高模量瀝青高溫流變性能的研究

王素青

（山西省交通運(yùn)輸安全應(yīng)急保障技術(shù)中心（有限公司），山西太原 030006）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，公路交通量迅速增長(zhǎng)，交通重載問(wèn)題也日益突出。在高溫重載的耦合作用下，瀝青路面的車轍病害也愈加嚴(yán)重。針對(duì)高溫重載條件下引發(fā)的路面車轍問(wèn)題，現(xiàn)已從路面材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面提出多種處治措施。其中，高模量瀝青材料以其優(yōu)良的抗高溫變形能力，在防治瀝青路面車轍病害方面得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

現(xiàn)階段，常用的3 種高模量實(shí)現(xiàn)方式分別為：直接采用硬質(zhì)瀝青；利用天然瀝青改性；聚合物改性劑改性。其中高模量改性劑由于改性效果好、工藝簡(jiǎn)單而得到了廣泛的應(yīng)用。高模量瀝青通過(guò)改善瀝青材料的高溫性能指標(biāo)來(lái)提高路面結(jié)構(gòu)的抗車轍能力，因此，對(duì)其高溫性能指標(biāo)的研究評(píng)價(jià)尤為重要。目前，我國(guó)評(píng)價(jià)瀝青材料的高溫性能以針入度、軟化點(diǎn)指標(biāo)為主，無(wú)法全面精確地表征高模量瀝青材料的黏彈性特征。因此本文以兩種常用的改性劑制備高模量瀝青，通過(guò)DSR 和MSCR 試驗(yàn)，以復(fù)數(shù)模量、車轍因子、蠕變恢復(fù)率R、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr及應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)高模量瀝青的流變特性及蠕變指標(biāo)展開(kāi)分析研究。

1 原材料性能

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青選取A級(jí)70號(hào)道路石油，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 高模量劑

為制備合格的高模量瀝青，本文采用兩種市面上常見(jiàn)的改性劑PRM 和XT 系列改性劑。根據(jù)相關(guān)資料，PRM 推薦摻量約為7.5%～20%（以瀝青質(zhì)量為基數(shù)），XT-2 摻量約為5%～15%。技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 改性劑技術(shù)指標(biāo)

1.3 制備工藝

將基質(zhì)瀝青加熱升溫至160 ℃，緩慢摻入1∕2 高模量劑，邊攪拌邊加熱，當(dāng)溫度升至170～180 ℃時(shí)摻入剩余高模量劑，攪拌均勻并剪切1 h。

2 流變性能指標(biāo)研究

本文試驗(yàn)儀器選用SmartPave102 型動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）。在一定溫度條件下，將樣品置于上下板之間，測(cè)試時(shí)控制應(yīng)力或應(yīng)變水平，并控制馬達(dá)以一定的速度旋轉(zhuǎn)（剪切速率）或是一定的幅度擺動(dòng)，測(cè)出所需要的扭矩，進(jìn)而得到樣品的剪切模量或其他指標(biāo)。為保證材料處于線性黏彈區(qū)，在選定的試驗(yàn)溫度和荷載頻率條件下，該試驗(yàn)將應(yīng)變水平控制在0.1%。

2.1 高模量瀝青的復(fù)數(shù)模量研究

研究表明，改性瀝青60 ℃復(fù)數(shù)剪切模量指標(biāo)與混合料的模量指標(biāo)相關(guān)性較好[2-3]，因此本文將60 ℃（10 rad∕s，12%）復(fù)數(shù)剪切模量作為評(píng)價(jià)高模量瀝青流變特性的指標(biāo)之一。通過(guò)DSR 試驗(yàn)，對(duì)比不同改性劑摻量對(duì)60 ℃復(fù)數(shù)剪切模量的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

圖1 復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖1 可知，60 ℃復(fù)數(shù)剪切模量指標(biāo)隨高模量劑摻量的增加而增大，這可能是由于高模量劑的摻入在瀝青材料中形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了其彈性變形能力。

根據(jù)美國(guó)SHRP 評(píng)價(jià)方法，只有當(dāng)60 ℃（10 rad∕s，12%）復(fù)數(shù)模量不小于10 kPa 才可稱為高模量瀝青，因此要求兩種高模量劑的摻量均需達(dá)到7.5%及以上。同時(shí)，從復(fù)數(shù)模量指標(biāo)來(lái)看，國(guó)產(chǎn)高模量改性劑XT-2的改性效果要優(yōu)于PRM。

2.2 高模量瀝青的車轍因子研究

本文提出以高模量瀝青材料來(lái)應(yīng)對(duì)高溫重載條件下導(dǎo)致的車轍問(wèn)題，故選取76 ℃、5 Hz 條件下的車轍因子[4]作為評(píng)定其在高溫重載情況下抗車轍能力的技術(shù)指標(biāo)，車轍因子試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 76 ℃車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

由圖2 可知，76 ℃車轍因子指標(biāo)的變化趨勢(shì)同復(fù)數(shù)模量指標(biāo)相似，與改性劑摻量呈正相關(guān)關(guān)系，高溫抗車轍能力隨之改善增強(qiáng)。在76 ℃、5 Hz 模擬高溫重載的試驗(yàn)條件下，2.5%PRM 和2.5%XT-2 改性瀝青的車轍因子指標(biāo)分別為2.62 kPa 和2.92 kPa，均超過(guò)了規(guī)范1.0 kPa 的要求。

3 蠕變特性研究

所謂的車轍病害，即為由于重復(fù)的行車荷載作用而導(dǎo)致的不可恢復(fù)變形逐步累積的一個(gè)結(jié)果。同時(shí)，也有研究認(rèn)為，車轍因子指標(biāo)與實(shí)際道路的抗車轍變形能力的相關(guān)性不好[5]，而重復(fù)蠕變累積變形能夠更好地反映瀝青材料的高溫失效特性。因此，本文通過(guò)MSCR 試驗(yàn)，在不同的溫度及應(yīng)力條件下，對(duì)高模量瀝青的蠕變性能指標(biāo)展開(kāi)試驗(yàn)研究。

3.1 蠕變恢復(fù)率R

蠕變恢復(fù)率R值越大，材料的彈性變形性能越好，抗永久變形能力也就越好，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 蠕變恢復(fù)率R試驗(yàn)結(jié)果

由圖3 可知，高模量瀝青的蠕變恢復(fù)率指標(biāo)R隨著改性劑摻量的增加也在逐步增大，延遲彈性恢復(fù)性能變好。摻量達(dá)到10%以后，指標(biāo)的增長(zhǎng)速度加快，改性效果也就愈加顯著。對(duì)比不同溫度條件下的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度升高，R值減小，表明高溫條件對(duì)導(dǎo)致瀝青材料的彈性恢復(fù)能力變差；溫度一定，應(yīng)力增大時(shí)，R值減小，表明重載也不利于瀝青的彈性恢復(fù)能力；在76 ℃，3.2 kPa 試驗(yàn)條件下，低摻量改性瀝青的蠕變恢復(fù)率已經(jīng)為0，此時(shí)改性瀝青結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞，不再具有彈性恢復(fù)能力。

3.2 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

永久變形量更多地依賴于不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐礫6]，因此不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr越小，瀝青材料抗高溫越好，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 指標(biāo)Jnr試驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知，高模量劑摻量的增加會(huì)使高模量瀝青的Jnr指標(biāo)逐漸減小，永久變形量越小，即高溫性能也越好。試驗(yàn)中使用的兩種高模量劑均為PE 類改性劑，這類該改性劑通常是以在瀝青材料中形成的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)改善高溫性能的[7]，在一定程度下，改性劑的摻量增加，交聯(lián)固化效果也就越好，抗永久變形的能力也就越好。

3.3 應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff

Jnr-diff指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

圖5 指標(biāo)Jnr-diff試驗(yàn)結(jié)果

由圖5 分析可知，溫度一定時(shí)，改性劑摻量增加，Jnr-diff也隨之增大，高模量改性瀝青的應(yīng)力敏感性增大。溫度升高，Jnr-diff指標(biāo)減小，說(shuō)明溫度升高會(huì)使高模量瀝青材料的應(yīng)力敏感性增大。同時(shí)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，76 ℃試驗(yàn)下，12.5%摻量的高模量改性瀝青的Jnr-diff增大到1 000%以上，說(shuō)明材料此時(shí)很可能已經(jīng)進(jìn)入了蠕變破壞階段。

4 結(jié)論

a）高模量瀝青的60 ℃復(fù)數(shù)模量和76 ℃車轍因子指標(biāo)均隨著改性劑摻量的增加而提高；同時(shí)，在76 ℃、5 Hz 高溫重載條件下，2.5%的高模量劑即可實(shí)現(xiàn)較為理想的車轍因子指標(biāo)。

b）針對(duì)蠕變特性指標(biāo)，高模量劑摻量的增加會(huì)使R值和Jnr-diff增大、Jnr減小，即高模量瀝青的抗永久變形能力增強(qiáng)，但應(yīng)力敏感性也隨之變差。高溫條件下，改性劑摻量過(guò)高甚至?xí)?dǎo)致瀝青材料直接蠕變破壞。