呂天華,章 毅

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

布敦巖瀝青改性瀝青高溫動(dòng)態(tài)流變性能研究

呂天華,章 毅

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)布敦巖瀝青(BRA)改性瀝青高溫動(dòng)態(tài)流變性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,BR A改性瀝青的溫度敏感性隨巖瀝青摻量的增加而降低;巖瀝青摻量達(dá)到20%時(shí),BRA改性瀝青的PG分級(jí)要高于基質(zhì)瀝青一個(gè)溫度等級(jí);摻量達(dá)到40%時(shí),BRA改性瀝青的車轍因子接近于SBS改性瀝青;車轍試驗(yàn)結(jié)果與車轍因子關(guān)系表明巖瀝青摻量的增多提高了瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度,車轍因子適用于評(píng)價(jià)BRA改性瀝青的高溫性能。

道路工程;BRA改性瀝青;高溫流變特性;DSR;PG分級(jí)

布敦巖瀝青(BRA:Buton Rock Asphalt)源自印度尼西亞布敦島海底的瀝青礦,是一種經(jīng)萬年沉積而成的天然礦物,其瀝青含量在20%左右,其余為石灰?guī)r類礦物質(zhì)。研究表明,布敦巖瀝青中的礦物質(zhì)吸收瀝青的能力很強(qiáng),能夠加強(qiáng)瀝青與礦料的粘附作用,提高混合料的抗車轍、水穩(wěn)定和抗老化性能,而且施工工藝簡便,在國內(nèi)外許多工程中得到應(yīng)用[1-5]。我國已將天然巖瀝青作為一種特殊的改性瀝青納入規(guī)范,但仍沒有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及混合料的設(shè)計(jì)要求,對(duì)巖瀝青改性效果的評(píng)價(jià),尚未建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。為此,本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)BRA改性瀝青高溫動(dòng)態(tài)流變性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,通過對(duì)試驗(yàn)中幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的分析以評(píng)價(jià)不同摻量下BRA改性瀝青的高溫動(dòng)態(tài)流變性能,可為BRA改性瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 原材料

1.1 試驗(yàn)原材料

原材料采用上海建設(shè)機(jī)場(chǎng)道路工程有限公司提供的70#基質(zhì)瀝青和布敦巖瀝青,布敦巖瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 布敦巖瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 BRA改性瀝青試樣的制備

BRA改性瀝青的制備選用4個(gè)摻量:10%,20%,30%,40%(巖瀝青相對(duì)于基質(zhì)瀝青的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)),采用高速剪切攪拌機(jī)在175℃恒溫下30 min剪切攪拌而成。測(cè)定基質(zhì)瀝青和各個(gè)摻量下BRA改性瀝青的三大指標(biāo),結(jié)果如表2所示。

表2 BRA改性瀝青的基本指標(biāo)

由表2可見,隨著巖瀝青摻量的逐漸增大,25℃針入度逐漸變小,軟化點(diǎn)增大,5℃和15℃的延度皆逐漸變小。BRA改性瀝青的PI值呈線性上升趨勢(shì),巖瀝青摻量每增加10%,針入度指數(shù)提高0.15左右。這是由于布敦巖瀝青的瀝青質(zhì)含量很高,為普通石油瀝青的5～10倍[2],隨著巖瀝青摻量的增大,瀝青質(zhì)含量明顯增多,從而使得改性后瀝青膠團(tuán)的極性增強(qiáng),使膠體結(jié)構(gòu)由溶膠型逐步向溶-凝膠型和凝膠型轉(zhuǎn)變,瀝青結(jié)合料變稠變硬。

2 高溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式,應(yīng)變值為12%,角速度為10 rad?s-1,試驗(yàn)方法按AASHTO T315要求進(jìn)行。在不同溫度下,分別測(cè)定基質(zhì)瀝青和BRA改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量、相位角和車轍因子。

2.1 復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS

復(fù)數(shù)剪切模量G*表征了材料重復(fù)剪切變形時(shí)的總阻力,為剪應(yīng)力和剪應(yīng)變最值之比,它包括彈性(可恢復(fù))部分和粘性(不可恢復(fù))部分。不同摻量的BRA改性瀝青在各測(cè)試溫度下的G*值如表3所示。

表3 BRA改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G* kPa

由于針入度評(píng)價(jià)體系描述瀝青性能的適用溫度范圍較窄,不適于改性瀝青,而G*是對(duì)瀝青本身動(dòng)力彈性模量和損失模量的定量描述,可忽略瀝青改性與否而對(duì)所有的膠結(jié)料進(jìn)行統(tǒng)一的評(píng)價(jià),采用復(fù)數(shù)模量G*回歸得到的復(fù)數(shù)模量指數(shù) GTS與針入度指數(shù)相比,在描述瀝青感溫性能的科學(xué)性和可靠性上有一定的優(yōu)勢(shì)[3]。

取溫度的對(duì)數(shù)作為橫坐標(biāo)(以絕對(duì)溫度表示),復(fù)數(shù)剪切模量G*的雙對(duì)數(shù)作為縱坐標(biāo)作出關(guān)系圖1,可以看出具有很好的線性關(guān)系,即公式(2.1),并且得到不同摻量下BRA改性瀝青的GTS值,見表4。

式中:G*—復(fù)數(shù)模量,Pa;

T—測(cè)試溫度,K(以絕對(duì)溫度表示);

C—常數(shù);

GTS—復(fù)數(shù)模量指數(shù),表示瀝青在高、中溫區(qū)的感溫性。

圖1 lgG*與溫度的關(guān)系曲線

表4 BR A改性瀝青的GTS值

由圖1和表4可以看出,GTS值都為負(fù)數(shù),隨著BRA摻量的增加而變大,GTS的絕對(duì)值逐漸減小,當(dāng)摻量由0%增加至4%時(shí),GTS減小約10%,這表明隨著BRA摻量的增加,復(fù)數(shù)剪切模量受溫度影響的變化趨勢(shì)減小,BRA改性瀝青的溫度敏感性逐漸降低。

2.2 相位角

相位角 δ是應(yīng)力應(yīng)變之間的時(shí)間滯后,是材料彈性與粘性成分比例的指標(biāo)。相位角越大,對(duì)應(yīng)的材料粘性成分就越大,越易產(chǎn)生永久性變形。圖2為各巖瀝青摻量下BRA改性瀝青相位角與溫度的關(guān)系曲線。

由圖2可見,同一測(cè)試溫度下,相位角 δ隨著巖瀝青摻量的增大而逐漸減小,意味著巖瀝青的摻入改善了瀝青膠漿的彈性性能,摻量越多,相同的荷載作用下瀝青可恢復(fù)變形的比例也要增多[6],表明BRA改性瀝青抗剪切變形能力的增強(qiáng);同一摻量下,溫度越高,δ值越大,當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到82℃高溫的時(shí)候,基質(zhì)瀝青和BMA改性瀝青的相位角都接近于90°,即此時(shí)的瀝青膠漿已經(jīng)基本喪失了彈性恢復(fù)的能力。

2.3 車轍因子

復(fù)數(shù)剪切模量G*的倒數(shù)稱為復(fù)數(shù)剪切柔量J*,J*的虛數(shù)部分稱為損失剪切柔量,剪切損失柔量的倒數(shù)即為車轍因子G*/sin δ,車轍因子越大,表示剪切損失柔量越小,即材料由于能量耗散產(chǎn)生的永久變形越小,故SHRP規(guī)范將其定義為車轍因子,作為反映瀝青結(jié)合料的永久變形能力即高溫性能的指標(biāo)。圖3為各摻量下BRA改性瀝青的車轍因子隨溫度變化的關(guān)系曲線。用車轍因子G*/sin δ對(duì)不同摻量BRA改性瀝青的高溫PG分級(jí)結(jié)果見表5。

圖2 相位角δ與溫度的關(guān)系曲線

圖3 車轍因子 G*/sin δ與溫度的關(guān)系曲線

由圖3可見,在同一摻量下,BRA改性瀝青的車轍因子G*/sin δ隨著溫度的升高而減小,這是因?yàn)闇囟仍礁?瀝青由彈性向粘性轉(zhuǎn)化的部分越多。同一測(cè)試溫度下,BRA改性瀝青的車轍因子G*/sin δ均隨著BRA的摻量的增大而增大,表明BRA改性瀝青的高溫性能隨著巖瀝青摻量的增加而提高。布敦巖瀝青中含有74%的礦物質(zhì),礦物質(zhì)的硬度很大,當(dāng)摻入到基質(zhì)瀝青后,就會(huì)提高基質(zhì)瀝青的硬度。硬度越大的瀝青,高溫時(shí)由彈性轉(zhuǎn)化為粘性的部分越少,從而瀝青的高溫抗剪切變形能力越強(qiáng)。因此,經(jīng)過巖瀝青改性后的基質(zhì)瀝青的高溫性能得到明顯改善,且摻量越多高溫性能越好。

表5 不同摻量BRA改性瀝青的PG分級(jí)

由表5可見,當(dāng)巖瀝青的摻量在20%以上時(shí),BRA改性瀝青的PG分級(jí)要高于基質(zhì)瀝青一個(gè)溫度等級(jí),由于SHRP高溫分級(jí)區(qū)間較大,因此出現(xiàn)20%,30%,40%三個(gè)摻量在同一等級(jí)上的結(jié)果。但是從表6中依然可以看出,巖瀝青摻量越大,臨界溫度越高,充分反映了巖瀝青改性瀝青的高溫性能隨著BRA摻量的增加而提高的特征。

BRA改性瀝青與SBS改性瀝青車轍因子的比較如圖4所示,當(dāng)巖瀝青的摻量達(dá)到40%時(shí),BRA改性瀝青的車轍因子接近于SBS改性瀝青的車轍因子。

圖4 BRA改性瀝青與SBS改性瀝青車轍因子的比較

3 車轍試驗(yàn)

采用AC-20和SMA-13兩種級(jí)配,對(duì)不同巖瀝青摻量下的瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn),結(jié)果如表6所示。

表6 60℃動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見,隨著巖瀝青摻量的增加,BRA改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸提高,摻量為40%時(shí)AC-20和SMA-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為未摻加巖瀝青時(shí)的1.59倍和1.68倍。這是因?yàn)椴碱D巖瀝青中所含瀝青的分子量高達(dá)9 000,而普通道路石油瀝青的分子量僅為3 000,巨大的分子量使得巖瀝青的內(nèi)聚力增大。將BRA加入到普通道路石油瀝青中時(shí),在高溫及小分子作用下,BRA大分子膠束破裂,使其表現(xiàn)出許多活性點(diǎn),這些活性點(diǎn)迅速與小分子結(jié)合形成半聚合作用[4],最終形成以BRA大膠束分子為中心,普通瀝青小分子填充包圍的新結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)的表面電荷密度較低,使得改性瀝青與礦物顆粒表面的吸附力增強(qiáng)[5],故而能夠提高瀝青混合料的高溫抗剪切變形能力。圖5為60℃時(shí)BRA改性瀝青的車轍因子與兩種瀝青混合料(AC和SMA)動(dòng)穩(wěn)定度的回歸關(guān)系,可見車轍因子與動(dòng)穩(wěn)定度呈良好的線性正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.745和0.824,說明車轍因子適用于評(píng)價(jià)BRA改性瀝青的高溫性能。

總體來說,由于巖瀝青是一種感溫性低的硬質(zhì)瀝青,在溶入基質(zhì)瀝青后,將降低基質(zhì)瀝青的感溫性,使原瀝青變硬且高溫時(shí)的彈性比例增多,這些因素造成BRA改性瀝青在高溫條件下具有更好的粘結(jié)性,提高了瀝青混合料的抗剪切變形能力,達(dá)到改善混合料高溫性能的目的。

圖5 60℃車轍因子與動(dòng)穩(wěn)定度回歸關(guān)系

4 結(jié)語

(1)復(fù)數(shù)剪切模量測(cè)試結(jié)果表明,隨著布敦巖瀝青摻量增加,復(fù)數(shù)模量指數(shù)絕對(duì)值減小,BRA改性瀝青的溫度敏感性降低。

(2)車轍因子指標(biāo)顯示,當(dāng)巖瀝青的摻量達(dá)到20%時(shí),BRA改性瀝青的PG分級(jí)要高于基質(zhì)瀝青一個(gè)溫度等級(jí);摻量達(dá)到40%時(shí),BRA改性瀝青的車轍因子接近于SBS改性瀝青。

(3)車轍試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著巖瀝青摻量的增多,BRA改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大,高溫性能得到明顯改善。

(4)BRA改性瀝青車轍因子與BRA改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度呈線性正相關(guān),表明車轍因子適用于評(píng)價(jià)BRA改性瀝青的高溫性能。

[1]王瑋.BRA改性瀝青及其混合料性能研究[D].長沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[2]劉樹堂,楊永順,等.布敦巖瀝青改性瀝青混合料試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,35(3):351-355.

[3]鐘科.巖瀝青路用性能研究[D].交通部公路科學(xué)研究院:道路與鐵道工程,2006.

[4]杜群樂,王慶凱,王國清.布敦巖改性瀝青路用性能評(píng)價(jià)的研究[J].公路,2005(8):133-135.

[5]鄧鵬飛.布敦巖瀝青性能研究[D].北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[6]鐘科,曹東偉,劉清泉.巖瀝青改性瀝青膠結(jié)料流變特性研究[J].公路交通科技,2007,24(7):15-19.

(責(zé)任編輯 王全金)

Numerical Analysis on the Influence of Filling Speed on the Soft Soil Embankment Distortion

Zuo Wei,Tu Wenjing
(Institute of Road Bridge and Geotechnical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Based on plaxis software,FEM model for new building Peng-hu highway K41+200 soft soil subgrade is established.Through analyzing stability and deformation of the case in the condition of different filling speed and intervals,the paper shows the settlement changes before and after construction,and compares the settlement changes with different filling speed to verify the influence of filling speed on the quality of embankment construction.

filling speed;soft soil embankment;quality of construction;stability;settlement and distortion

U414

A

1005-0523(2010)04-0013-05

2010-04-18

呂天華(1985-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榈缆放c鐵道工程。