雷俊安, 鄭南翔, 許新權(quán), 吳傳海, 呂大偉

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2.廣東華路交通科技有限公司, 廣東 廣州 510420; 3.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司, 廣東 廣州 510623)

瀝青溫拌技術(shù)不僅能夠有效地降低瀝青混合料在施工過(guò)程中的溫度,而且還減少了有害煙氣的排放,從而減輕了對(duì)人體和環(huán)境的危害.目前瀝青溫拌方法主要有4類：表面活性劑法、有機(jī)添加劑法、泡沫瀝青法和瀝青礦物法[1].溫拌劑具有降黏作用,加入到瀝青中對(duì)瀝青的性能尤其是高溫流變特性影響顯著.瀝青高溫流變特性反映了瀝青的高溫抗變形能力,抗變形能力強(qiáng)的瀝青及其混合料對(duì)減少路面車(chē)轍病害具有十分重要的意義.

瀝青的高溫流變特性研究多采用動(dòng)態(tài)剪切流變(dynamic shear rheological,DSR)試驗(yàn),并采用車(chē)轍因子(G*/sinδ)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能.汪海年等[2-4]采用DSR試驗(yàn)研究了生物瀝青和溫拌生物瀝青結(jié)合料的高溫流變性能;高志偉等[5]、宋云連等[6]等采用DSR試驗(yàn)研究了溫拌劑種類、摻量和溫度等因素對(duì)瀝青流變性能的影響;吳建濤等[7]采用DSR試驗(yàn)研究了瀝青膜厚度對(duì)瀝青流變性能的影響.有學(xué)者進(jìn)一步提出了多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(multi-stress creep recovery,MSCR)試驗(yàn)也能夠很好地反映瀝青的流變學(xué)特性[8],并可以用蠕變回復(fù)率和不可回復(fù)蠕變?nèi)崃縼?lái)評(píng)價(jià)其高溫性能.丁海波等[9]采用MSCR試驗(yàn)對(duì)瀝青進(jìn)行流變分析,發(fā)現(xiàn)蠕變?nèi)崃靠勺鳛闉r青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo).曾詩(shī)雅等[10]、唐乃膨等[11]和郭詠梅等[12]基于MSCR試驗(yàn)研究了改性瀝青的高溫性能.但是,基于MSCR試驗(yàn)對(duì)溫拌瀝青的高溫流變性能,尤其是短期老化前后的差異性研究不足.本文同時(shí)采用DSR試驗(yàn)和MSCR試驗(yàn)研究溫拌劑種類、溫度和短期老化對(duì)瀝青高溫流變特性的影響,并對(duì)2種試驗(yàn)得到的指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,找出二者之間的關(guān)聯(lián)性.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1瀝青

瀝青選擇殼牌新粵瀝青有限公司產(chǎn)SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青,瀝青的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

1.1.2溫拌劑

溫拌劑為美德維實(shí)偉克有限公司產(chǎn)第3代表面活性類溫拌劑Evotherm3G和深圳海川新材料科技股份有限公司產(chǎn)有機(jī)添加劑類溫拌劑EC120,其中Evotherm3G為黃褐色黏稠狀液體,摻量為瀝青質(zhì)量的0.6%,EC120為顆粒狀白色固體,摻量為瀝青質(zhì)量的3.0%.

1.2 試驗(yàn)方法

首先,將Evotherm3G和EC120分別摻加到基

表1 瀝青的基本性能指標(biāo)

質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中制成溫拌瀝青;然后,將瀝青試樣進(jìn)行短期老化;最后,對(duì)瀝青試樣進(jìn)行DSR試驗(yàn)和MSCR試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

1.2.1RTFOT

對(duì)基質(zhì)瀝青、基質(zhì)瀝青+0.6%Evotherm3G、基質(zhì)瀝青+3.0%EC120、SBS改性瀝青、SBS改性瀝青+0.6%Evotherm3G和SBS改性瀝青+3.0%EC120進(jìn)行短期老化試驗(yàn).試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT),老化瓶中瀝青質(zhì)量控制為(35.0±0.5)g,老化溫度為(163.0±0.5)℃,老化時(shí)間為85min.

1.2.2DSR

圖1 DSR試驗(yàn)示意圖Fig.1 Diagram of DSR test

采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀分別對(duì)短期老化前后共12種試樣進(jìn)行DSR試驗(yàn).試驗(yàn)時(shí)將瀝青試樣夾在2塊φ25mm的平行板之間,板間距為1mm,1塊固定,1塊圍繞平行板的中心軸線來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng),DSR試驗(yàn)示意圖如圖1所示.振蕩板沿A-B-A-C-A轉(zhuǎn)動(dòng)形成1個(gè)循環(huán)周期,轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為10rad/s,試驗(yàn)溫度依次設(shè)置為58、64、70、76、82℃.DSR試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.圖中τmax、τmin為最大、小剪切應(yīng)力，γmax、γmin為最大、小剪切應(yīng)變.通過(guò)計(jì)算分析可以得出相位角δ、復(fù)數(shù)剪切模量G*和車(chē)轍因子G*/sinδ等指標(biāo).

圖2 DSR試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of DSR test

1.2.3MSCR

MSCR試驗(yàn)設(shè)備也是動(dòng)態(tài)剪切流變儀,采用加載-卸載的模式對(duì)12種瀝青試樣進(jìn)行試驗(yàn).首先,在0.1kPa的應(yīng)力水平下,加載1s,卸載9s,重復(fù)10個(gè)周期;緊接著在3.2kPa的應(yīng)力水平下重復(fù)上述步驟,整個(gè)試驗(yàn)共20個(gè)周期,耗時(shí)200s.1個(gè)周期的加載-卸載曲線如圖3所示.加載過(guò)程中瀝青的應(yīng)變達(dá)到峰值γp,卸載過(guò)程中可恢復(fù)的應(yīng)變?yōu)棣胷,不可恢復(fù)的應(yīng)變?yōu)棣胾.

圖3 瀝青蠕變和恢復(fù)曲線Fig.3 Creep and recovery curve of asphalt

每次循環(huán)后的蠕變恢復(fù)率γr(P,N)為：

(1)

式中：P為載荷，即應(yīng)力水平，N；N為加載次數(shù).

10個(gè)周期的平均應(yīng)變恢復(fù)率為R(P)為：

(2)

每個(gè)循環(huán)中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr(P,N)為：

(3)

10個(gè)周期的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr(P)為：

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 DSR試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)12種瀝青試樣進(jìn)行不同溫度下的DSR試驗(yàn),分別得出短期老化前后溫拌瀝青的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*和車(chē)轍因子G*/sinδ.

2.1.1相位角

相位角δ反映了瀝青結(jié)合料黏性和彈性成分的比例.δ越大,瀝青黏性成分越大,反之彈性成分越大.圖4為短期老化前后溫拌瀝青相位角隨溫度變化的曲線.由圖4可見(jiàn)：短期老化前，基質(zhì)瀝青和溫拌基質(zhì)瀝青的相位角均隨著溫度的升高逐漸增大,改性瀝青的相位角卻隨溫度升高而降低,并且在摻加EC120后降低的更為明顯,但是摻加Evotherm3G后相位角降低不大,且老化后隨溫度的升高而有所增大;短期老化后，基質(zhì)瀝青和溫拌基質(zhì)瀝青的相位角均小于老化之前,而改性瀝青和溫拌改性瀝青的相位角均大于老化前;摻加EC120后基質(zhì)瀝青相位角變化不明顯,但改性瀝青相位角顯著降

圖4 瀝青相位角隨溫度變化曲線Fig.4 Temperature dependence curves of asphalt phase angle

低,老化前平均降低了7.0°左右,老化后平均降低了3.0°左右;與EC120相反,Evotherm3G無(wú)論是摻加到基質(zhì)瀝青還是改性瀝青中,均能顯著增加瀝青的相位角,老化前基質(zhì)瀝青增加0.4°,改性瀝青增加1.6°左右,老化后基質(zhì)瀝青增加0.8°，改性瀝青增加4.5°左右.

2.1.2復(fù)數(shù)模量

復(fù)數(shù)模量G*表征了瀝青抵抗變形的能力,其值越大,瀝青抵抗變形的能力越強(qiáng).圖5為短期老化前后溫拌瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度變化的曲線.

圖5 瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度變化曲線Fig.5 Temperature dependence curves of complex modulus of asphalts

由圖5可見(jiàn)：12種瀝青試樣的復(fù)數(shù)模量均隨著溫度的升高而逐漸降低,降低的速率先快后慢,并逐漸趨于穩(wěn)定;短期老化后瀝青的復(fù)數(shù)模量均大于老化前,表明短期老化增加了瀝青的抗變形能力;對(duì)于基質(zhì)瀝青,老化前后2種溫拌劑均降低了瀝青的復(fù)數(shù)模量,且Evotherm3G比EC120降低得更多;對(duì)于改性瀝青,老化前2種溫拌劑均降低了改性瀝青的復(fù)數(shù)模量,但老化后EC120增加了改性瀝青的復(fù)數(shù)模量,表明EC120溫拌瀝青對(duì)抵抗變形的能力優(yōu)于Evotherm3G溫拌瀝青.

2.1.3車(chē)轍因子

車(chē)轍因子G*/sinδ是瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),G*/sinδ越大,瀝青高溫性能越好.表2為計(jì)算得到的瀝青車(chē)轍因子.

表2 短期老化前后瀝青的車(chē)轍因子

由表2可見(jiàn)：短期老化前后12種瀝青試樣的車(chē)轍因子均隨著溫度的增加而降低,相同溫度下老化后瀝青的車(chē)轍因子均大于老化前;無(wú)論老化前后,Evthrom3G均降低了基質(zhì)和改性瀝青的車(chē)轍因子,而EC120降低了基質(zhì)瀝青的車(chē)轍因子，卻增大了改性瀝青的車(chē)轍因子;瀝青的車(chē)轍因子由大到小依次為：SBS改性瀝青+EC120>SBS改性瀝青>SBS改性瀝青+Evthrom3G>基質(zhì)瀝青>基質(zhì)瀝青+EC120>基質(zhì)瀝青+Evthrom3G.

2.2 MSCR試驗(yàn)

通過(guò)MSCR試驗(yàn)可以得到不同應(yīng)力水平和溫度條件下瀝青的蠕變與恢復(fù)曲線,并據(jù)此計(jì)算得到瀝青的蠕變恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康戎笜?biāo).圖6為短期老化前后12種瀝青試樣在64℃、0.1kPa條件下第1個(gè)周期的蠕變與恢復(fù)曲線.由圖6可見(jiàn)：改性瀝青的應(yīng)變曲線有1個(gè)明顯的蠕變恢復(fù)階段,而基質(zhì)瀝青恢復(fù)并不明顯,當(dāng)摻加EC120后,基質(zhì)瀝青才表現(xiàn)出緩慢地恢復(fù),這表明EC120對(duì)瀝青的蠕變恢復(fù)性能有所提高;EC120摻加到瀝青中降低了瀝青的應(yīng)變,而Evotherm3G增大了瀝青的應(yīng)變,表明Evotherm3G能夠提高瀝青的流動(dòng)變形特性;短期老化后,瀝青的應(yīng)變均小于老化前,基質(zhì)瀝青的峰值應(yīng)變平均降低了49.5%,改性瀝青的峰值應(yīng)變平均降低了15.7%,短期老化對(duì)基質(zhì)瀝青影響更明顯.

圖6 瀝青蠕變與恢復(fù)曲線Fig.6 Creep and recovery curves of asphalts

2.2.1蠕變恢復(fù)率

蠕變恢復(fù)率R(P)反映了瀝青變形恢復(fù)的能力,其值越大,表明瀝青恢復(fù)變形的能力越強(qiáng).圖7、

8所示分別為0.1、3.2kPa應(yīng)力水平下瀝青的蠕變恢復(fù)率.由圖7可見(jiàn)：0.1kPa應(yīng)力水平下瀝青的蠕變恢復(fù)率隨溫度升高而降低,摻加EC120之后,無(wú)論是基質(zhì)還是改性瀝青的蠕變恢復(fù)率有所增加,而Evotherm3G降低了瀝青的蠕變恢復(fù)率;短期老化對(duì)基質(zhì)瀝青的蠕變恢復(fù)率有所提升,但降低了改性瀝青的蠕變恢復(fù)率.

圖7 0.1kPa應(yīng)力水平下瀝青蠕變恢復(fù)率Fig.7 Creep recovery rate of asphalt at 0.1kPa stress level

圖8 3.2kPa應(yīng)力水平下瀝青蠕變恢復(fù)率Fig.8 Creep recovery rate of asphalt at 3.2kPa stress level

由圖8可見(jiàn)：3.2kPa應(yīng)力水平下瀝青的蠕變恢復(fù)率較0.1kPa整體上有所降低,這表明應(yīng)力越大瀝青越易產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形.

2.2.2不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr(P)反映瀝青抵抗永久變形的能力,其值越小,瀝青的抗變形能力越強(qiáng),高溫性能越好.圖9、10分別為0.1、3.2kPa應(yīng)力水平下瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?

圖9 0.1kPa應(yīng)力水平下瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縁ig.9 Unrecoverable creep compliance of asphalt at 0.1kPa stress level

由圖9可見(jiàn)：0.1kPa應(yīng)力水平下瀝青的Jnr(P)均隨溫度的升高而增大,溫度對(duì)基質(zhì)瀝青的Jnr(P)影響比改性瀝青更加明顯;EC120降低了基質(zhì)和改性瀝青的Jnr(P),表明其提升了瀝青的高溫性能,而Evotherm3G增加了基質(zhì)和改性瀝青的Jnr(P),表明其降低了瀝青的高溫性能.

圖10 3.2kPa應(yīng)力水平下瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縁ig.10 Unrecoverable creep compliance of asphalt at 3.2kPa stress level

由圖10可見(jiàn)：3.2kPa應(yīng)力水平比0.1kPa下瀝青的Jnr(P)整體上有所增大,表明低應(yīng)力下瀝青的抗變形能力更好.

2.3 各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)分析

為了探究DSR和MSCR試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性,采用灰色理論對(duì)70#、70#+EC120、70#+Evotherm3G,SBS、SBS+EC120、SBS+Evotherm3G這6種瀝青試樣的車(chē)轍因子、蠕變恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?64℃,3.2kPa條件下)3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,結(jié)果如表3所示.

設(shè)X0=(x0(1),x0(2),…,x0(n))為參考序列,Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n))為比較序列,則Xi與X0灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算步驟有以下5步[13].

(1)求各序列的初值像：

X′i=Xi/xi(1)=(x′i(1),x′i(2),…,x′i(n)),
i=0,1,…,m

(5)

表3 瀝青流變性能

(2)求差序列：

Δi(k)=|x′0(k)-x′i(k)|,Δi=(Δi(1),
Δi(2),…,Δi(n)),i=1,2,…,m

(6)

(3)求兩極最大差和最小差：

(7)

(4)求關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(8)

(5)計(jì)算關(guān)聯(lián)度：

(9)

通過(guò)對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,可以得到R(P)與G*/sinδ的灰色關(guān)聯(lián)度為0.677,Jnr(P)與G*/sinδ的灰色關(guān)聯(lián)度為0.995.Jnr(P)與G*/sinδ的關(guān)聯(lián)度更大,表明Jnr(P)能夠在一定程度上反映瀝青的高溫性能.

3 結(jié)論

(1)Evotherm3G增加了瀝青的相位角,降低了復(fù)數(shù)模量和車(chē)轍因子,EC120降低了瀝青的相位角,增大了改性瀝青的復(fù)數(shù)模量和車(chē)轍因子.

(2)Evotherm3G增加了瀝青的應(yīng)變,降低了蠕變恢復(fù)率,提高了不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?EC120降低了瀝青的應(yīng)變,提高了蠕變恢復(fù)率,降低了不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?

(3)短期老化對(duì)瀝青的流變特性影響明顯,增大了瀝青的車(chē)轍因子,降低了應(yīng)變變形.

(4)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c車(chē)轍因子的關(guān)聯(lián)度為0.995,能夠在一定程度上反映瀝青的高溫性能.