基于MSCR試驗的瀝青高溫性能研究與花崗片麻巖瀝青混合料高溫性能預測*

劉 釗 尹亞東 代俊豐 羅 蓉

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063) (湖北長江路橋股份有限公司3) 武漢 430200)

0 引 言

花崗片麻巖是由花崗巖經變質作用形成的典型弱酸性石料，與瀝青的結合能力較差，在高溫地區使用時除了要考慮瀝青與花崗片麻巖黏附性不足的問題，還要考慮瀝青混合料的高溫性能[1].

為了改善花崗片麻巖與瀝青的黏附性，可以采取不同種類瀝青與其成型瀝青混合料，而不同的瀝青高溫性能不同，其又會影響瀝青混合料的高溫性能.因此在制備花崗片麻巖瀝青混合料時需要在保證花崗片麻巖與瀝青黏附性滿足要求的同時確保混合料有良好的抵抗高溫變形能力.而傳統的評價瀝青混合料抗高溫性能的方法為車轍試驗，對于有多種瀝青選擇方案的混合料來說，此方法耗時較長，試驗繁瑣.因此，文中通過MSCR試驗檢測不同瀝青的高溫性能，并通過高溫車轍試驗制備不同種類花崗片麻巖瀝青混合料車轍板，測試其動穩定度，反映瀝青混合料的高溫性能并與瀝青高溫性能指標建立聯系，采用瀝青的高溫性能預測瀝青混合料的高溫性能，分析得出高溫性能最佳的花崗片麻巖瀝青混合料.

1 MSCR試驗

1.1 試驗原理

MSCR試驗全稱為多應力重復蠕變恢復試驗，其可以很好地反映瀝青在不同的應力作用水平下的形變特性，而且在應力作用加載結束后，瀝青材料部分產生蠕變變形恢復，而其中不可恢復的部分變形累加到下個循環荷載過程中，該原理可以很好地模擬實際服役中瀝青所受荷載作用.MSCR試驗通過改性瀝青的蠕變恢復率R和不可恢復蠕變柔量Jnr,以及對應的應力敏感性指標Rdiff、Jnr-diff作為評價方法.其中Jnr與瀝青混合料的抗車轍性能有著密切的相關性，并可以為瀝青樣品的PG分級提供很好的理論支持.

試驗所用的儀器為動態剪切流變儀DSR，其工作原理為通過給予瀝青試驗一定大小的轉矩，使其邊緣產生剪應力，進而通過產生的應變計算分析得出對應的力學指標，試驗原理圖見圖1.

圖1 DSR工作原理圖

1.2 瀝青高溫性能評價指標

通過動態剪切流變儀DSR對瀝青進行試驗，利用試驗所得數據計算瀝青的不可恢復蠕變柔量Jnr，該指標計算公式見式(1)，其可以反映瀝青材料在不同應力水平下抵抗永久變形的能力，且其數值越小，表明瀝青高溫性能越好[2-5].

Jnr=γnr/τ

(1)

式中：γnr為峰值應變；τ為單次循環中加載的應力.

通過式(2)計算瀝青的Jnr-diff值作為不可恢復蠕變柔量應力敏感性指標，Jnr-diff值越大，表明該瀝青的應力敏感性越大，且AASHTO規范中要求Jnr-diff的值≤75%，如果計算結果超出這個范圍，表明瀝青已經達到了蠕變破壞階段[6].

(2)

式中：Jnr0.1和Jnr3.2為10個蠕變周期內瀝青的蠕變恢復率平均值.

2 原材料及試驗

2.1 試驗方案

試驗所用集料為湖北省麻城龜峰山地產花崗片麻巖，根據工程當地可選用的瀝青種類，共選取九種瀝青進行試驗，試驗方案見表1.

表1 瀝青選擇方案

2.2 原材料

2.2.1集料

試驗所取集料為湖北省麻城市龜峰山所產的花崗片麻巖集料，按照集料粒徑將集料分為4檔：16～26.5，4.75～16，2.36～4.75及0～2.36 mm.

2.2.2瀝青

依據文獻[7]對試驗所用瀝青進行相關檢測，試驗結果見表2～6.

表2 70#基質石油瀝青基本性能指標

表3 SBS改性瀝青檢測結果

表4 湖瀝青檢測結果

表5 高黏改性瀝青檢測結果

表6 摻加抗剝落劑后瀝青性能指標

2.3 瀝青高溫性能測試方法及結果

2.3.1瀝青高溫性能測試方法

首先將不同種類的改性瀝青放入旋轉薄膜烘箱進行短期老化試驗，再取老化后的瀝青殘留物作為MSCR試驗所用的樣品(見圖2)備用.

圖2 瀝青樣品

試驗所用的儀器為動態剪切流變儀，簡稱DSR，儀器的溫度控制選取58，64以及70 ℃三個溫度，選取的轉子尺寸為直徑25 mm，轉子與DSR中夾具的下平行板間隙(試驗厚度)為1 mm.

將100 Pa及3 200 Pa的應力水平下10個蠕變恢復周期內瀝青的蠕變恢復率平均值表示為R0.1，R3.2，而這10個周期內的未恢復蠕變柔量平均值為Jnr0.1和Jnr3.2，通過式(2)計算瀝青的Jnr-diff值作為不可恢復蠕變柔量應力敏感性指標.

2.3.2試驗結果及分析

根據試驗結果按公式計算后進行曲線擬合，所得試驗結果見圖3.

圖3 MSCR試驗結果

不同溫度下瀝青MSCR試驗結果見表7～9.

表7 58 ℃下瀝青MSCR試驗結果

表8 64 ℃下瀝青MSCR試驗結果

表9 70 ℃下瀝青MSCR試驗結果

由MSCR試驗結果可知，三種溫度下方案三(瀝青為湖瀝青)對應的Jnr值均為最小，高黏改性瀝青及SBS改性瀝青次之，70#基質瀝青的Jnr值最大，這也就表明湖瀝青的高溫性能最佳，70#基質瀝青高溫性能最差.

由于添加抗剝落劑后需要考慮抗剝落劑的變化情況，所以將摻加抗剝落劑的瀝青的試驗結果單獨列出，見表10～12.

表10 58 ℃下添加抗剝落劑后瀝青MSCR試驗結果

表11 64 ℃下添加抗剝落劑后瀝青MSCR試驗結果

表12 70 ℃下添加抗剝落劑后瀝青MSCR試驗結果

從試驗結果可以看出，隨著抗剝落劑摻量的增加，瀝青的不可恢復蠕變柔量Jnr不斷增加，表明瀝青的高溫性能不斷減小.而隨著溫度的升高，Jnr也不斷升高，表明瀝青的不可恢復變形量越來越大，這與工程實際相符.

3 瀝青混合料高溫性能檢驗

3.1 試驗方案

通過MSCR試驗測得瀝青的高溫性能，接下來對不同瀝青所對應的瀝青混合料進行高溫性能檢測.所用瀝青混合料級配類型為AC-20C，油石比為4.7%，集料級配曲線見圖4.

圖4 集料級配曲線

具體試驗方案見表13，控制變量為瀝青類型，試驗所用原材料、級配類型等均保持一致，對比7種方案下瀝青混合料高溫性能的差異.

表13 花崗片麻巖瀝青混合料試驗方案

3.2 高溫車轍試驗

高溫車轍試驗用來檢測瀝青混合料的高溫穩定性能[8].通過車轍儀對瀝青混合料進行試驗，通過試驗數據計算瀝青混合料的動穩定度，以此評價瀝青混合料的高溫性能.動穩定度計算為

(3)

式中：DS為混合料動穩定度，次/mm；d1，d2為對應于時間的變形量，mm；C1，C2為試件的相關系數；N為試驗輪往返碾壓速度，次/min.

將不同方案下瀝青混合料的高溫車轍試驗結果見表14.

表14 瀝青混合料高溫車轍試驗結果 次/mm

從試驗結果可以看出，各方案下瀝青混合料動穩定度均滿足規范要求，使用SBS改性瀝青、湖瀝青、高黏改性瀝青時，對應瀝青混合料高溫穩定性較好，其中，方案三(瀝青為湖瀝青)對應瀝青混合料動穩定度最高，表明其高溫性能最好.隨著70#基質瀝青中抗剝落劑摻量的增加，對應瀝青混合料動穩定度逐漸減小，高溫穩定性逐漸下降[11-14].

3.3 瀝青高溫性能與瀝青混合料高溫性能關系分析

文中針對7種瀝青進行MSCR試驗檢測其高溫性能，試驗結果表明不同方案下瀝青高溫性能強弱順序為：方案三>方案二>方案四>方案五>方案六>方案七.對7種瀝青對應瀝青混合料進行高溫車轍試驗，從試驗結果可以得出7種瀝青混合料高溫穩定性強弱與對應瀝青高溫性能保持一致.

綜上可知，瀝青高溫性能與瀝青混合料高溫性能具有良好的相關性，因此，可以根據瀝青高溫性能的優劣，準確預測瀝青混合料高溫穩定性，從而達到優選瀝青的目的.

4 結 論

1) 選用動態剪切流變儀對不同種類瀝青進行MSCR試驗，將瀝青樣品分別在0.1和3.2 MPa的應力水平下重復加載，計算得到不可恢復蠕變柔量Jnr，以此表征瀝青材料在不同應力水平下抵抗永久變形的能力.試驗結果表明，上述不同種類瀝青高溫性能的強弱順序為：湖瀝青改性瀝青>SBS改性瀝青>高黏改性瀝青>70#基質瀝青.除此之外，隨著70#基質瀝青中抗剝落劑摻量的增加，瀝青高溫性能逐漸下降，表明抗剝落劑對瀝青高溫性能不利.

2) 通過車轍試驗檢測不同瀝青對應花崗片麻巖瀝青混合料高溫穩定性，結果表明，湖瀝青對應花崗片麻巖瀝青混合料高溫性能最強，SBS改性瀝青次之，70#基質瀝青制備的花崗片麻巖瀝青混合料高溫性能最差.隨著70#基質瀝青中抗剝落劑摻量的增加，花崗片麻巖瀝青混合料高溫性能逐漸變差，表明抗剝落劑對花崗片麻巖瀝青混合料高溫性能不利.

3) 由MSCR試驗和高溫車轍試驗得出瀝青高溫性能的優劣與對應花崗片麻巖瀝青混合料性能的好壞具有良好的一致性.因此，在利用不同種類瀝青制備花崗片麻巖瀝青混合料時，可以利用瀝青的高溫性能預測瀝青混合料的高溫性能，從而減小試驗量，進而達到優選瀝青的目的.