易志斌

(湖南省益婁高速公路建設開發(fā)有限公司， 湖南 長沙 413099)

0 引言

永久變形(車轍)是瀝青路面最主要的問題之一，是由重載交通的反復荷載引起，在胎壓的反復作用下累積形成永久變形。車轍嚴重影響路面的使用性能，降低路面的使用壽命[1]。瀝青路面的抗車轍性能取決于多種因素，其中一個重要因素是瀝青膠結料的剛度。因此，有必要對瀝青膠結料進行改性，以提高膠結料的剛度，已有研究表明諸如納米SiO2等納米材料用于改性瀝青膠結料可大幅度提高膠結料的剛度[2]。

早在1978年，美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHRP)采用動態(tài)剪切流變儀測試瀝青的黏彈性參數(shù)，以車轍因子(G*/sinδ)作為指標評估瀝青膠結料的抗車轍性能。但該試驗采用的應力水平較低，從而低估了改性膠結料的抗車轍性能。為替代這個指標，修訂Superpave瀝青膠結料規(guī)范時引入了多應力重復蠕變恢復試驗(Multiple Stress Creep and Recovery，MSCR)評估瀝青膠結料的抗車轍性能。2007年，D'Angelo等[3]開發(fā)多應力蠕變恢復試驗來評價瀝青膠結料的高溫性能。與車轍因子相比，MSCR試驗中用不可恢復蠕變柔量Jnr來表征瀝青膠結料的抗車轍性能，其具有更高的相關性[4]。目前MSCR試驗已正式納入AASHTO TP 70-10規(guī)范[5]中，試驗包括10個蠕變和恢復周期。每個周期包括在2個不同應力水平下(低應力水平100 Pa與高應力水平3 200 Pa)的1 s蠕變階段和9 s恢復階段，其中不同應力水平表示實際路面的交通荷載等級。

本研究主要利用MSCR評估納米SiO2改性瀝青膠結料(Nanosilica Modified Asphalt Binder，NSMB)的高溫性能，并探討納米SiO2的摻入對瀝青膠結料蠕變柔量Jnr和應變恢復率R的影響，以此評估瀝青膠結料的抗車轍性能，并確定納米SiO2瀝青膠結料中改性劑的最佳摻量。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料與試樣制備

采用粒徑10～15 nm之間的納米SiO2對70#道路石油瀝青進行改性，材料的基本技術性能指標見表1、表2。采用高速剪切儀制備納米SiO2摻量分別為1%、2%、3%、4%和5%的NSMB試樣，其中瀝青質量為400 g，試驗溫度為150 ℃，轉速為3 000 r/min，剪切時長為1 h。

表1 70#道路石油瀝青的基本性能指標對比項目軟化點/℃針入度/0.1 mm延度(10 ℃,5 m/min)/cm閃點/℃試驗結果526731331技術要求≥4660～80≥15≥230

表2 納米SiO2的基本性能指標外觀SiO2含量/%Na2O含量/%pH值(20 ℃)密度(20 ℃)/(g·cm-3)顆粒尺寸/nm乳白色透明液體30±10.59.51.2010～15

1.2 試驗方案

1.2.1短期老化

根據(jù)ASTM D2872規(guī)范，使用旋轉薄膜烘箱(RTFO)設備模擬短期老化。試驗過程中，每個盛樣瓶裝有35 g的納米SiO2改性瀝青，并將流速4 000 m L/min的熱空氣噴入動著的盛樣瓶試樣中，之后在163 ℃的烘箱中以15 r/min的速度轉動85 min。

1.2.2多應力重復蠕變恢復試驗

參照AASHTO TP 70規(guī)范，MSCR試驗通過采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)對經RTFO老化的試樣進行試驗，試驗溫度為64 ℃，選用100 Pa和3 200 Pa兩種應力水平進行連續(xù)測試，每個應力水平進行10個周期，每個周期10 s，分為1 s的加載蠕變階段和9 s的卸載恢復階段。MSCR試驗得到的主要指標為平均應變恢復率R和平均不可恢復蠕變柔量Jnr。R值表示膠結料的彈性響應和應力依賴性，而Jnr定義為MSCR試驗期間不可恢復應變與施加應力的比值，其計算公式如下。

(1)

(2)

式中：εp為應變峰值，εu為不可恢復應變，σ表示應力水平。

此外，還計算了100 Pa和3 200 Pa下10個周期的平均R和平均Jnr，分別表示為R100、R3 200和Jnr100、Jnr3 200。應力敏感參數(shù)Rdiff和Jnr-diff的計算公式如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

2 試驗結果與分析

2.1 應變

圖1為64 ℃下NSMB在2種應力水平下MSCR試驗的典型應變歷時曲線，前100 s為低應力水平(100 Pa)，后100 s為高應力水平(3 200 Pa)。圖1顯示了瀝青膠結料在低應力水平下的累積應變明顯低于高應力水平下的累積應變，表明累積應變隨應力水平提高而增加。與基質瀝青相比，NSMB的累積應變明顯更小，其中NSMB 2%的累積應變最低，表明納米SiO2的摻入提高了瀝青膠結料在高溫下的剛度。圖2為100 Pa時NSMB的一個MSCR試驗周期，包括蠕變和恢復2個階段。由圖2可知，在蠕變階段，應變在荷載作用下快速增大；在恢復階段，應變在初始階段恢復較快，但隨著時間延長，恢復率逐漸降低。MSCR試驗結果反映了瀝青膠結料的黏-彈-塑性，卸載階段中彈性應變恢復較快，而黏性應變恢復較慢[6]。

圖1 MSCR試驗應變歷時曲線

圖2 100 Pa應力水平下MSCR試驗一個周期的應變歷時曲線

2.2 不可恢復蠕變柔量Jnr

Jnr可以用來評價瀝青膠結料抗車轍性能，Jnr值越低，抗車轍性能越好。表3和圖3顯示了2種應力水平試驗下不同摻量NSMB的Jnr值。由圖3可知，2種應力水平的Jnr值柱狀圖變化趨勢相似。當應力水平從100 Pa增加到3 200 Pa，Jnr略有增加，基質瀝青的Jnr變化最為明顯，且納米SiO2的摻入明顯降低了瀝青膠結料的Jnr值。當應力水平為100 Pa時，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的Jnr值較基質瀝青膠結料分別降低了87.0%、93.4%、91.0%、87.0%和82.5%。在3 200 Pa應力水平下NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的Jnr較基質瀝青膠結料分別降低了86.8%、93.1%、90.9%、86.6%和83.6%。因此，納米SiO2的摻入可提高瀝青膠結料的抗車轍性能。

表3 不同摻量下NSMB的Jnr值納米SiO2摻量/%100 Pa下的Jnr值/Pa-13 200 Pa下的Jnr值/Pa-100.001 550.001 7210.000 200.000 2320.000 100.000 1230.000 140.000 1640.000 200.000 2350.000 270.000 28

圖3 不同摻量下NSMB的Jnr值對比

2.3 應變恢復率R

應變恢復率R指標用來評價瀝青膠結料在荷載作用下的彈性性能，R值越高，瀝青膠結料的抗變形能力越強。圖4顯示了2種應力水平下NSMB的R值，與基質瀝青膠結料相比，NSMB的R值更高，當應力水平為100 Pa時，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的R值較基質瀝青膠結料分別提高了80.6%、89.0%、85.0%、78.8%和77.9%；在3 200 Pa應力水平下，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的R值較基質瀝青膠結料分別提高了94.1%、96.8%、95.6%、92.6%和92.2%，這表明摻入少量的納米SiO2可提高瀝青膠結料的彈性應變恢復率，從而提高其抗變形性能。此外，對比2種應力水平下的R值可得，3 200 Pa時的R值比100 Pa時略有下降。有關研究[7]表明在任意應力水平或試驗溫度下，如果瀝青膠結料至少有20%的應變恢復率，則表明其存在延遲彈性響應，通過試驗數(shù)據(jù)可知，摻量為2%的NSMB滿足該最小應變恢復率。

表4 不同摻量下NSMB的R值%納米SiO2摻量100 Pa下的R值3 200 Pa下的R值02.370.65112.2211.02221.5520.31315.8014.77411.188.78510.728.33

圖4 不同摻量下NSMB的R值對比

2.4 應力敏感性

蠕變柔量相對差異Jnr-diff和恢復率差值變化率Rdiff可用來評價瀝青膠結料在不同應力水平下的蠕變柔量和恢復率的應力敏感性。Jnr-diff和Rdiff值越低，表明瀝青膠結料的應力敏感性越低。表5和圖5為NSMB的Jnr-diff和Rdiff計算結果。根據(jù)Superpave-MSCR試驗規(guī)定，Jnr-diff的最大值不能超過75%，從圖5可以看出，所有摻量的NSMB均符合規(guī)范要求，與低摻量NSMB相比，高摻量NSMB具有更高的應力敏感性。其中，NSMB 2%的Jnr在高溫下應力敏感性最高，但其R的應力敏感性最低。

表5 不同摻量下NSMB的Jnr和R值應力敏感性納米SiO2摻量/%RdiffJnr-diff072.5710.9719.8212.6725.7216.0136.5012.20421.4314.38522.293.99

圖5 不同摻量下NSMB的Jnr和R值應力敏感性對比

2.5 Jnr與R的關系探討

圖6顯示不同應力水平下NSMB的R和Jnr之間的關系。AASHTO TP 70規(guī)范中規(guī)定4個交通荷載等級：中等、輕交通Jnr<0.004 5 Pa，重交通Jnr<0.002 Pa，特重交通Jnr<0.001 Pa,極重交通Jnr<0.000 5 Pa。從圖中可以看出，70#基質瀝青膠結料適用于重交通荷載等級與中等、輕交通荷載等級，而NSMB適用于所有交通荷載等級。證明NSMB的應用可提高瀝青路面的抗車轍性能，從而適用于特重、極重交通荷載等級。

圖6 不同應力水平下NSMB的R和Jnr之間的關系

3 結論

通過多應力重復蠕變恢復試驗評價指標對摻加納米SiO2的瀝青膠結料進行高溫評價，得到以下結論：

1) 相比基質瀝青膠結料，納米SiO2改性瀝青膠結料中的累積應變值更低，其高溫條件下剛度更高。此外，納米SiO2改性瀝青膠結料的不可恢復蠕變柔量Jnr更低及恢復率R更高，表明摻入納米SiO2改善了瀝青膠結料的高溫穩(wěn)定性和彈性性能。

2)與其他摻量相比，摻量為2%的納米SiO2改性瀝青膠結料的抗車轍能力最優(yōu)。

3)納米SiO2改性瀝青膠結料適用于極重交通荷載，大大提高了普通瀝青膠結料所適用的交通荷載等級。