王愛峰,李自力,李銳鐸
(1.河南中州路橋建設(shè)有限公司,河南 周口 466000; 2. 河南城建學(xué)院,河南 平頂山 467036)
我國瀝青路面產(chǎn)生高溫車轍病害的主要原因是瀝青及瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性較差,在車輛重復(fù)荷載作用下,瀝青路面出現(xiàn)較大的不可恢復(fù)變形,因此許多學(xué)者通過對瀝青改性的方法來提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[1-4],并通過多種試驗(yàn)方法評價(jià)瀝青及其混合料的高溫穩(wěn)定性[5-9]。其中,基于流變學(xué)理論的重復(fù)蠕變試驗(yàn)是一種有效的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評價(jià)方法。本研究利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對EVA改性瀝青進(jìn)行重復(fù)蠕變試驗(yàn),研究其蠕變變形特性,為EVA改性瀝青的研究及應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)及技術(shù)指導(dǎo)。
使用江蘇產(chǎn)阿爾法70#A級道路瀝青,其基本性能指標(biāo)如表1所示。
表1 70#基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of performance index of 70# matrix asphalt
選用瀝青改性劑為EVA樹脂顆粒,該EVA乙酸乙酯(VA)含量為15%,顆粒直徑約0.5 cm,由裕辰隆工程塑料公司生產(chǎn),如圖1所示。EVA塑料顆粒物性表如表2所示。
圖1 EVA顆粒Fig.1 EVA particle
表2 EVA共聚物物性表Tab.2 Physical property of EVA copolymer
將基質(zhì)瀝青在烘箱內(nèi)加熱熔化后保溫在(135±5)℃、4 h以上待用,再次將瀝青加熱到170℃并保溫1 h以上待用,再按照3%、6%、9%的摻量將EVA改性劑摻入瀝青中,使用高速攪拌裝置在170℃下均勻攪拌1 h,可制得EVA改性瀝青。利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DHR-1型)對基質(zhì)瀝青和改性瀝青進(jìn)行流變試驗(yàn)。
重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)分別在30℃、40℃、50℃、60℃條件下測得,設(shè)定荷載為100 Pa、蠕變加載時(shí)間為50 s、蠕變卸載時(shí)間為50 s、蠕變循環(huán)次數(shù)共10次。30℃使用8 mm平行板測定,瀝青膜厚度為2 000 μm;40℃、50℃、60℃使用25 mm金屬平行板進(jìn)行蠕變恢復(fù)試驗(yàn),瀝青膜厚度為1 000 μm。
由圖2可知,在所有測試溫度條件下,基質(zhì)瀝青的應(yīng)變均比EVA改性瀝青應(yīng)變大。在第2個(gè)蠕變恢復(fù)結(jié)束時(shí)(即試驗(yàn)時(shí)間為200 s時(shí)),在30℃、40℃、50℃和60℃條件下,基質(zhì)瀝青的應(yīng)變分別是EVA改性瀝青的165.88倍、310.95倍、293.26倍和438.85倍,說明與基質(zhì)瀝青相比,EVA改性瀝青具有明顯的高溫穩(wěn)定性。隨著EVA摻量的增加,EVA改性瀝青的高溫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng),但抗變形能力的增加幅度不斷降低。
圖2 加載卸載(前兩個(gè)周期)應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Strain test results before and after loading(the first two cycles)
將蠕變恢復(fù)試驗(yàn)中,恢復(fù)階段卸載瞬間時(shí)的應(yīng)變用εL表示,恢復(fù)階段最后時(shí)刻的殘余變形用εP表示,稱為永久變形[10]。則εP/εL為永久變形占總變形的比例,表示變形中黏性部分占據(jù)的比例[11]。
對初始應(yīng)變進(jìn)行歸一化處理,并將處理后的初始應(yīng)變繪制成散點(diǎn)圖如圖3所示?;|(zhì)瀝青的殘余變形經(jīng)過49 s的變形恢復(fù)比例為99.40%,說明基質(zhì)瀝青在經(jīng)歷了50 s的變形恢復(fù)階段后僅僅恢復(fù)了0.6%的變形。對于改性瀝青,殘余變形比例則逐漸增大,3%、6%、9%EVA改性瀝青的殘余變形比例依次為99.07%、71.52%、67.60%。隨著摻量的增加,改性瀝青的變形恢復(fù)能力逐漸提高,彈性性能有了較大增強(qiáng)。從圖3中可以看出,如果恢復(fù)時(shí)間延長,延遲彈性恢復(fù)還將繼續(xù),表明改性瀝青的殘余變形中仍有尚未恢復(fù)的延遲彈性變形。
圖3 瀝青在60℃ 第1次卸載恢復(fù)曲線 (歸一化處理)Fig.3 Unloading and recovery curve of asphalt for the first time under 60℃(normalization processing)
表3 60℃基質(zhì)瀝青及改性瀝青εP/εL結(jié)果Tab.3 εP/εL results of matrix asphalt and modified asphalt under the temperature of 60℃
對于基質(zhì)瀝青,主要變形形式是黏性流動(dòng)變形,在變形過程中,僅考慮其黏性因素。而改性瀝青在蠕變恢復(fù)試驗(yàn)中既表現(xiàn)黏性性能,又表現(xiàn)彈性性能。
以上研究的是蠕變恢復(fù)試驗(yàn)第1個(gè)卸載50 s階段瀝青的變形恢復(fù)特點(diǎn),但改性瀝青的延遲彈性變形恢復(fù)可能需要接近無限長的時(shí)間,現(xiàn)有的蠕變恢復(fù)試驗(yàn)難以滿足要求。為了分析延遲彈性變形隨著作用次數(shù)的變形情況,對εP/εL取倒數(shù),得到εL/εP,用以表示改性瀝青的變形恢復(fù)能力。
當(dāng)εL/εP=1時(shí),瀝青的蠕變變形全部為黏性流動(dòng)變形。εL/εP越大,瀝青的變形恢復(fù)能力越大。將基質(zhì)瀝青、改性瀝青在不同溫度第1、5、10次蠕變恢復(fù)后的εL/εP值匯總于表4。
表4 不同溫度、不同作用次數(shù)的瀝青恢復(fù)指數(shù)εL/εPTab.4 Asphalt recovery index εL/εP under different temperature and different operation times
由表4可知,隨著溫度的增加,不同材質(zhì)瀝青在不同的循環(huán)作用次數(shù)下,εL/εP的值都出現(xiàn)了遞減的規(guī)律,這表示在重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)中,溫度越高,瀝青的黏性流動(dòng)變形越大,在瀝青變形的因素中黏性因素逐漸增大,隨著作用次數(shù)的增加,基質(zhì)瀝青隨著蠕變次數(shù)的增加,εL/εP趨于穩(wěn)定,在第5次加載和第10次加載時(shí),εL/εP值極為接近,甚至相同,說明基質(zhì)瀝青在經(jīng)過多次蠕變作用后,完全喪失了彈性變形的能力,基質(zhì)瀝青此時(shí)受到荷載作用產(chǎn)生的變形為黏性流動(dòng)變形。而改性瀝青隨著循環(huán)作用次數(shù)εL/εP的值發(fā)生了增大現(xiàn)象,表明在重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)中,蠕變循環(huán)次數(shù)越多,則瀝青變形的因素中黏性因素逐漸減小,彈性因素逐漸增加,隨著瀝青改性劑摻量的增加,EVA改性瀝青的εL/εP都產(chǎn)生了不同程度的增加,說明隨著改性劑摻量的增大,瀝青變形的因素中黏性因素逐漸減小,彈性因素逐漸增加。
(1)與基質(zhì)瀝青相比,EVA改性瀝青具有明顯的高溫穩(wěn)定性。隨著EVA摻量的增加,EVA改性瀝青的高溫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng),但抗變形能力的增加幅度不斷降低。
(2)在重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)中,蠕變循環(huán)次數(shù)越多,則瀝青變形的因素中黏性因素逐漸減小,彈性因素逐漸增加;隨著瀝青改性劑EVA摻量的增加,改性瀝青的εL/εP都產(chǎn)生了不同程度的增加,說明隨著改性劑摻量的增大,瀝青變形的因素中黏性因素逐漸減小,彈性因素逐漸增加。