溫拌瀝青高溫流變性能研究

雷俊安, 鄭南翔, 許新權, 吳傳海, 呂大偉

(1.長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064; 2.廣東華路交通科技有限公司, 廣東 廣州 510420; 3.廣東省路橋建設發展有限公司, 廣東 廣州 510623)

瀝青溫拌技術不僅能夠有效地降低瀝青混合料在施工過程中的溫度,而且還減少了有害煙氣的排放,從而減輕了對人體和環境的危害.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,抗變形能力強的瀝青及其混合料對減少路面車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態剪切流變(dynamic shear rheological,DSR)試驗,并采用車轍因子(G*/sinδ)來評價瀝青的高溫性能.汪海年等[2-4]采用DSR試驗研究了生物瀝青和溫拌生物瀝青結合料的高溫流變性能;高志偉等[5]、宋云連等[6]等采用DSR試驗研究了溫拌劑種類、摻量和溫度等因素對瀝青流變性能的影響;吳建濤等[7]采用DSR試驗研究了瀝青膜厚度對瀝青流變性能的影響.有學者進一步提出了多應力蠕變恢復(multi-stress creep recovery,MSCR)試驗也能夠很好地反映瀝青的流變學特性[8],并可以用蠕變回復率和不可回復蠕變柔量來評價其高溫性能.丁海波等[9]采用MSCR試驗對瀝青進行流變分析,發現蠕變柔量可作為瀝青高溫性能評價指標.曾詩雅等[10]、唐乃膨等[11]和郭詠梅等[12]基于MSCR試驗研究了改性瀝青的高溫性能.但是,基于MSCR試驗對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.本文同時采用DSR試驗和MSCR試驗研究溫拌劑種類、溫度和短期老化對瀝青高溫流變特性的影響,并對2種試驗得到的指標進行灰色關聯分析,找出二者之間的關聯性.

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1瀝青

瀝青選擇殼牌新粵瀝青有限公司產SBS改性瀝青和70#基質瀝青,瀝青的基本性能指標見表1.

1.1.2溫拌劑

溫拌劑為美德維實偉克有限公司產第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有機添加劑類溫拌劑EC120,其中Evotherm3G為黃褐色黏稠狀液體,摻量為瀝青質量的0.6%,EC120為顆粒狀白色固體,摻量為瀝青質量的3.0%.

1.2 試驗方法

首先,將Evotherm3G和EC120分別摻加到基

表1 瀝青的基本性能指標

質瀝青和SBS改性瀝青中制成溫拌瀝青;然后,將瀝青試樣進行短期老化;最后,對瀝青試樣進行DSR試驗和MSCR試驗,并對試驗結果進行分析.

1.2.1RTFOT

對基質瀝青、基質瀝青+0.6%Evotherm3G、基質瀝青+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進行短期老化試驗.試驗采用旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT),老化瓶中瀝青質量控制為(35.0±0.5)g,老化溫度為(163.0±0.5)℃,老化時間為85min.

1.2.2DSR

圖1 DSR試驗示意圖Fig.1 Diagram of DSR test

采用美國TA公司生產的動態剪切流變儀分別對短期老化前后共12種試樣進行DSR試驗.試驗時將瀝青試樣夾在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回轉動,DSR試驗示意圖如圖1所示.振蕩板沿A-B-A-C-A轉動形成1個循環周期,轉動頻率為10rad/s,試驗溫度依次設置為58、64、70、76、82℃.DSR試驗結果如圖2所示.圖中τmax、τmin為最大、小剪切應力，γmax、γmin為最大、小剪切應變.通過計算分析可以得出相位角δ、復數剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ等指標.

圖2 DSR試驗結果Fig.2 Results of DSR test

1.2.3MSCR

MSCR試驗設備也是動態剪切流變儀,采用加載-卸載的模式對12種瀝青試樣進行試驗.首先,在0.1kPa的應力水平下,加載1s,卸載9s,重復10個周期;緊接著在3.2kPa的應力水平下重復上述步驟,整個試驗共20個周期,耗時200s.1個周期的加載-卸載曲線如圖3所示.加載過程中瀝青的應變達到峰值γp,卸載過程中可恢復的應變為γr,不可恢復的應變為γu.

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

每次循環后的蠕變恢復率γr(P,N)為：

(1)

式中：P為載荷，即應力水平，N；N為加載次數.

10個周期的平均應變恢復率為R(P)為：

(2)

每個循環中不可恢復蠕變柔量Jnr(P,N)為：

(3)

10個周期的平均不可恢復蠕變柔量Jnr(P)為：

(4)

2 試驗結果與分析

2.1 DSR試驗

通過對12種瀝青試樣進行不同溫度下的DSR試驗,分別得出短期老化前后溫拌瀝青的相位角δ、復數模量G*和車轍因子G*/sinδ.

2.1.1相位角

相位角δ反映了瀝青結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：短期老化前，基質瀝青和溫拌基質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，基質瀝青和溫拌基質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無論是摻加到基質瀝青還是改性瀝青中,均能顯著增加瀝青的相位角,老化前基質瀝青增加0.4°,改性瀝青增加1.6°左右,老化后基質瀝青增加0.8°，改性瀝青增加4.5°左右.

2.1.2復數模量

復數模量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.圖5為短期老化前后溫拌瀝青復數模量隨溫度變化的曲線.

圖5 瀝青復數模量隨溫度變化曲線Fig.5 Temperature dependence curves of complex modulus of asphalts

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

2.1.3車轍因子

車轍因子G*/sinδ是瀝青高溫性能的評價指標,G*/sinδ越大,瀝青高溫性能越好.表2為計算得到的瀝青車轍因子.

表2 短期老化前后瀝青的車轍因子

由表2可見：短期老化前后12種瀝青試樣的車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轍因子均大于老化前;無論老化前后,Evthrom3G均降低了基質和改性瀝青的車轍因子,而EC120降低了基質瀝青的車轍因子，卻增大了改性瀝青的車轍因子;瀝青的車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>基質瀝青>基質瀝青+EC120>基質瀝青+Evthrom3G.

2.2 MSCR試驗

通過MSCR試驗可以得到不同應力水平和溫度條件下瀝青的蠕變與恢復曲線,并據此計算得到瀝青的蠕變恢復率和不可恢復蠕變柔量等指標.圖6為短期老化前后12種瀝青試樣在64℃、0.1kPa條件下第1個周期的蠕變與恢復曲線.由圖6可見：改性瀝青的應變曲線有1個明顯的蠕變恢復階段,而基質瀝青恢復并不明顯,當摻加EC120后,基質瀝青才表現出緩慢地恢復,這表明EC120對瀝青的蠕變恢復性能有所提高;EC120摻加到瀝青中降低了瀝青的應變,而Evotherm3G增大了瀝青的應變,表明Evotherm3G能夠提高瀝青的流動變形特性;短期老化后,瀝青的應變均小于老化前,基質瀝青的峰值應變平均降低了49.5%,改性瀝青的峰值應變平均降低了15.7%,短期老化對基質瀝青影響更明顯.

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

2.2.1蠕變恢復率

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

8所示分別為0.1、3.2kPa應力水平下瀝青的蠕變恢復率.由圖7可見：0.1kPa應力水平下瀝青的蠕變恢復率隨溫度升高而降低,摻加EC120之后,無論是基質還是改性瀝青的蠕變恢復率有所增加,而Evotherm3G降低了瀝青的蠕變恢復率;短期老化對基質瀝青的蠕變恢復率有所提升,但降低了改性瀝青的蠕變恢復率.

圖7 0.1kPa應力水平下瀝青蠕變恢復率Fig.7 Creep recovery rate of asphalt at 0.1kPa stress level

圖8 3.2kPa應力水平下瀝青蠕變恢復率Fig.8 Creep recovery rate of asphalt at 3.2kPa stress level

由圖8可見：3.2kPa應力水平下瀝青的蠕變恢復率較0.1kPa整體上有所降低,這表明應力越大瀝青越易產生不可恢復的變形.

2.2.2不可恢復蠕變柔量

不可恢復蠕變柔量Jnr(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,高溫性能越好.圖9、10分別為0.1、3.2kPa應力水平下瀝青的不可恢復蠕變柔量.

圖9 0.1kPa應力水平下瀝青不可恢復蠕變柔量Fig.9 Unrecoverable creep compliance of asphalt at 0.1kPa stress level

由圖9可見：0.1kPa應力水平下瀝青的Jnr(P)均隨溫度的升高而增大,溫度對基質瀝青的Jnr(P)影響比改性瀝青更加明顯;EC120降低了基質和改性瀝青的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應力水平下瀝青不可恢復蠕變柔量Fig.10 Unrecoverable creep compliance of asphalt at 3.2kPa stress level

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

2.3 各指標灰色關聯分析

為了探究DSR和MSCR試驗結果之間的關聯性,采用灰色理論對70#、70#+EC120、70#+Evotherm3G,SBS、SBS+EC120、SBS+Evotherm3G這6種瀝青試樣的車轍因子、蠕變恢復率和不可恢復蠕變柔量(64℃,3.2kPa條件下)3個指標進行灰色關聯分析,結果如表3所示.

設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灰色關聯度的計算步驟有以下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)求關聯系數：

(8)

(5)計算關聯度：

(9)

通過對表3數據進行計算,可以得到R(P)與G*/sinδ的灰色關聯度為0.677,Jnr(P)與G*/sinδ的灰色關聯度為0.995.Jnr(P)與G*/sinδ的關聯度更大,表明Jnr(P)能夠在一定程度上反映瀝青的高溫性能.

3 結論

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

(2)Evotherm3G增加了瀝青的應變,降低了蠕變恢復率,提高了不可恢復蠕變柔量,EC120降低了瀝青的應變,提高了蠕變恢復率,降低了不可恢復蠕變柔量.

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

(4)不可恢復蠕變柔量與車轍因子的關聯度為0.995,能夠在一定程度上反映瀝青的高溫性能.