BRA改性瀝青高溫性能評價指標的比較研究*

吳源鋒 廖 軍 黃晚清 馮文凱 曹明明

(榮縣交通運輸局1) 榮縣 643100) (成都理工大學環境與土木工程學院2) 成都 610059) (四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院3) 成都 610041)

0 引 言

近些年來許多學者對瀝青高溫性能的評價指標進行了深入的研究.熊劍平等[1]對瀝青抗車轍性能的評價指標進行了優選，發現針入度、軟化點，以及車轍因子不能準確評價Rubber，PE，SBS改性瀝青的抗車轍性能，建議采用平均不可恢復蠕變柔量Jnr作為瀝青抗車轍性能的評價指標.黃衛東等[2]對不同類型的SBS改性瀝青高溫性能的評價指標進行了對比研究，發現Jnr0.1和Shenoy不可恢復柔量在SBS改性瀝青高溫性能評價上均優于車轍因子.劉紅瑛等[3]對多聚磷酸改性瀝青高溫性能的評價指標進行了對比分析，結果表明，軟化點和累積應變可以用于評價不同類型瀝青的高溫性能.樊向陽等[4]對抗車轍劑改性瀝青的高溫性能的諸多評價指標進行了研究，發現Jnr0.1，Jnr3.2可以較為準確的評價抗車轍劑改性瀝青的高溫性能.目前對天然巖瀝青研究較多的是其對基質瀝青的改性機理及其混合料的路用性能.陸兆峰等[5]研究了天然巖瀝青改性基質瀝青的內在機理，結果表明巖瀝青的摻入改變了基質瀝青原有的瀝青組分.黃文通等[6]研究了北美巖瀝青改性基質瀝青的機理，結果表明北美巖瀝青能有效增強瀝青內部分子之間的作用力，顯著增強瀝青的抗老化性能、高溫抗車轍性能.羅東等[7]研究純凈巖瀝青對基質瀝青老化性能及疲勞性能的影響，結果表明，巖瀝青對基質瀝青抗老化性能和疲勞性能有顯著的改善，但對基質瀝青的低溫性能造成不利影響，建議純凈巖瀝青摻量為15%.曾夢瀾等[8]對歐洲巖瀝青改性瀝青混合料路用性能進行了研究，發現歐洲巖瀝青顯著增強了瀝青混合料的抗水損害能力及高溫抗車轍性能，但同時降低了瀝青混合料的低溫抗裂性能.

目前對布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能評價指標的研究較少，文中將對瀝青諸多高溫性能評價指標進行對比分析，以優選出能較為準確評價BRA改性瀝青高溫性能的指標.

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

選用印尼布敦巖瀝青(buton rock asphalt，BRA)，基質瀝青為70#A級道路石油瀝青，其技術指標見表1～2.

表1 布敦巖瀝青技術指標及測試結果

表2 70#基質瀝青技術指標及測試結果

1.2 BRA改性瀝青的制備

選取BRA和70#基質瀝青在實驗室制備BRA摻量不同的改性瀝青，其中布敦巖瀝青的摻量(布敦巖瀝青與70#基質瀝青的質量比)分別為0.0%，10.0%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%.BRA改性瀝青的制備方法如下：將70#基質瀝青放入烘箱中加熱至180 ℃，按照設計比例稱取一定質量的布敦巖瀝青，加入到70#基質瀝青中并用玻璃棒攪拌均勻，采用轉速為4 500 r/min的剪切機剪切、擠壓30 min，剪切過程中保證瀝青溫度維持在180 ℃[9].

1.3 瀝青結合料試驗方法

BRA能夠增大基質瀝青的黏度，從而增強瀝青的高溫抗變形能力，與SBS聚合物對基質瀝青高溫性能的改性機理有較大區別.因此為研究瀝青各高溫性能評價指標對BRA改性瀝青高溫性能的評價效果，對BRA摻量不同的改性瀝青進行高溫性能常規試驗、135 ℃旋轉黏度試驗、常規震蕩剪切試驗(DSR)和多應力蠕變恢復試驗(MSCR).

采用上海某公司生產的SYD-2806G型全自動瀝青軟化點試驗儀和SYD-2801I型針入度試驗儀對BRA摻量不同的原樣改性瀝青進行軟化點試驗和針入度試驗，其中針入度試驗獲取溫度分別15,25,30 ℃的針入度值，以計算出各摻量BRA改性瀝青當量軟化點[10].采用美國博勒飛DV-II+Pro型黏度計對BRA摻量不同的原樣改性瀝青進行旋轉黏度試驗，試驗溫度為135 ℃.以上試驗詳細的步驟及要求見JTG E20—2011.

采用美國TA公司生產的型號為AR1500ex的動態剪切流變儀對瀝青進行常規震蕩剪切試驗(DSR)和多應力蠕變恢復試驗(MSCR)，試驗樣品均為RTFOT老化后BRA改性瀝青殘留物，震蕩剪切試驗溫度為60 ℃，角頻率為10 rad/s，在應變控制模式下進行. MSCR試驗的試驗溫度同樣設定為60 ℃，選取25 mm轉子，間隙設置為1 mm，在應力控制模式下進行，先后分別在0.1,3.2 kPa剪切應力水平下加載1 s，卸載9 s，兩個步驟之間不發生間歇，不同的是在0.1 kPa的剪切應力水平下重復進行20個周期，3.2 kPa的剪切應力水平下重復進行10個周期，整個試驗共耗時300 s[11-12].繪出累計應變和時間的關系曲線，圖1為一個蠕變恢復周期內的應變圖.每個周期內的不可恢復蠕變柔量為

Jnr=εu/σ

式中：εμ為未恢復的應變；σ為應力.

圖1 一個蠕變回復周期內的應變圖

1.4 瀝青混合料試驗方法

對BRA摻量不同的改性瀝青混合料進行了60 ℃車轍試驗獲取動穩定度DS，并將其與瀝青高溫評價指標進行回歸分析，以驗證BRA改性瀝青高溫性能評價指標的有效性，其中混合料的級配均為AC-20C，粗細集料均為石灰巖，填料為石灰巖磨制的礦粉，油石比均設定為4.4%，對每種BRA摻量瀝青混合料平行試驗三個試件，取其平均值作為試驗結果，詳細的試驗步驟及要求見文獻[10].

2 BRA改性瀝青高溫評價指標研究

2.1 軟化點

BRA摻量不同的改性瀝青軟化點測定結果見表3.由表3可知，隨BRA摻量的增加瀝青軟化點有較明顯的提高，表明BRA改性瀝青高溫性能優于70#基質瀝青.

表3 不同摻量BRA改性瀝青軟化點

2.2 當量軟化點

BRA摻量不同的改性瀝青當量軟化點見表4.由表4可知，隨BRA摻量的增加瀝青當量軟化點有較明顯的提高，表明BRA改性瀝青高溫性能優于70#基質瀝青，且BRA摻量越高，瀝青高溫性能越好.

表4 不同摻量BRA改性瀝青當量軟化點

2.3 135 ℃旋轉黏度

BRA摻量不同的改性瀝青135 ℃旋轉黏度見表5.由表5可知，BRA摻量為10%,20%,30%,40%,50%,60%的改性瀝青黏度分別是70#基質瀝青黏度的100.51%,130.90%,185.91%,309.75%,338.74%,386.08%，表明BRA改性瀝青高溫性能明顯優于70#基質瀝青，且BRA摻量越高，瀝青高溫性能越好.

表5 BRA改性瀝青135 ℃旋轉黏度

2.4 車轍因子及Shenoy不可恢復柔量

車轍因子G*/sinδ并不能夠很好地反映SBS類高彈改性瀝青的高溫抗永久變形能力.Shenoy提出不可恢復柔量[1-1/(tanδ·sinδ)]/G*作為瀝青高溫性能的評價指標.試驗采集到的車轍因子G*/sinδ和相位角δ計算出Shenoy不可恢復柔量，見表6.由表6可知，隨著BRA摻量的增加，BRA改性瀝青G*/sinδ均有所增加，Shenoy不可恢復柔量均有所減小.

表6 不同摻量BRA改性瀝青G*/sin δ和[1-1/(tan δ·sin δ)]/G*

2.5 平均不可恢復蠕變柔量Jnr

對BRA摻量不同的改性瀝青進行MSCR試驗得到的Jnr0.1和Jnr3.2 kPa-1見表7.由表7可知，隨BRA摻量的增加，Jnr0.1和Jnr3.2 kPa-1均逐漸減小，表明BRA改性瀝青高溫性能逐漸增強.

表7 不同摻量BRA改性瀝青60 ℃的Jnr0.1和Jnr3.2

2.6 評價指標的比較

瀝青的軟化點和當量軟化點隨BRA摻量的變化見圖2a).擬合發現，瀝青軟化點隨BRA摻量的增加而呈線性增長趨勢.對BRA摻量與當量軟化點進行線性回歸、對數函數回歸、冪函數回歸、指數函數回歸，發現更符合線性關系，但相關性系數R2為0.85.此外，由圖2a)可知，隨著BRA摻量的增加，瀝青的當量軟化點與軟化點的差值逐漸減小，表明BRA摻量較高時，當量軟化點與軟化點對BRA改性瀝青高溫性能的評價更趨于一致.

瀝青的135 ℃旋轉黏度、車轍因子隨BRA摻量的變化分別見圖2b)～c).擬合發現，135 ℃旋轉黏度和車轍因子均隨BRA摻量的增加而呈指數增長的趨勢，表明隨著BRA摻量的增加，瀝青的135 ℃旋轉黏度和車轍因子增長的速度越來越快，也就是說當BRA摻量較高時，變化BRA摻量對瀝青高溫性能的影響更為顯著.

瀝青的Shenoy不可恢復柔量、Jnr0.1,Jnr3.2 kPa-1隨BRA摻量的變化分別見圖2d)～f).擬合發現，Shenoy不可恢復柔量、Jnr0.1,Jnr3.2 kPa-1均隨BRA摻量的增加而呈指數減小的趨勢，表明隨著BRA摻量的增加，瀝青的Shenoy不可恢復柔量、Jnr0.1、Jnr3.2 kPa-1增長的速度越來越慢，也就是說BRA摻量較低時，變化BRA摻量對瀝青高溫性能的影響更為顯著，而當摻量較高時，變化BRA的摻量對瀝青高溫性能的影響更為微弱.

圖2 BRA改性瀝青各評價指標與BRA摻量的擬合曲線

3 瀝青混合料動穩定度

對不同BRA摻量的改性瀝青混合料進行了60 ℃車轍試驗，以驗證BRA改性瀝青高溫性能評價指標的有效性，試驗得到的動穩定度結果見圖3.由圖3可知，隨BRA摻量的增加，瀝青混合料動穩定度均有所增加，表明瀝青混合料高溫穩定性逐漸增強.

圖3 不同摻量BRA改性瀝青混合料動穩定度

4 各高溫評價指標與動穩定度的相關性

將BRA改性瀝青混合料AC-20C的60 ℃動穩定度分別與文中瀝青高溫性能評價指標(軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉黏度、車轍因子、Shenoy不可恢復柔量、Jnr0.1、Jnr3.2)進行線性函數、對數函數、冪函數、指數函數回歸分析.可以發現：BRA改性瀝青混合料60 ℃動穩定度除了與軟化點和當量軟化點有良好的線性關系外，與其余高溫評價指標的線性關系并不明顯，擬合得到的函數中指數函數的R2最大，因此，統一采用指數函數回歸模型，擬合得到的回歸方程及其R2見圖4.由圖4可知，動穩定度與軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉黏度、車轍因子的回歸曲線均為下凹型單調遞增函數，回歸曲線的斜率隨著軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉黏度、車轍因子的增加而增大，而動穩定度與Shenoy不可恢復柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1的回歸曲線均為下凹型單調遞減函數，回歸曲線的斜率隨著Shenoy不可恢復柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1的增加而減小，表明BRA改性瀝青的高溫性能越好，其瀝青混合料的動穩定度對BRA改性瀝青高溫性能的變化越敏感，也就是說BRA含量越高，BRA摻量的波動會使其混合料動穩定度產生較大的變異.因此，在實際工程中為了避免BRA改性瀝青混合料的動穩定度產生較大的變異，必須嚴格控制BRA的摻量.反之，當BRA含量較低時，BRA摻量的波動對其混合料動穩定度的影響不顯著，也就是說BRA改性瀝青的高溫性能越差，其瀝青混合料動穩定度對BRA改性瀝青高溫性能變化的敏感度就越低，因而對于高溫性能要求較低的路面，對于BRA改性瀝青高溫性能變異的容忍度較高.

由圖4中各擬合方程的R2來看，BRA改性瀝青的各高溫評價指標與BRA改性瀝青混合料60 ℃動穩定度指數函數相關性排序為Jnr3.2>Shenoy不可恢復柔量>Jnr0.1>當量軟化點>軟化點>車轍因子>135 ℃旋轉黏度.

基于以上有限的數據回歸分析，對于BRA改性瀝青可以得出：①BRA改性瀝青混合料動穩定度與瀝青結合料高溫評價指標軟化點、當量軟化點、135 ℃旋轉黏度、車轍因子、Shenoy不可恢復柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1之間的關系可通過指數函數方程表達.②Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1，Shenoy不可恢復柔量、當量軟化點、軟化點在BRA改性瀝青高溫性能評價上均優于車轍因子，而135 ℃旋轉黏度與動穩定度的相關性最差.

圖4 BRA改性瀝青混合料動穩定度與各評價指標的擬合曲線

5 結 論

1) BRA摻量與瀝青軟化點、當量軟化點存在良好的線性函數關系，而與135 ℃旋轉黏度、車轍因子、Shenoy不可恢復柔量、Jnr0.1，Jnr3.2均存在良好的指數函數關系.

2) BRA改性瀝青混合料動穩定度與瀝青高溫性能評價指標Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1，Shenoy不可恢復柔量、軟化點、當量軟化點、車轍因子、135 ℃旋轉黏度之間的關系可通過指數函數方程表達.

3) BRA改性瀝青的高溫性能越好，其瀝青混合料的動穩定度對BRA改性瀝青高溫性能的變化越敏感.

4) MSCR試驗得到的平均不可恢復蠕變柔量Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1與BRA改性瀝青混合料的動穩定度有較好的相關性，可用于評價BRA改性瀝青的高溫性能.

5)Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1、Shenoy柔量、當量軟化點，以及軟化點在BRA改性瀝青結合料高溫性能評價上均優于車轍因子，而135 ℃旋轉黏度與動穩定度的相關性最差.

6) 雖然當量軟化點是經驗評價指標，但它與BRA改性瀝青混合料的高溫穩定性具有良好的相關性， 在無法進行MSCR試驗的情況下，它也可用于評價BRA改性瀝青高溫性能.