鋼橋面鋪裝常用改性瀝青高溫性能關鍵指標分析

丁子豪, 倪富健, 李 松, 蔣繼望, 陸永強

(1.東南大學 交通學院, 江蘇 南京211189; 2.浙江嘉紹跨江大橋投資發展有限公司, 浙江 紹興 312000)

與同一地區的路面相比,鋼橋面鋪裝層高溫作用時間較長,溫度場變化更為劇烈[1],更容易出現車轍、推移和脫空等熱穩定型病害,不利于車輛舒適安全地行駛[2].隨著重載車輛的日益增多,早期橋面鋪裝工程中常用的SBS改性瀝青已經顯得力不能及.在此背景之下,越來越多的高性能改性瀝青應運而生.

南京長江二橋曾大規模使用環氧瀝青,其良好的服役狀態是國內大跨徑鋼橋面鋪裝工程的標桿[3].高彈瀝青可以適應鋼橋面變形量大的特點,疲勞性能突出[4],已被成功地應用到南京棲霞山長江大橋[5].高黏瀝青對集料具有極強的黏附性,在排水性路面中良好的使用效果迅速引起了橋面鋪裝研究人員的關注[6],并在濟南市橋面鋪裝維修工程中得到了良好的反饋[7].重載改性瀝青具有抗永久變形能力強、耐久性好等諸多優勢[8],曾被應用到滬寧高速公路鋼橋面鋪裝工程,鋪裝層通車1a后仍未出現病害[9].聚氨酯改性瀝青具有良好的高低溫性能及耐疲勞性能,可有效應對鋼橋面鋪裝工程中的病害[10].

為了評價瀝青膠結料的高溫性能,美國SHRP計劃提出瀝青車轍因子(G*/sinδ)指標,但該指標是在線性黏彈性范圍內測試得到的,與路面實際受力情況差別較大,難以真實地反映改性瀝青的高溫性能[11].研究人員發現,基于黏彈性理論的多應力蠕變恢復(MSCR)試驗,在評價改性瀝青高溫性能方面存在著顯著的優勢[12].然而,隨著改性瀝青高溫性能的增強,標準MSCR試驗在反映改性瀝青高溫性能方面也顯現出一定的局限性.針對此弊端,部分學者指出在MSCR試驗中使用較大應力得到的參數,以便更加有效地反映改性瀝青的高溫抗車轍性能[13-14].

鑒于此,本文在標準MSCR試驗的基礎上適當擴大應力施加范圍,并采用改進后的MSCR試驗,定量評價鋼橋面鋪裝常用改性瀝青的高溫黏彈性性能.此外,對不同改性瀝青及其混合料的高溫性能試驗結果進行了相關性分析,確定了能夠表征混合料高溫性能優劣的瀝青評價指標,為其在鋼橋面鋪裝領域的進一步推廣與應用奠定理論基礎.

1 試驗材料

1.1 改性瀝青

本文選取鋼橋面鋪裝工程中使用過的3種高性能改性瀝青(以下簡稱A、B、C瀝青)及SBS改性瀝青(以下簡稱D瀝青)作為研究對象.4種改性瀝青的基本技術指標見表1.

表1 改性瀝青常規性能指標

1.2 混合料

本文選用鋼橋面鋪裝磨耗層常用級配SMA-13作為瀝青混合料的級配類型,且通過僅改變瀝青膠結料的類型,來分析不同改性瀝青對其瀝青混合料高溫抗車轍性能的影響.表2給出了SMA-13瀝青混合料的設計級配,其中粗、細集料均采用玄武巖,填料使用石灰巖礦粉,且技術指標均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》.纖維為短切玄武巖纖維,其用量為瀝青混合料質量的0.3%.

表2 SMA-13瀝青混合料設計級配

不同改性瀝青混合料的最佳瀝青用量通過馬歇爾試驗來確定,A～D瀝青混合料的最佳油石比(質量分數)分別為6.0%、6.1%、6.0%、5.9%.

本次研究采用室內車轍試驗及動態蠕變試驗來評價改性瀝青混合料的高溫性能.室內車轍試驗中,根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》,碾壓成型尺寸為300mm×300mm×50mm 的混合料試件,每種改性瀝青成型3塊.動態蠕變試驗中,首先使用旋轉壓實儀成型尺寸為φ150×180mm的改性瀝青混合料,再經過鉆芯與切割得到尺寸為φ100×150mm的標準試件.

2 試驗方法

2.1 多應力蠕變恢復試驗

AASHTO TP 70《Standard method of test for multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》中的MSCR試驗使用了2級應力,分別為0.1、3.2kPa.為了更好地反映改性瀝青的非線性黏彈性能,本次研究額外增加了6.4、12.8、25.6kPa 3級應力.因此,本文使用5級應力下的MSCR試驗來定量評價不同改性瀝青的高溫性能.MSCR試驗樣本均為經過旋轉薄膜烘箱短期老化后的瀝青.

本次研究使用安東帕公司生產的MCR-102流變儀進行MSCR試驗,試驗溫度設置為64℃,每級應力進行10次加載循環,每個加載循環包括1s的加載階段及9s的卸載階段.

MSCR試驗獲得的主要評價指標包括不可恢復蠕變柔量Jnr及蠕變恢復率(R).其中,Jnr通常用來評價瀝青的高溫抗變形能力,且數值越小,高溫性能越好;R可有效反映瀝青高溫下的彈性恢復性能,一般情況下,R值越大,瀝青的彈性恢復性能越好[15].Jnr與R的計算過程如式(1)～(6)所示.

ε1=εc-ε0

(1)

ε10=εr-ε0

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ε0為每個周期蠕變階段的初始應變值,%;εc為每個周期蠕變階段的最終應變值,%;εr為每個周期恢復階段的最終應變值,%;τ為施加的剪切應力,分別為0.1、3.2、6.4、12.8、25.6kPa;N為相應的蠕變恢復周期數,每級應力下取1～10.

AASHTO規范基于Jnr和R指標的結果,同樣定義了瀝青應力敏感性指標Jnr diff和Rdiff,它反映了應力在τ1～τ2(τ1<τ2)變化過程中Jnr和R指標的變化情況.一般情況下,瀝青的Jnr diff值越大,其對應力的變化越敏感,高溫穩定性能也就越差.而Rdiff指標可以反映瀝青蠕變恢復率對應力的敏感程度,且瀝青的Rdiff值越小,其彈性恢復性能受力的變化影響就越小.Jnr diff和Rdiff指標的計算見式(7)～(8).

(7)

(8)

2.2 室內車轍試驗

室內車轍試驗參照JTG E20—2011中T0719的方法進行,試驗儀器為國產SYD-0719C-2自動車轍儀,試驗溫度為60℃.車轍試驗結束之后,可在車轍儀的數字顯示屏上直接讀取試件在45min時的車轍變形d1、60min 時的車轍變形d2以及混合料的動穩定度DS,最終取同一改性瀝青3塊車轍板試件的均值作為各參數的結果.

2.3 動態蠕變試驗

動態蠕變試驗是基于文獻[16]中的相關方法進行的,試驗裝置為UTM萬能試驗機,由加載系統、溫控系統及控制系統3個部分組成.溫控系統可保證試驗溫度控制在(60±0.5)℃范圍內.動態蠕變試驗中軸向壓力設置為700kPa,且不設圍壓,加載波形為半正弦波,加載0.1s后卸載0.9s,即1個蠕變恢復周期為1s.試驗的終止條件為豎向累計應變達到50000μm/m或者重復加載次數達到10000次.

3 改性瀝青高溫流變性能試驗結果與分析

3.1 MSCR試驗應變曲線分析

圖1為4種改性瀝青的MSCR試驗曲線圖.由圖1可見：4種改性瀝青的累計應變均隨著時間的推移呈增大趨勢,其中D瀝青的累計應變最大,B瀝青次之,A、C瀝青相對前兩者較小,且相差不大;對于0.1、3.2kPa 2級較小應力,4種改性瀝青的應變率都比較小;當施加應力為6.4kPa時,B、D瀝青的應變率開始有明顯的增長趨勢,并在25.6kPa時達到峰值;A、C瀝青在6.4、12.8kPa下的應變率仍處于較低的水平,直至25.6kPa才出現一定的增長趨勢.從累計應變的角度分析,A、C瀝青的高溫抗變形能力要明顯強于B、D瀝青,尤其是在應力較大的情況之下.

圖1 4種改性瀝青的MSCR試驗曲線Fig.1 MSCR curves of four modified asphalts

進一步,對4種改性瀝青在12.8、25.6kPa下的應變情況進行單獨分析.圖2為4種改性瀝青在12.8k、25.6kPa下的MSCR曲線.由圖2可見：當應力為12.8kPa時,A、C瀝青仍具有較強的蠕變恢復能力,B、D瀝青的蠕變恢復能力顯著降低;當應力為25.6kPa時,B、D瀝青在第1個周期的卸載階段就出現了累計應變不減反增的現象,這說明瀝青在此大應力狀態下產生了明顯的內部破壞,出現了較大的損傷累計,蠕變恢復能力基本喪失;C瀝青在第6個周期時也開始發生破壞,但其仍具備一定的蠕變恢復能力,隨著加載時間的推移,其內部損傷會不斷累積,在第10個周期的末端蠕變恢復能力已經較弱;A瀝青在25.6kPa的10個周期內一直沒有出現損傷,蠕變恢復能力仍處于較高的水準.

圖2 4種改性瀝青在12.8、25.6kPa下的MSCR曲線Fig.2 MSCR curves of four modified asphalts at 12.8, 25.6kPa

3.2 MSCR試驗指標結果分析

3.2.1不可恢復蠕變柔量

根據3.1的分析,當應力為25.6kPa時,B、C、D 3種改性瀝青均產生了不同程度的內部破壞,εr值已經不是僅依靠瀝青的彈性恢復能力而產生的累計應變,故本文不討論25.6kPa下各瀝青的Jnr及R值.

4種改性瀝青在0.1～12.8kPa下Jnr值變化情況如圖3所示.由圖3可見，在各級應力條件下,不同改性瀝青的Jnr值按照從大到小的順序為D瀝青>B瀝青>A瀝青>C瀝青.從不可恢復蠕變柔量的角度分析可知,C瀝青的高溫性能最好,A瀝青次之,然后是B瀝青,D瀝青高溫性能最差.

圖3 4種改性瀝青在不同應力下的Jnr值Fig.3 Jnr values of four modified asphalts at different stresses

3.2.2不可恢復蠕變柔量應力敏感性指標

4種改性瀝青的Jnr diff值如圖4所示.由圖4可見：A、C瀝青的Jnr diff(0.1, 3.2)及Jnr diff(0.1, 6.4)均小于0,說明A、C瀝青對較小的應力變化非常不敏感;B、D瀝青的Jnr diff(0.1, 3.2)均大于50%,Jnr diff(0.1,6.4)均大于100%,且前者要略大于后者,故B瀝青對較小的應力變化最為敏感;當施加應力在0.1～12.8kPa之間變化時,A、C瀝青的Jnr diff(0.1,12.8)值開始增大,但仍明顯小于B、D瀝青,B、D瀝青對較大的應力變化非常敏感,從而解釋了前文中提到的這2種瀝青在25.6kPa下第1個蠕變恢復周期即出現內部損壞的原因;C瀝青對較大應力的敏感程度低于B、D瀝青,但要明顯高于A瀝青,所以其在25.6kPa下的第6個周期才出現了一定的破壞;A瀝青的Jnr diff(0.1,12.8)值最小,故其對較大的應力變化敏感程度最低,保障了其能夠在25.6kPa下仍保持良好的蠕變恢復性能.

圖4 4種改性瀝青的Jnr diff值Fig.4 Jnr diff values of four modified asphalts

3.2.3蠕變恢復率

4種改性瀝青不同應力下的蠕變恢復率如圖5所示.由圖5可見：B、D瀝青的R值隨著應力的提高而顯著減小,說明其彈性恢復性能隨著應力的提高而迅速衰減;對于A、C瀝青,當應力在0.1～3.2kPa 之間變化時,其R值反而呈增大趨勢,這是由于較小的應力還沒有達到它們內部改性劑的最佳工作狀態,隨著應力的提高,改性劑的潛能才被逐漸激發,改性瀝青的彈性性能因此會有所提高;當應力大于3.2kPa時,A、C瀝青的彈性性能也開始隨著應力的變大而逐漸降低.顯然,若MSCR試驗中應力水平過低,部分改性瀝青的黏彈性性能就不能被較好地表征.綜上,C瀝青在0.1～12.8kPa之間的彈性恢復性能最佳,A瀝青次之,B瀝青在較大應力狀態下弱于A瀝青,而D瀝青的彈性恢復性能最差.

圖5 4種改性瀝青在不同應力下的R值Fig.5 R values of four modified asphalts at different stresses

3.2.4蠕變恢復率應力敏感性指標

圖6為4種改性瀝青蠕變恢復率應力敏感性指標Rdiff的計算結果.由圖6可見：A、C瀝青的Rdiff(0.1,3.2)及Rdiff(0.1,6.4)均小于0,這與3.2.3提到的改性劑尚未達到最佳工作狀態有關.B、D瀝青的Rdiff(0.1,3.2)及Rdiff(0.1,6.4)均大于0,且D瀝青的值要明顯大于B瀝青,這表明較小的應力變化就會引起D瀝青彈性性能的降低;當應力在0.1～12.8kPa之間變化時,A、C瀝青的Rdiff(0.1,12.8)值要遠遠小于B、D瀝青,這表明較大的應力變化對A、C瀝青彈性性能的衰減影響較小;D瀝青的Rdiff值要明顯大于其余3種改性瀝青,這表明D瀝青的彈性性能對應力的變化最為敏感,更容易在應力增大的過程中失去其彈性恢復性能.

圖6 4種改性瀝青的Rdiff值Fig.6 Rdiff values of four modified asphalts

4 改性瀝青混合料高溫性能試驗結果與分析

4.1 車轍試驗

4種改性瀝青混合料車轍試驗結果見表3.由表3可見：A瀝青混合料60min時的總變形量最小,C瀝青混合料略大于A瀝青混合料,D、B瀝青混合料的總變形量明顯大于前兩者,且B瀝青混合料的變形量最大;在動穩定度方面,A瀝青混合料最大,C瀝青混合料略小于A瀝青,D瀝青混合料位列第3,而B瀝青混合料的動穩定度最小.根據車轍試驗的結果可知,4種改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能強弱順序為：A瀝青混合料>C瀝青混合料>D瀝青混合料>B瀝青混合料.

表3 車轍試驗結果

4.2 動態蠕變試驗

瀝青混合料的典型動態蠕變試驗由初始階段、第2階段及第3階段組成.4種改性瀝青混合料的動態蠕變曲線見圖7.由圖7可見：B、D瀝青混合料已經進入到第3階段,D瀝青混合料豎向累計變形達到50000μm/m時的加載次數要明顯小于B瀝青混合料;A、C瀝青混合料仍穩定處于第2階段,相同時間內A瀝青混合料的豎向累計變形更小.

圖7 4種改性瀝青混合料的蠕變曲線Fig.7 Creep curves of dynamic creep test of four modified asphalt mixtures

對蠕變曲線作進一步的分析,使用相關方法確定初始階段與第2階段的臨界點及流變次數[17],并對初始階段和第2階段的曲線進行了函數擬合,結果見表4.相關研究表明,瀝青混合料蠕變試驗第2階段曲線的斜率(第2階段的應變率)及流變次數指標可以較好地評價瀝青混合料的高溫穩定性能[18].一般情況下,瀝青混合料第2階段的應變率越小,流動次數越大,其高溫穩定性能就越強.根據表4第2階段的應變率及流變次數2項指標,可以得到4種改性瀝青混合料高溫抗永久變形能力的強弱順序為：A瀝青混合料>C瀝青混合料>B瀝青混合料>D瀝青混合料.

表4 4種改性瀝青混合料動態蠕變曲線的相關參數

5 改性瀝青及其混合料高溫性能評價指標相關性分析

為了研究改性瀝青對瀝青混合料高溫性能的影響,進一步對改性瀝青高溫性能評價指標與混合料高溫性能評價指標之間的相關性進行了分析.對于瀝青膠結料,選取MSCR試驗中可以直接反映瀝青高溫性能的Jnr及R;對于瀝青混合料,選取室內車轍試驗得到的動穩定度指標及動態蠕變試驗得到的第2階段應變率指標.

5.1 Jnr指標與瀝青混合料高溫性能評價指標相關性分析

圖8為改性瀝青混合料高溫性能評價指標與Jnr指標擬合曲線.由圖8可見：Jnr與動穩定度之間的回歸曲線呈單調遞減,表明隨著改性瀝青Jnr的提高,其混合料的動穩定度有減小的趨勢,混合料的抗車轍性能會逐步降低;而Jnr與第2階段應變率之間存在較好的單調遞增線性關系,也就是說,改性瀝青Jnr值越大,其混合料動態蠕變試驗第2階段的應變率就越大,混合料會更快地進入到蠕變第3階段,最終發生流動破壞;與動穩定度指標相比,第2階段應變率指標與Jnr之間的相關系數更大,4個加載應力下R2均大于0.85,表明第2階段應變率與Jnr之間的相關性較好.

圖8 改性瀝青混合料高溫性能評價指標與Jnr指標擬合曲線Fig.8 Fitting curves of high-temperature evaluation parameters of modified asphalt mixtures and Jnr of modified asphalts

5.2 R指標與瀝青混合料高溫性能評價指標相關性分析

圖9為改性瀝青混合料高溫性能評價指標與R指標擬合曲線.由圖9可見：當應力為0.1kPa時,R與動穩定度及第2階段應變率之間的相關性均較差,R2分別僅為0.1346與0.5768,這表明改性瀝青在0.1kPa下的蠕變恢復能力難以真實反映其混合料的高溫性能;隨著應力水平的提高,R與第2階段應變率之間的相關系數明顯增大,介于0.93～0.95之間,表明兩者之間具有良好的相關性;R與第2階段應變率之間的擬合函數均為單調遞減函數.因此,隨著改性瀝青高溫下彈性恢復性能的增強,其混合料蠕變試驗第2階段的應變率就會越小,混合料的高溫抗永久變形能力也就越強.

圖9 改性瀝青混合料高溫性能評價指標與R指標擬合曲線Fig.9 Fitting curves of high-temperature evaluation parameters of modified asphalt mixtures and R of modified asphalts

綜合上述相關性分析結果,可以得出以下結論：Jnr及R指標與動態蠕變試驗第2階段應變率之間的相關性要優于動穩定度.因此,動態加載下的蠕變試驗要比室內車轍試驗更能體現改性瀝青的高溫黏彈性性能.此外,當應力為0.1kPa時,Jnr及R指標與混合料高溫性能評價指標之間的相關性均較差,故使用較大應力下MSCR試驗的結果評價瀝青混合料的高溫性能更為可靠.

6 結論

(1)MSCR試驗中,3種高性能改性瀝青的累計應變均小于普通SBS改性瀝青;當應力在0.1～12.8kPa范圍內時,Jnr值大小順序為：D瀝青>B瀝青>A瀝青>C瀝青;A、C瀝青的R值要遠大于B、D瀝青;A瀝青的Jnr值對較大的應力變化最不敏感,D瀝青的蠕變恢復率應力敏感程度最高.

(2)室內車轍試驗中,A、C瀝青混合料的抗車轍性能明顯優于D瀝青混合料,B瀝青混合料要略差;動態蠕變試驗中,A、B、C瀝青混合料的抗永久變形能力均要優于D瀝青混合料.

(3)相較于室內車轍試驗,混合料動態蠕變試驗的結果與改性瀝青的Jnr、R值之間的相關性更好,使用應力為3.2、6.4、12.8kPa下的Jnr、R值來評價改性瀝青混合料的高溫性能更為合理.

(4)根據瀝青及瀝青混合料高溫性能試驗結果,A、C瀝青的高溫性能要明顯優于B、D瀝青.因此,在重載交通較多的鋼橋面上,為了減少高溫車轍病害,將A、C瀝青作為鋪裝結構磨耗層的膠結料具有更為顯著的優勢.