基于MSCR試驗的改性瀝青高溫性能評價

郭詠梅， 許 麗， 吳 亮， 沈新元(揚州大學 建筑科學與工程學院， 江蘇 揚州 225127)

近年來，不少研究人員對于軟化點、車轍因子G*/sinδ等瀝青高溫指標能否準確評價改性瀝青提出了質疑[1-2].鑒于此，美國NCHRP 9-10項目的研究報告[2]提出采用重復蠕變恢復試驗(RCRT)來評價改性瀝青.但是D’angelo等[3]的研究表明RCRT的加載應力較低，無法反映改性瀝青在路面中的實際受力狀態，因此又提出了多應力蠕變恢復(MSCR)試驗，采用0.1kPa 和3.2kPa兩個應力水平進行測試，以不可恢復蠕變柔量Jnr、恢復率R和應力敏感性指標Jnr-diff，Rdiff作為評價指標，其中Jnr可以反映改性瀝青在較大應力下的非線性流變響應，且有研究表明Jnr與瀝青混合料抗車轍性能的相關性較好[4].目前MSCR試驗已被編入美國AASHTO和ASTM規范[5-6]中，AASHTO MP19-10分級標準[7]也以3.2kPa 應力時的Jnr值作為瀝青分級新指標.中國一些研究者[8-9]應用MSCR試驗對SBS改性瀝青、PE改性瀝青等的高溫性能進行了評價，但是將改性瀝青的MSCR評價結果與其混合料高溫性能進行對比分析的研究還不多.本文選擇華東地區常用的幾種改性瀝青，應用MSCR試驗對其高溫性能進行測試與分析，再與改性瀝青混合料三軸動態蠕變試驗結果進行對比研究，為準確評價改性瀝青提供基礎性數據.

1 材料與試驗

1.1 材料

以SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青和高強瀝青為研究對象，其編號和主要性能指標如表1所示.為了更好地模擬改性瀝青在實際路面上的工作狀態，本文MSCR試驗采用的均是經過旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)進行短期老化處理后的試樣，老化方法見JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》.

表1 改性瀝青的主要性能Table 1 Main properties of modified asphalts

粗、細集料分別采用玄武巖和石灰巖，填料為石灰巖礦粉，抗剝落劑的摻量為改性瀝青質量的0.4%，所有礦質材料的技術指標均滿足現行規范要求.選擇目前瀝青路面上面層常用的AC-13作為集料級配型式，考慮到膠粉改性瀝青的溶脹效應，其混合料的集料級配增加間斷級配型式ARAC-13作為對比.在進行瀝青混合料配合比設計時，AC-13和ARAC-13均通過控制關鍵篩孔2.36mm通過率的方法，經多次調整確定合成級配，結果如表2所示.

表2 改性瀝青混合料的合成級配Table 2 Aggregate gradations of modified asphalt mixtures

改性瀝青混合料由馬歇爾試驗確定最佳油石比，再按最佳油石比應用旋轉壓實儀成型試件，最后經鉆芯取樣和雙面切割獲得φ100×150mm的圓柱體試件.

1.2 試驗

MSCR試驗步驟為：首先采用0.1kPa的應力，加、卸載時間分別為1s和9s，重復循環10次；再采用3.2kPa的應力，加、卸載時間和重復次數同前.0.1，3.2kPa應力之間不間斷，整個試驗共耗時200s.參考AASHTO MP19-10分級標準[7]的要求，試驗溫度選擇58，64，70℃.試驗儀器采用美國TA公司生產的AR-2000ex高級流變儀，根據試驗的測溫范圍，采用直徑為25mm的平行板夾具，試樣厚度取1mm.

蠕變試驗的加載模式有動態和靜態兩大類，本文選擇與真實瀝青路面情況更接近的動態蠕變試驗.為了更準確地模擬改性瀝青混合料在實際路面中的受力狀態，加載應力包括軸向應力和圍壓，即為三軸加載.參考中國標準軸載輪胎與路面的接觸壓力，軸向應力取700kPa，圍壓取138kPa.試驗的加載波形設為半正弦波，加載0.1s、卸載0.9s為1個蠕變恢復循環，試驗的終止條件為重復加載次數達到10000次或試件的累積應變曲線進入破壞期.試驗儀器采用澳大利亞IPC Global公司生產的UTM-25萬能材料試驗機，試驗溫度采用60℃.

2 改性瀝青MSCR高溫性能分析與評價

2.1 不可恢復蠕變柔量Jnr

圖1為膠粉改性瀝青在64℃下的MSCR試驗曲線，呈現了0.1，3.2kPa應力下累積應變隨時間的變化情況，其他試驗曲線限于論文篇幅不再一一繪出.在每個應力下，單次循環的不可恢復蠕變柔量Jnr按式(1)計算.0.1，3.2kPa應力下10次循環內不可恢復蠕變柔量的平均值分別表示為Jnr，0.1，Jnr，3.2，它們能反映瀝青在不同應力下的抗永久變形能力，數值越小，瀝青的高溫性能越好.

Jnr=γnr/τ

(1)

式中：τ為每次循環的加載應力，kPa；γnr為該次循環的不可恢復應變.

圖1 膠粉改性瀝青在64℃下的MSCR試驗曲線Fig.1 MSCR test curve of rubber modified asphalt at 64℃

改性瀝青在58,64,70℃時的Jnr，0.1，Jnr，3.2值如圖2所示.由圖2可以看出：當應力提高時，3種改性瀝青的Jnr值均不同程度增大，在溫度升高時亦然.這表明“重載”作用對改性瀝青抗永久變形能力的影響與“高溫”相似，即應力與溫度具有某種等效性.對試件施加0.1kPa應力時，改性瀝青的流變性能基本處于線性范圍[10]；而當應力增加到3.2kPa時，改性瀝青的流變性能很可能已經進入非線性范圍，這應該可以模擬瀝青路面在承受較大荷載時的情況.

圖2 不同應力和溫度下改性瀝青的Jnr值Fig.2 Jnrvalues of modified asphalts at different stresses and temperatures

為了全面評價3種改性瀝青，以不同應力和溫度下的Jnr值為依據進行高溫性能排序.由圖2可以看出，當試驗條件改變時，膠粉改性瀝青的Jnr值變化幅度最大.開始時應力和溫度都較低，膠粉改性瀝青的Jnr值最小，高溫性能最好；之后隨著應力或溫度的提高，膠粉改性瀝青的Jnr值很快超過高強瀝青；特別是當溫度升高到70℃時，膠粉改性瀝青的Jnr，3.2值大幅增加，雖然仍稍低于SBS改性瀝青，但兩者已經很接近了.可以預測，如果試驗的應力或溫度進一步增大，膠粉改性瀝青的Jnr值很可能超過SBS改性瀝青.總之，在不同應力和溫度下以Jnr值為依據對3種改性瀝青高溫性能的評價順序并不一致，分析其原因主要是膠粉改性瀝青對應力和溫度的敏感性明顯大于另外2種改性瀝青.由于應力與溫度具有等效性，本文僅分析應力敏感性對改性瀝青抗永久變形能力的影響.

2.2 應力敏感性指標Jnr-diff

瀝青的應力敏感性可以用不可恢復蠕變柔量相對差異Jnr-diff來描述，其計算公式見式(2).Jnr-diff值越大，瀝青的應力敏感性越大.

(2)

3種改性瀝青在不同溫度時的Jnr-diff值如圖3所示.由圖3可以看出，當溫度升高時改性瀝青的Jnr-diff值隨之增大，這表明高溫條件下改性瀝青抗永久變形能力的應力敏感性更為突出.3種改性瀝青中，膠粉改性瀝青的Jnr-diff值為同溫度下的最大值，即膠粉改性瀝青的應力敏感性明顯超出其他2種改性瀝青.膠粉改性瀝青的Jnr-diff值在58℃時為68%，64℃ 時達到196%，70℃時更高達342%.AASHTO MP19-10分級標準對Jnr-diff值的要求是“≤75%”[7]，顯然，64℃和70℃下的膠粉改性瀝青均遠遠超出這個范圍，很可能已經達到蠕變破壞階段.

圖3 不同溫度下改性瀝青的Jnr-diff值Fig.3 Jnr-diff values of modified asphalts at different temperatures

58℃時SBS改性瀝青、高強瀝青的Jnr-diff值分別為0.3%，0.6%，64℃時為2%，3%，70℃時則為37%，47%，都滿足了AASHTO MP19-10分級標準的相關測試要求.參考Petersen等[11]確定振動模式下瀝青流變性能線性范圍極限值的方法，可以根據改性瀝青的Jnr-diff值是否“>5%”來判定其流變性能處于哪個范圍.由此得出：當應力達到3.2kPa時，58℃和64℃下的SBS改性瀝青和高強瀝青流變性能均處于線性范圍，但是在70℃時的SBS改性瀝青、高強瀝青和58℃時的膠粉改性瀝青一樣，流變性能已經進入非線性范圍.

因改性瀝青的Jnr-diff值達到5%時可作為其流變性能線性范圍極限值，且Jnr-diff值會隨溫度升高而增大，故得出改性瀝青流變性能的線性范圍將隨溫度升高而變窄的結論.由圖3還可見，當應力為3.2kPa 時，58℃和64℃下只有膠粉改性瀝青的流變性能超出線性范圍，且其在3個溫度下的Jnr-diff值均遠大于其他改性瀝青，因此可得出：3種改性瀝青中，膠粉改性瀝青流變性能的線性范圍最小.

2.3 改性瀝青的MSCR交通分級

基于MSCR試驗的AASHTO MP19-10分級標準沿用了以車轍因子G*/sinδ為基礎的瀝青膠結料規范溫度分級的方法，即各等級相關技術指標的要求值固定為常數，而試驗溫度則不同，且2個規范采用的分級溫度數值也是相同的，其中高溫分級溫度范圍為46～82℃，以6℃為1個間隔.確定了高溫等級后，AASHTO MP19-10分級標準再以Jnr，3.2為分級新指標，按照對應的交通量情況分為極重交通(E)、特重交通(V)、重交通(H)、標準交通(S)共4個等級[7].

3種改性瀝青的交通分級結果如表3所示.由表3可以看出，同一改性瀝青在不同溫度下適用的交通等級不一樣.SBS改性瀝青在58℃時的評級是特重交通(V)，64℃時是重交通(H)，70℃時則是標準交通(S)，即隨著溫度升高，適用的交通等級逐漸下降.其他改性瀝青基本上遵循相同規律，這從另一個側面印證了應力和溫度對改性瀝青抗永久變形能力的影響具有等效性這一推論.

表3 不同溫度下改性瀝青適用的交通等級Table 3 Traffic grades of application about modified asphalts at different temperatures

由表3還可以看出，膠粉改性瀝青在3種改性瀝青中比較特殊，它在58℃時適用的交通等級是極重交通(E)，屬于最高等級，但是在64，70℃時卻連最低等級也沒有達到.膠粉改性瀝青的PG高溫等級高達82℃(見表1)，說明其在低應力區間線性范圍內的抗永久變形能力非常優秀；但是由于其線性范圍很小，故當應力或溫度提高時膠粉改性瀝青的流變性能迅速進入非線性范圍，導致其高溫性能急速衰減，因此膠粉改性瀝青不適用于特重交通或重交通的瀝青路面.另外，對于應力敏感性突出的改性瀝青而言，決定其交通等級的關鍵因素除了分級指標Jnr，3.2外，還應包括應力敏感性指標Jnr-diff.這是因為MSCR試驗對Jnr-diff值有“<75%”的限制，不滿足要求的改性瀝青即使Jnr，3.2值比較高，也會如膠粉改性瀝青一樣評出較差的交通等級.

3 基于混合料三軸動態蠕變試驗的驗證分析

圖4給出了以3種改性瀝青為結合料的改性瀝青混合料60℃三軸動態蠕變試驗曲線，其中AC-13，ARAC-13代表集料級配型式，括號內為改性瀝青編號.瀝青混合料累積應變的發展過程通常由3個階段組成，即初始階段、穩定階段和破壞階段，可以把進入破壞階段的先后順序作為評價瀝青混合料高溫性能的依據，故由圖4得出：AC-13(C)的高溫性能最好，AC-13(A)次之，而ARAC-13(B)和AC-13(B)排在后兩位.

圖4 改性瀝青混合料60℃三軸動態蠕變試驗曲線Fig.4 Triaxial repeated creep test curves of modified asphalt mixtures at 60℃

雖然集料性狀及級配型式對瀝青混合料的高溫穩定性影響很大，但是近期的研究表明典型密級配瀝青混合料的抗永久變形能力主要由瀝青性能決定[12].因此，采用相同集料與密級配型式(AC-13)的改性瀝青混合料高溫性能排序可以反映其改性瀝青結合料實際高溫性能的優劣.由此得出：高強瀝青的高溫性能最好，SBS改性瀝青次之，膠粉改性瀝青最差.這個結果與前文64，70℃下3種改性瀝青交通等級反映出的高溫性能排序一致.本文三軸動態蠕變試驗的加載方案模擬的是標準軸載的作用情況，而近年來中國不少高等級公路上重載車大量增加，甚至超載車也占據相當的比重，在重載交通條件下改性瀝青肯定承受了更大應力，很可能MSCR試驗的溫度需要進一步提高.

4 結論

(1)當應力提高時改性瀝青的不可恢復蠕變柔量隨之增大，溫度升高時亦然，這表明在非線性范圍內應力和溫度對改性瀝青抗永久變形能力的影響具有等效性.

(2)隨著溫度的升高，改性瀝青流變性能的線性范圍逐漸變窄，應力敏感性更為顯著；膠粉改性瀝青在低應力區間的高溫性能優秀，但是其線性范圍很小，當應力或溫度提高時迅速進入非線性范圍，高溫性能急劇衰減.

(3)在不同應力和溫度下改性瀝青高溫性能的排序可能發生改變，因此在評價改性瀝青的高溫性能時應充分考慮其在實際瀝青路面中的受力和溫度狀態，而基于AASHTO MP19-10標準的交通分級能夠反映改性瀝青的這一特性.

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