吳源鋒 廖 軍 黃晚清 馮文凱 曹明明

(榮縣交通運(yùn)輸局1) 榮縣 643100) (成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院2) 成都 610059) (四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院3) 成都 610041)

0 引 言

近些年來(lái)許多學(xué)者對(duì)瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了深入的研究.熊劍平等[1]對(duì)瀝青抗車(chē)轍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)選，發(fā)現(xiàn)針入度、軟化點(diǎn)，以及車(chē)轍因子不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)Rubber，PE，SBS改性瀝青的抗車(chē)轍性能，建議采用平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr作為瀝青抗車(chē)轍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).黃衛(wèi)東等[2]對(duì)不同類(lèi)型的SBS改性瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)Jnr0.1和Shenoy不可恢復(fù)柔量在SBS改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)上均優(yōu)于車(chē)轍因子.劉紅瑛等[3]對(duì)多聚磷酸改性瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，軟化點(diǎn)和累積應(yīng)變可以用于評(píng)價(jià)不同類(lèi)型瀝青的高溫性能.樊向陽(yáng)等[4]對(duì)抗車(chē)轍劑改性瀝青的高溫性能的諸多評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Jnr0.1，Jnr3.2可以較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)抗車(chē)轍劑改性瀝青的高溫性能.目前對(duì)天然巖瀝青研究較多的是其對(duì)基質(zhì)瀝青的改性機(jī)理及其混合料的路用性能.陸兆峰等[5]研究了天然巖瀝青改性基質(zhì)瀝青的內(nèi)在機(jī)理，結(jié)果表明巖瀝青的摻入改變了基質(zhì)瀝青原有的瀝青組分.黃文通等[6]研究了北美巖瀝青改性基質(zhì)瀝青的機(jī)理，結(jié)果表明北美巖瀝青能有效增強(qiáng)瀝青內(nèi)部分子之間的作用力，顯著增強(qiáng)瀝青的抗老化性能、高溫抗車(chē)轍性能.羅東等[7]研究純凈巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青老化性能及疲勞性能的影響，結(jié)果表明，巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青抗老化性能和疲勞性能有顯著的改善，但對(duì)基質(zhì)瀝青的低溫性能造成不利影響，建議純凈巖瀝青摻量為15%.曾夢(mèng)瀾等[8]對(duì)歐洲巖瀝青改性瀝青混合料路用性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)歐洲巖瀝青顯著增強(qiáng)了瀝青混合料的抗水損害能力及高溫抗車(chē)轍性能，但同時(shí)降低了瀝青混合料的低溫抗裂性能.

目前對(duì)布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究較少，文中將對(duì)瀝青諸多高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以?xún)?yōu)選出能較為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)BRA改性瀝青高溫性能的指標(biāo).

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選用印尼布敦巖瀝青(buton rock asphalt，BRA)，基質(zhì)瀝青為70#A級(jí)道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～2.

表1 布敦巖瀝青技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試結(jié)果

表2 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試結(jié)果

1.2 BRA改性瀝青的制備

選取BRA和70#基質(zhì)瀝青在實(shí)驗(yàn)室制備BRA摻量不同的改性瀝青，其中布敦巖瀝青的摻量(布敦巖瀝青與70#基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比)分別為0.0%，10.0%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%.BRA改性瀝青的制備方法如下：將70#基質(zhì)瀝青放入烘箱中加熱至180 ℃，按照設(shè)計(jì)比例稱(chēng)取一定質(zhì)量的布敦巖瀝青，加入到70#基質(zhì)瀝青中并用玻璃棒攪拌均勻，采用轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的剪切機(jī)剪切、擠壓30 min，剪切過(guò)程中保證瀝青溫度維持在180 ℃[9].

1.3 瀝青結(jié)合料試驗(yàn)方法

BRA能夠增大基質(zhì)瀝青的黏度，從而增強(qiáng)瀝青的高溫抗變形能力，與SBS聚合物對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能的改性機(jī)理有較大區(qū)別.因此為研究瀝青各高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)BRA改性瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)效果，對(duì)BRA摻量不同的改性瀝青進(jìn)行高溫性能常規(guī)試驗(yàn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)、常規(guī)震蕩剪切試驗(yàn)(DSR)和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR).

采用上海某公司生產(chǎn)的SYD-2806G型全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀和SYD-2801I型針入度試驗(yàn)儀對(duì)BRA摻量不同的原樣改性瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)和針入度試驗(yàn)，其中針入度試驗(yàn)獲取溫度分別15,25,30 ℃的針入度值，以計(jì)算出各摻量BRA改性瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)[10].采用美國(guó)博勒飛DV-II+Pro型黏度計(jì)對(duì)BRA摻量不同的原樣改性瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為135 ℃.以上試驗(yàn)詳細(xì)的步驟及要求見(jiàn)JTG E20—2011.

采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的型號(hào)為AR1500ex的動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)瀝青進(jìn)行常規(guī)震蕩剪切試驗(yàn)(DSR)和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)，試驗(yàn)樣品均為RTFOT老化后BRA改性瀝青殘留物，震蕩剪切試驗(yàn)溫度為60 ℃，角頻率為10 rad/s，在應(yīng)變控制模式下進(jìn)行. MSCR試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度同樣設(shè)定為60 ℃，選取25 mm轉(zhuǎn)子，間隙設(shè)置為1 mm，在應(yīng)力控制模式下進(jìn)行，先后分別在0.1,3.2 kPa剪切應(yīng)力水平下加載1 s，卸載9 s，兩個(gè)步驟之間不發(fā)生間歇，不同的是在0.1 kPa的剪切應(yīng)力水平下重復(fù)進(jìn)行20個(gè)周期，3.2 kPa的剪切應(yīng)力水平下重復(fù)進(jìn)行10個(gè)周期，整個(gè)試驗(yàn)共耗時(shí)300 s[11-12].繪出累計(jì)應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系曲線，圖1為一個(gè)蠕變恢復(fù)周期內(nèi)的應(yīng)變圖.每個(gè)周期內(nèi)的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繛?/p>

Jnr=εu/σ

式中：εμ為未恢復(fù)的應(yīng)變；σ為應(yīng)力.

圖1 一個(gè)蠕變回復(fù)周期內(nèi)的應(yīng)變圖

1.4 瀝青混合料試驗(yàn)方法

對(duì)BRA摻量不同的改性瀝青混合料進(jìn)行了60 ℃車(chē)轍試驗(yàn)獲取動(dòng)穩(wěn)定度DS，并將其與瀝青高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，以驗(yàn)證BRA改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性，其中混合料的級(jí)配均為AC-20C，粗細(xì)集料均為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r磨制的礦粉，油石比均設(shè)定為4.4%，對(duì)每種BRA摻量瀝青混合料平行試驗(yàn)三個(gè)試件，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，詳細(xì)的試驗(yàn)步驟及要求見(jiàn)文獻(xiàn)[10].

2 BRA改性瀝青高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

2.1 軟化點(diǎn)

BRA摻量不同的改性瀝青軟化點(diǎn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知，隨BRA摻量的增加瀝青軟化點(diǎn)有較明顯的提高，表明BRA改性瀝青高溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.

表3 不同摻量BRA改性瀝青軟化點(diǎn)

2.2 當(dāng)量軟化點(diǎn)

BRA摻量不同的改性瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)見(jiàn)表4.由表4可知，隨BRA摻量的增加瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)有較明顯的提高，表明BRA改性瀝青高溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且BRA摻量越高，瀝青高溫性能越好.

表4 不同摻量BRA改性瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)

2.3 135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度

BRA摻量不同的改性瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度見(jiàn)表5.由表5可知，BRA摻量為10%,20%,30%,40%,50%,60%的改性瀝青黏度分別是70#基質(zhì)瀝青黏度的100.51%,130.90%,185.91%,309.75%,338.74%,386.08%，表明BRA改性瀝青高溫性能明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且BRA摻量越高，瀝青高溫性能越好.

表5 BRA改性瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度

2.4 車(chē)轍因子及Shenoy不可恢復(fù)柔量

車(chē)轍因子G*/sinδ并不能夠很好地反映SBS類(lèi)高彈改性瀝青的高溫抗永久變形能力.Shenoy提出不可恢復(fù)柔量[1-1/(tanδ·sinδ)]/G*作為瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).試驗(yàn)采集到的車(chē)轍因子G*/sinδ和相位角δ計(jì)算出Shenoy不可恢復(fù)柔量，見(jiàn)表6.由表6可知，隨著B(niǎo)RA摻量的增加，BRA改性瀝青G*/sinδ均有所增加，Shenoy不可恢復(fù)柔量均有所減小.

表6 不同摻量BRA改性瀝青G*/sin δ和[1-1/(tan δ·sin δ)]/G*

2.5 平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

對(duì)BRA摻量不同的改性瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn)得到的Jnr0.1和Jnr3.2 kPa-1見(jiàn)表7.由表7可知，隨BRA摻量的增加，Jnr0.1和Jnr3.2 kPa-1均逐漸減小，表明BRA改性瀝青高溫性能逐漸增強(qiáng).

表7 不同摻量BRA改性瀝青60 ℃的Jnr0.1和Jnr3.2

2.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較

瀝青的軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)隨BRA摻量的變化見(jiàn)圖2a).擬合發(fā)現(xiàn)，瀝青軟化點(diǎn)隨BRA摻量的增加而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì).對(duì)BRA摻量與當(dāng)量軟化點(diǎn)進(jìn)行線性回歸、對(duì)數(shù)函數(shù)回歸、冪函數(shù)回歸、指數(shù)函數(shù)回歸，發(fā)現(xiàn)更符合線性關(guān)系，但相關(guān)性系數(shù)R2為0.85.此外，由圖2a)可知，隨著B(niǎo)RA摻量的增加，瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)與軟化點(diǎn)的差值逐漸減小，表明BRA摻量較高時(shí)，當(dāng)量軟化點(diǎn)與軟化點(diǎn)對(duì)BRA改性瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)更趨于一致.

瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車(chē)轍因子隨BRA摻量的變化分別見(jiàn)圖2b)～c).擬合發(fā)現(xiàn)，135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度和車(chē)轍因子均隨BRA摻量的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明隨著B(niǎo)RA摻量的增加，瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度和車(chē)轍因子增長(zhǎng)的速度越來(lái)越快，也就是說(shuō)當(dāng)BRA摻量較高時(shí)，變化BRA摻量對(duì)瀝青高溫性能的影響更為顯著.

瀝青的Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1,Jnr3.2 kPa-1隨BRA摻量的變化分別見(jiàn)圖2d)～f).擬合發(fā)現(xiàn)，Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1,Jnr3.2 kPa-1均隨BRA摻量的增加而呈指數(shù)減小的趨勢(shì)，表明隨著B(niǎo)RA摻量的增加，瀝青的Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1、Jnr3.2 kPa-1增長(zhǎng)的速度越來(lái)越慢，也就是說(shuō)BRA摻量較低時(shí)，變化BRA摻量對(duì)瀝青高溫性能的影響更為顯著，而當(dāng)摻量較高時(shí)，變化BRA的摻量對(duì)瀝青高溫性能的影響更為微弱.

圖2 BRA改性瀝青各評(píng)價(jià)指標(biāo)與BRA摻量的擬合曲線

3 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

對(duì)不同BRA摻量的改性瀝青混合料進(jìn)行了60 ℃車(chē)轍試驗(yàn)，以驗(yàn)證BRA改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性，試驗(yàn)得到的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3可知，隨BRA摻量的增加，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均有所增加，表明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng).

圖3 不同摻量BRA改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

4 各高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)與動(dòng)穩(wěn)定度的相關(guān)性

將BRA改性瀝青混合料AC-20C的60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度分別與文中瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)(軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車(chē)轍因子、Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1、Jnr3.2)進(jìn)行線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)回歸分析.可以發(fā)現(xiàn)：BRA改性瀝青混合料60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度除了與軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)有良好的線性關(guān)系外，與其余高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)的線性關(guān)系并不明顯，擬合得到的函數(shù)中指數(shù)函數(shù)的R2最大，因此，統(tǒng)一采用指數(shù)函數(shù)回歸模型，擬合得到的回歸方程及其R2見(jiàn)圖4.由圖4可知，動(dòng)穩(wěn)定度與軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車(chē)轍因子的回歸曲線均為下凹型單調(diào)遞增函數(shù)，回歸曲線的斜率隨著軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車(chē)轍因子的增加而增大，而動(dòng)穩(wěn)定度與Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1的回歸曲線均為下凹型單調(diào)遞減函數(shù)，回歸曲線的斜率隨著Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1的增加而減小，表明BRA改性瀝青的高溫性能越好，其瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)BRA改性瀝青高溫性能的變化越敏感，也就是說(shuō)BRA含量越高，BRA摻量的波動(dòng)會(huì)使其混合料動(dòng)穩(wěn)定度產(chǎn)生較大的變異.因此，在實(shí)際工程中為了避免BRA改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度產(chǎn)生較大的變異，必須嚴(yán)格控制BRA的摻量.反之，當(dāng)BRA含量較低時(shí)，BRA摻量的波動(dòng)對(duì)其混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響不顯著，也就是說(shuō)BRA改性瀝青的高溫性能越差，其瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)BRA改性瀝青高溫性能變化的敏感度就越低，因而對(duì)于高溫性能要求較低的路面，對(duì)于BRA改性瀝青高溫性能變異的容忍度較高.

由圖4中各擬合方程的R2來(lái)看，BRA改性瀝青的各高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)與BRA改性瀝青混合料60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度指數(shù)函數(shù)相關(guān)性排序?yàn)镴nr3.2>Shenoy不可恢復(fù)柔量>Jnr0.1>當(dāng)量軟化點(diǎn)>軟化點(diǎn)>車(chē)轍因子>135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度.

基于以上有限的數(shù)據(jù)回歸分析，對(duì)于BRA改性瀝青可以得出：①BRA改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青結(jié)合料高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車(chē)轍因子、Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1之間的關(guān)系可通過(guò)指數(shù)函數(shù)方程表達(dá).②Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1，Shenoy不可恢復(fù)柔量、當(dāng)量軟化點(diǎn)、軟化點(diǎn)在BRA改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)上均優(yōu)于車(chē)轍因子，而135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度與動(dòng)穩(wěn)定度的相關(guān)性最差.

圖4 BRA改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與各評(píng)價(jià)指標(biāo)的擬合曲線

5 結(jié) 論

1) BRA摻量與瀝青軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)存在良好的線性函數(shù)關(guān)系，而與135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、車(chē)轍因子、Shenoy不可恢復(fù)柔量、Jnr0.1，Jnr3.2均存在良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系.

2) BRA改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1，Shenoy不可恢復(fù)柔量、軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、車(chē)轍因子、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度之間的關(guān)系可通過(guò)指數(shù)函數(shù)方程表達(dá).

3) BRA改性瀝青的高溫性能越好，其瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)BRA改性瀝青高溫性能的變化越敏感.

4) MSCR試驗(yàn)得到的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1，Jnr3.2 kPa-1與BRA改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有較好的相關(guān)性，可用于評(píng)價(jià)BRA改性瀝青的高溫性能.

5)Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1、Shenoy柔量、當(dāng)量軟化點(diǎn)，以及軟化點(diǎn)在BRA改性瀝青結(jié)合料高溫性能評(píng)價(jià)上均優(yōu)于車(chē)轍因子，而135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度與動(dòng)穩(wěn)定度的相關(guān)性最差.

6) 雖然當(dāng)量軟化點(diǎn)是經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，但它與BRA改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有良好的相關(guān)性， 在無(wú)法進(jìn)行MSCR試驗(yàn)的情況下，它也可用于評(píng)價(jià)BRA改性瀝青高溫性能.