更大.

1.2 DSR試驗

表2 瀝青的DSR試驗結果

1.3 MSCR試驗

MSCR試驗在動態(tài)剪切流變儀上進行，本文選擇了58，60和70 ℃三個溫度進行MSCR試驗研究，試驗先對試樣施加1 s的剪切蠕變荷載，隨后卸載9 s，共進行兩個應力水平下的試驗，前10個周期的應力水平為0.1 MPa，后10個周期的應力水平為3.2 MPa，試驗過程記錄試樣在加載和卸載過程中的剪應變，并以10個周期的試驗結果的平均值計算未恢復蠕變?nèi)崃縅nr0.1(0.1 MPa)、Jnr3.2(3.2 MPa)，其計算公式為

(1)

式中：rnr為未恢復應變，%；τ為蠕變應力，MPa.不同瀝青的MSCR試驗結果見表3.

表3 瀝青的MSCR試驗結果

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

2 瀝青混合料

集料采用石灰?guī)r，瀝青混合料的集料級配見表4.

表4 集料級配

通過馬歇爾試驗方法確定了基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比為4.6%，空隙率為4.0%.按照車轍試驗的要求及目標空隙率，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試件，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm.根據(jù)車轍試驗測定瀝青混合料的動穩(wěn)定度，每種瀝青混合料進行三次平行試驗，并確保三次平行試驗結果的變異系數(shù)小于20%，試驗結果見圖1.

圖1 瀝青混合料車轍試驗結果

3 試驗結果分析

3.1 相關性分析

圖2 動穩(wěn)定度與各高溫性能指標的關系

瀝青不同的高溫穩(wěn)定性試驗中，瀝青試樣在軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度的測試過程所承受的荷載為靜載，荷載作用方式與路面真實受力環(huán)境也有較大差別，同時測試溫度與車轍試驗溫度相差較大，瀝青是一種溫度敏感性材料，因此，可能會出現(xiàn)抗車轍劑改性瀝青高溫性能指標與混合料動穩(wěn)定度相關性較差的現(xiàn)象，由針入度試驗結果計算得到的當量軟化點雖然與抗車轍劑改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度具有較好的相關性，但該試驗屬于經(jīng)驗性的試驗；在DSR試驗中，作用在瀝青試樣上的荷載為連續(xù)加載的動態(tài)剪切荷載，對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試驗對抗車轍劑改性瀝青而言還存在應變水平較小的缺點，試驗過程中的控制應變?yōu)?0%，在這種小應變水平下，抗車轍劑中高分子纖維在瀝青中形成的網(wǎng)狀結構不能完全發(fā)揮作用，導致試驗結果與瀝青混合料的動穩(wěn)定度相關性較差.MSCR試驗通過不同的應力水平，設置合理的加載和卸載時間及周期，模擬了瀝青路面的實際應力情況.根據(jù)60 ℃MSCR試驗在不同應力水平下的10個周期的試驗結果均值，繪制了應變—時間關系圖和應變恢復百分率—時間關系圖，見圖3，應變恢復百分率R為

(2)

式中：γp為峰值應變，%；γnr為未恢復應變，%.

由圖3可知，隨著1 s的加載，五種瀝青在不同應力水平下產(chǎn)生了不同的峰值剪應變γp，γp從大到小排序為：基質(zhì)70#>3.5% D>7.0% D>3.5% I>7.0% I，與對應瀝青混合料的動穩(wěn)定度從小到大的順序一致，這一現(xiàn)象表明抗車轍劑對瀝青有纖維加筋作用，加載時所產(chǎn)生的峰值剪應變γp越小說明抗車轍劑纖維加筋的作用越明顯；在應變恢復階段，抗車轍劑提高了瀝青的應變恢復量，五種瀝青的應變恢復百分率R排序與對應瀝青混合料的動穩(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能力，減小了瀝青的永久變形.

綜上所述，在評價抗車轍劑改性瀝青高溫性能方面，MSCR試驗無論從試驗結果相關性、加載方式合理性還是抗車轍劑的作用機理方面均具有較好的優(yōu)勢，可作為評價抗車轍劑改性瀝青的高溫性能的指標.同時由經(jīng)驗性的針入度試驗計算得到的當量軟化點t800與抗車轍劑瀝青混合料的動穩(wěn)定度有良好的相關性，也可作為抗車轍劑改性瀝青的參考評價指標.

圖3 MSCR試驗結果

3.2 評價指標

目前國內(nèi)的《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中，對聚合物改性瀝青混合料在不同氣候環(huán)境條件下的動穩(wěn)定度有不同的要求.通過相關性分析結果，推算出抗車轍劑改性瀝青的評價指標未恢復蠕變?nèi)崃縅nr0.1，Jnr3.2和當量軟化點t800的限值，結果見表5.

表5 抗車轍劑改性瀝青高溫性能評價指標

4 結 束 語

1) MSCR試驗中未恢復蠕變?nèi)崃縅nr0.1，Jnr3.2與抗車轍劑改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度有較好的相關性，可用于評價抗車轍劑改性瀝青的高溫性能.

2) 當量軟化點雖然是經(jīng)驗性的評價指標，但其與抗車轍劑改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度也具有較好的相關性，在無法進行MSCR試驗的條件下，也可用于評價抗車轍劑改性瀝青的高溫性能.

3) MSCR試驗結果表明抗車轍劑降低了瀝青的峰值剪應變γp，提高了瀝青的應變恢復百分率R，說明抗車轍劑對瀝青有纖維加筋的作用并提高了瀝青的變形恢復能力.

4) 根據(jù)試驗結果及分析，確定了評價抗車轍劑瀝青的高溫性能指標Jnr0.1，Jnr3.2和t800，并根據(jù)氣候分區(qū)確定了各指標的限值.

[1]段號炎,慕海瑞,楊銳.PR抗車轍劑在高速公路瀝青混合料中的應用研究[J].中外公路,2011,31(1):221-224.

[2]張子賢,楊文海,劉秀平.車轍王抗車轍劑在瀝青混合料中的應用[J].公路,2010(10):186-188.

[3]茍慧萍,林浩東.抗車轍劑在湛徐高速公路中的應用研究[J].公路,2011(10):52-55.

[4]曾凡奇.重載交通瀝青關鍵指標研究[D].南京：東南大學,2005.

[5]ALKHATEEB G G, RAMADAN K Z. Investigation of the effect of rubber on rheological properties of asphalt binders using superpave DSR[J]. Ksce Journal of Civil Engineering,2015,19(1):127-135.

[6]KHEDAYWI T, ALKHATEEB G, IRFAEYA M. Effect of medical ash on shear properties of asphalt binder using superpave dynamic shear rheometer (DSR)[J]. Journal of Solid Waste Technology & Management,2012,38(1):19-27.

[7]UDDIN W. Viscoelastic characterization of polymer-modified asphalt binders of pavement applications[J]. Applied Rheology,2003,13(4):191-199.

[8]KHEDAYWI T, ALKHATEEB G, IRFAEYA M. Effect of medical ash on shear properties of asphalt binder using: ingentaconnect[J]. Journal of Solid Waste Technology & Management,2015(1):55-58.

[9]TEYMOURPOUR P, HANZ A J, MANDAL T, et al. Effect of parallel plate gap height on repeatability in dsr measurements of crumb-rubber modified binders[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2016(2):158-164.

[10]陳華鑫,王秉綱.SBS改性瀝青車轍因子的改進[J].同濟大學學報(自然科學版),2008,36(10):1384-1387.

[11]YANG X, YOU Z. High temperature performance evaluation of bio-oil modified asphalt binders using the DSR and MSCR tests[J]. Construction & Building Materials,2015,76:380-387.

[12]BLAZEJOWSKI K, DOLZYCKI B. Relationships between asphalt mix rutting resistance and MSCR test results[J]. Geotechnical Special Publication,2014(3):202-209.

[13]SKOLOZDRA R, SZYMCZAK R, SZYMCZAK H, et al. Evaluation of multiple stress creep and recovery (MSCR) data for Arizona[J]. International Journal of Pavement Research & Technology,2015,8(5):337-345.

[14]蔡莉莉.利用多應力重復蠕變恢復(MSCR)方法評價改性瀝青膠結料高溫性能[J].石油瀝青,2013,27(6):21-24.

[15]ZHANG J, WALUBITA L F, FARUK A N M, et al. Use of the MSCR test to characterize the asphalt binder properties relative to HMA rutting performance-a laboratory study[J]. Construction & Building Materials,2015,94:218-227.

[16]QIAO X B, LI X M, WEI D B. Research on rubber/SBS modified asphalt by MSCR test[J]. Advanced Materials Research,2012(10):557-559.

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

*國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)基金項目資助(2015CB060100)

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.017

樊向陽(1990—)：男，博士生，從事研究領域為道路瀝青路面材料