關(guān)志娟，劉新海，李善強(qiáng)，吳傳海，許新權(quán)，成尚鋒

(1.廣東交通實業(yè)投資有限公司，廣州 510623；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

瀝青路面在高溫重載服役狀態(tài)下容易發(fā)生車轍病害，輕則影響行車舒適性，重則甚至?xí)绊懶熊嚢踩Ｓ捎诟吣Ａ扛男詾r青(high modulus modified asphalt，HMMA)具有突出的高溫性能[1-3]，采用高模量瀝青混合料(high modular asphalt mixture，HM)鋪筑瀝青路面，能夠有效解決或緩解車轍問題[4-6]。趙立東、李純[1-2]研究HMMA的流變性能發(fā)現(xiàn)具有硬質(zhì)瀝青的特性，復(fù)數(shù)模量、G*/sinδ等高溫流變性能指標(biāo)明顯大于SBS改性瀝青。韓冰等[3]闡述了國內(nèi)HM結(jié)合料的研究進(jìn)展，為指導(dǎo)HM結(jié)合料的選用及性能檢驗提供了參考，但未對HM的性能檢驗及要求展開論述。董海軍、黃新顏、李彩霞[3-6]等人針對高模量劑種類、摻量以及膠結(jié)料種類等影響因素，研究了HM路用性能以及其適用場合，發(fā)現(xiàn)HM具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性能。

眾多學(xué)者分別單獨從HMMA和HM兩方面研究了高模量改性瀝青的高溫性能，但鮮有研究對HMMA和HM的高溫性能評價結(jié)果一致性進(jìn)行探討。本文以70#瀝青和SBS改性瀝青作為參照對象，采用動態(tài)剪切流變儀對自制的RK300-HMMA高溫流變特性進(jìn)行對比研究，并通過混合料的高溫穩(wěn)定性試驗對膠結(jié)料的高溫流變試驗評價結(jié)果進(jìn)行驗證，最后分析了高溫狀態(tài)下HMMA和HM各性能指標(biāo)評價結(jié)果之間的一致性，為后續(xù)建立高模量改性瀝青膠結(jié)料與混合料高溫性能各評價指標(biāo)之間的換算關(guān)系提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 高模量改性劑

高模量改性劑采用東莞某公司生產(chǎn)的RK300。RK300為橡膠組分和塑料組分按一定比例熔融混合并添加少量助劑形成的橡塑合金，其基本指標(biāo)見表1，滿足GB/T 3682-2000的使用要求。

1.1.2 瀝青

1.1.2.1 70#瀝青與SBS改性瀝青

70#瀝青和SBS(I-D)改性瀝青的高溫PG等級分別為64 ℃、76 ℃。兩者的主要性能指標(biāo)見表2，滿足規(guī)范JTG F40-2004的使用要求。

1.1.2.2 RK300-HMMA

前期研究表明RK300在瀝青混合料中的外摻量為0.4%(質(zhì)量百分比，后文摻量如無特殊說明均為質(zhì)量百分比)時改性效果較好[7]。瀝青混合料油石比為4.5%時，RK300在瀝青中的摻量為9.0%。

表1 RK300高模量改性劑技術(shù)指標(biāo)

表2 瀝青的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

1.2.1 RK300-HMMA制備方法

RK300-HMMA室內(nèi)使用布魯克高速剪切乳化機(jī)制備?；静襟E：(1)70#瀝青于140 ℃烘箱加熱至熔融狀態(tài)。(2)用不銹鋼杯稱取400 g基質(zhì)瀝青作為母體瀝青，再稱取36 g RK300高模量劑，然后將RK300分批緩慢加入瀝青中，設(shè)置2 000 r/min攪拌直至RK300完全溶解。(3)調(diào)整為5 000 r/min繼續(xù)快速攪拌45 min，再移至170 ℃烘箱中保溫靜置發(fā)育2.5 h后，得到RK300-HMMA。

1.2.2 膠結(jié)料流變特性試驗方法

瀝青是一種粘彈性材料，其流變特性隨溫度變化而發(fā)生改變，業(yè)內(nèi)學(xué)者常用動態(tài)力學(xué)分析方法研究瀝青材料的流變性能[8-10]。膠結(jié)料試驗采用的Kinexus超級旋轉(zhuǎn)流變儀如圖1所示。為與混合料試驗保持一致，膠結(jié)料流變試驗均采用未老化的原樣瀝青制樣。

圖1 Kinexus超級旋轉(zhuǎn)流變儀

1.2.2.1 溫度掃描試驗

試驗采用直徑25 mm的平行板，板間間隔1 mm，采用12%恒定應(yīng)變控制動態(tài)加載模式，加載頻率為10 rad/s。試驗溫度間隔為6 ℃，RK300-HMMA和SBS改性瀝青的試驗起始溫度為64 ℃，70#瀝青的試驗起始溫度為58 ℃，當(dāng)車轍因子(G*/sinδ)<1時停止試驗。流變性能評價指標(biāo)為復(fù)數(shù)模量(G*)、相位角(δ)和G*/sinδ。

1.2.2.2 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗

多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(Multi-stress creep recovery,MSCR)試驗方法參照AASHTO T 350-14[11]，試驗溫度設(shè)置為60 ℃，先后分別施加0.1 kPa和3.2 kPa兩個應(yīng)力，每級應(yīng)力水平均采用加載1 s，卸載9 s的工作模式作用10個循環(huán)，試驗時間為200 s。流變性能評價指標(biāo)為剪切應(yīng)變(S)、蠕變恢復(fù)率(R)和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)。

1.2.3 混合料高溫性能驗證試驗方法

混合料試驗使用的級配見表3，油石比為4.5%，內(nèi)摻1%水泥。分別參照規(guī)范JTG E 20-2019 、JTG D 50-2017進(jìn)行車轍試驗和單軸貫入試驗。

表3 GAC-20C型瀝青混凝土級配

2 瀝青膠結(jié)料的高溫流變特性

2.1 車轍因子

G*/sinδ隨溫度的變化曲線如圖2所示。

圖2 車轍因子隨溫度的變化曲線

由圖2可知，G*/sinδ隨溫度的升高而減小，相同溫度下G*/sinδ排序：RK300-HMMA>SBS改性瀝青>70#瀝青。在單對數(shù)坐標(biāo)軸下，lg(G*/sinδ)與溫度之間的關(guān)系可用lg(G*/sinδ)=aT+b來表示，T代表溫度，a,b是擬合參數(shù)，線性回歸關(guān)系式如表4所示。

表4 lg(G*/sinδ)與T的線性回歸關(guān)系式

a的絕對值大小可以用來表示瀝青的溫度敏感性，其值越大表明瀝青膠結(jié)料的性能對溫度變化越為敏感[6，9]。70#瀝青a的絕對值最大，其性能對溫度變化最為敏感。RK300-HMMA與SBS改性瀝青回歸曲線的斜率基本一致，表明兩者的溫度敏感性相當(dāng)。Sam.等人[12]將未老化瀝青G*/sinδ等于1.1 kPa時的溫度定義為等車轍因子臨界溫度Tc，Tc越高，瀝青的高溫性能越好。Tc排序：RK300高模量改性瀝青(107.5 ℃)>SBS改性瀝青(90.4 ℃)>70#瀝青(65.3 ℃)。外摻0.9%RK300高模量劑使得70#瀝青的Tc增加42.2 ℃，高溫PG分級提高六個等級，同時降低了70#瀝青的溫度敏感性。G*/sinδ反映了RK300-HMMA的高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

2.2 相位角

相位角δ是反映瀝青膠結(jié)料彈性性能和粘性性能比例的指標(biāo)，δ越大，表示粘性性能越強(qiáng)，彈性性能越弱[6，9]。δ隨溫度的變化曲線如圖3所示。

圖3 相位角隨溫度的變化曲線

由圖3可知，相同溫度下，70#瀝青δ最大，且遠(yuǎn)大于RK300-HMMA和SBS改性瀝青。64 ℃和70 ℃溫度下，RK300-HMMA的δ比70#瀝青減小了約25°，表明摻加RK300高模量劑顯著增強(qiáng)了70#瀝青的高溫彈性變形性能。RK300顆粒經(jīng)剪切、發(fā)育后，吸收了瀝青中的部分輕質(zhì)組分。新形成的改性劑-瀝青界面層與聚合物鏈段-瀝青空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7，13]，限制了瀝青分子的移動，使得瀝青的高溫抗變形能力增強(qiáng)。64 ℃～94 ℃時，RK300-HMMA的δ大于SBS改性瀝青，表明RK300-HMMA的高溫彈性變形性能不如SBS改性瀝青。

2.3 剪切應(yīng)變

剪切應(yīng)變S與時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 60 ℃剪切應(yīng)變與時間的變化曲線

由圖4a可知，RK300-HMMA在單個加載周期內(nèi)產(chǎn)生的剪切應(yīng)變與200 s累積殘留剪切應(yīng)變均為最小。70#瀝青單個加載周期產(chǎn)生的剪切應(yīng)變最大，且在加載應(yīng)力卸載后基本未恢復(fù)導(dǎo)致隨加載次數(shù)逐漸累積，200 s累積殘留剪切應(yīng)變最大。RK300-HMMA單個加載周期產(chǎn)生的剪切應(yīng)變大大減小。這是因為RK300加入70#瀝青后，新形成的改性劑-瀝青界面層與聚合物鏈段-瀝青空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了70#瀝青的高溫抗變形能力。

由圖4b可知，RK300-HMMA與SBS改性瀝青在0.1 kPa加載應(yīng)力下剪切應(yīng)變的增長幅度基本一致，在3.2 kPa加載應(yīng)力卸載后的剪切應(yīng)變恢復(fù)能力弱于SBS改性瀝青，但200 s累積殘留剪切應(yīng)變比SBS改性瀝青小。這是因為RK300-HMMA的勁度模量較大，單個加載周期內(nèi)產(chǎn)生的剪切應(yīng)變更小。200 s內(nèi)RK300-HMMA產(chǎn)生的累積殘留剪切應(yīng)變比SBS改性瀝青小100%，表明前者的高溫性能更突出。

2.4 蠕變恢復(fù)性能參數(shù)

膠結(jié)料60 ℃的蠕變恢復(fù)性能參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表5 蠕變恢復(fù)性能參數(shù)

由表5可知，0.1 kPa加載應(yīng)力水平下，R0.1kPa排序RK300-HMMA>SBS改性瀝青>70#瀝青；而在3.2 kPa加載應(yīng)力水平下，R3.2kPa排序SBS改性瀝青>RK300-HMMA>70#瀝青。雖然不同應(yīng)力水平下RK300-HMMA與SBS改性瀝青的R排序有所區(qū)別，但RK300-HMMA的蠕變恢復(fù)率遠(yuǎn)大于70#瀝青，說明經(jīng)RK300改性后70#瀝青的蠕變過程彈性變形恢復(fù)能力有顯著地提高。0.1 kPa與3.2 kPa加載應(yīng)力水平下，三種瀝青膠結(jié)料Jnr排序均為RK300-HMMA

3 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能

采用車轍試驗和單軸貫入試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，探究混合料高溫穩(wěn)定性試驗評價結(jié)果與膠結(jié)料高溫流變試驗評價結(jié)果的一致性。

3.1 動穩(wěn)定度

動穩(wěn)定度(DS)是評價瀝青混合料高溫性能的常用指標(biāo)。規(guī)范JTG F40-2004指出，夏季炎熱且重載交通較大的地區(qū)可適當(dāng)提高試驗溫度或加大試驗荷載，以合理地對設(shè)計的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行驗證?；趶V東省瀝青路面路表最高溫度接近70 ℃和重載貨車占比高的實際情況[14-15]，本文將試驗溫度由60 ℃提高至70 ℃，輪壓由0.7 MPa增加至0.9 MPa進(jìn)行車轍試驗，不同試驗條件下的DS如圖5所示。

圖5 車轍試驗結(jié)果

由圖5可知，三種瀝青混合料DS排序RK300-HMMA>SBS改性瀝青>70#瀝青。60 ℃溫度+輪壓0.7 MPa條件下，RK300-HMMA的DS分別是70#瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的6.79倍和1.29倍。70 ℃溫度+0.9 MPa輪壓條件下，RK300-HMMA的DS分別是70#瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的12.39倍和1.37倍。試驗溫度由60 ℃提高至70 ℃，輪壓由0.7 MPa增加至0.9 MPa時，RK300-HMMA的DS從1 2670次/mm降到2 886次/mm，仍滿足JTG F40-2004表5.3.4-1中1-4氣候分區(qū)改性瀝青混合料動穩(wěn)定度不小于2 800次/mm的要求，表明其在重載條件下仍具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性能。

3.2 單軸貫入強(qiáng)度

單軸貫入試驗的應(yīng)力加載模式與實際荷載作用下的受力模式相一致，可用來評價混合料的高溫抗剪切性能[16]。本文單軸貫入試驗溫度采用60 ℃，試驗結(jié)果見表6。

表6 單軸貫入試驗結(jié)果

3.3 高溫性能評價結(jié)果一致性分析

4 結(jié)論

(1)與70#瀝青相比，RK300-HMMA的Tc增加42.2 ℃，高溫PG分級提高六個等級。外摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%的RK300可顯著增大70#瀝青的G*/sinδ、Tc與R，減小δ、S與Jnr，改善70#瀝青的高溫性能。

(2)0.9%RK300-HMMA的溫度敏感性與SBS改性瀝青基本相當(dāng)。G*/sinδ、Tc、S與Jnr等指標(biāo)表明RK300-HMMA的綜合高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青，而δ和R3.2kPa表明RK300-HMMA的高溫彈性變形能力不如SBS改性瀝青。