余沛涵, 聶憶華, 孫世恒, 高聞靖, 周晨陽(yáng)

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201)

0 引言

隨著我國(guó)公路交通量和交通荷載的增加，以及全球氣候變暖，改性瀝青因其具有優(yōu)良的耐疲勞性能和抗變形能力而得到廣泛的應(yīng)用。但是，改性瀝青在使用過程中，由于施工原因、環(huán)境因素和車輛荷載的影響會(huì)導(dǎo)致瀝青揮發(fā)、氧化和聚合而產(chǎn)生老化，導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫、車轍和坑槽等病害[1]。因此，各國(guó)學(xué)者紛紛開始研究改性瀝青老化后的性能，其中，高溫性能成為了研究重點(diǎn)[2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)改性瀝青高溫性能指標(biāo)測(cè)試的方法主要包括三大類：環(huán)球軟化點(diǎn)測(cè)試、車轍因子G*/sinδ測(cè)試和零剪切粘度的測(cè)試，我國(guó)主要以軟化點(diǎn)和車轍因子G*/sinδ作為評(píng)價(jià)改性瀝青高溫性能的指標(biāo)[3-5]。但是，隨著各國(guó)研究人員對(duì)改性瀝青高溫性能的深入研究，發(fā)現(xiàn)瀝青軟化點(diǎn)和車轍因子G*/sinδ并不能準(zhǔn)確地反映改性瀝青的高溫性能[6-7]，因此，在2001年，美國(guó)國(guó)家公路合作研究計(jì)劃提出了重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(RCRT)[8]，隨后，美國(guó)公路協(xié)會(huì)的John A. D、Angelo等人又在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了另外一種試驗(yàn)方法，即多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)，并利用試驗(yàn)所得到的改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變模量(Jnr)和變形回復(fù)率(R)，以及相應(yīng)的應(yīng)力敏感指標(biāo)Jnr-diff和R-diff來評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能[9-10]。該評(píng)價(jià)方法一經(jīng)提出，就迅速成為了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)，我國(guó)也有大量的科研人員對(duì)該評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了相關(guān)的研究。郭詠梅[11]等利用此試驗(yàn)方法得到了SBS改性瀝青在不同溫度下的Jnr和Jnr-diff值，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了交通分級(jí)；唐乃膨[12]等采用MSCR試驗(yàn)方法對(duì)不同參量的SBS改性瀝青進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并利用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了高溫分級(jí)。目前，研究者對(duì)于采用MSCR試驗(yàn)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青高溫性能的研究并不深入，且尚未考慮瀝青老化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。故本文選取不同老化程度的SBS70#改性瀝青作為試驗(yàn)樣品，采用MSCR試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)分析，以完善對(duì)改性瀝青高溫性能的研究。

1 試驗(yàn)材料

本文選用湖南省湘潭市市政工程公司瀝青路面分公司提供的殼牌SBS70#改性瀝青，并對(duì)瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(Rolling Thin-Film Oven Test， RTFOT)，老化溫度為163 ℃，老化時(shí)間為0、40、85、180、270 min，其具體步驟見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[13](JTGE20-2011，T0610)。本文所用的瀝青均為RTFOT老化前后的SBS70#改性瀝青。

2 試驗(yàn)方法

2.1 SBS70#改性瀝青三大指標(biāo)和布氏黏度試驗(yàn)

本文依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[13](JTG E20-2011)T0602對(duì)老化前后的SBS70#改性瀝青進(jìn)行針入度、布氏黏度、延度和軟化點(diǎn)的試驗(yàn)，測(cè)定出老化前后SBS70#改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度和布氏黏度。

2.2 MSCR試驗(yàn)

MSCR試驗(yàn)在特定的溫度下完成，本文選取了3種試驗(yàn)溫度，分別為58 ℃、64 ℃和70 ℃。試驗(yàn)儀器采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，DSR的轉(zhuǎn)子選用25 mm，轉(zhuǎn)子與DSR夾具的下平行板之間的間隙為1 mm，一次完整的試驗(yàn)分為加載和卸載2個(gè)階段，具體操作過程如下：將試驗(yàn)樣品在0.1 kPa的應(yīng)力水平下加載1 s，隨后撤去應(yīng)力，使其在無(wú)應(yīng)力的狀態(tài)下恢復(fù)9 s，如此重復(fù)10個(gè)周期；然后將0.1 kPa的應(yīng)力水平調(diào)整為3.2 kPa，同樣加載1 s恢復(fù)9 s，在如此重復(fù)10個(gè)周期后完成整個(gè)MSCR試驗(yàn)。一次完整的MSCR試驗(yàn)是連續(xù)完成的，沒有時(shí)間間隙，在一次完整的試驗(yàn)完成后，由設(shè)備自動(dòng)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)。圖1為SBS70#改性瀝應(yīng)變恢復(fù)圖，根據(jù)公式可以計(jì)算出每個(gè)蠕變恢復(fù)周期的不可恢復(fù)蠕變模量Jnr和變形回復(fù)率R:

圖1 SBS70#瀝青一個(gè)蠕變恢復(fù)周期的應(yīng)變圖

ε1=εc-ε0

(1)

ε10=εr-ε0

(2)

Jnr=(εr-ε0)/δ

(3)

R=(ε1-ε10)/ε1

(4)

式中：ε0為加載階段的初始值應(yīng)變；εc為加載階段結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值；εr為第10秒試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值；δ為應(yīng)力。

分別對(duì)0.1和3.2 kPa應(yīng)力作用下的10次蠕變恢復(fù)周期所求得的Jnr值取平均數(shù)，計(jì)算出Jnr的平均值，記為Jnr0.1和Jnr3.2；對(duì)0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力作用下的10次蠕變恢復(fù)周期所求得的R值取平均數(shù)，計(jì)算出R的平均值，記為R0.1和R3.2；根據(jù)式(5)、式(6)得到試驗(yàn)瀝青的不可恢復(fù)蠕變模量和變形回復(fù)率的應(yīng)力敏感指標(biāo)Jnr-diff和R-diff．

Jnr-diff=[(Jnr3.2-Jnr0.1)/Jnr0.1]×100%

(5)

R-diff=[(R0.1-R3.2)/R0.1]×100%

(6)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 SBS70#改性瀝青三大指標(biāo)和布氏黏

表1為老化前后SBS70#改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度和黏度試驗(yàn)結(jié)果，T表示軟化點(diǎn)，單位℃；P表示針入度，單位0.1 mm；Y表示延度，單位cm；η表示黏度，單位mPa·s。

表1 SBS70#瀝青的三大指標(biāo)和黏度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Three indexes and viscosity test results of SBS70#asphalt老化時(shí)間/min軟化點(diǎn)T/℃針入度P/0.1 mm5 ℃延度 Y/cm135 ℃黏度η/(mPa·s)079.961.223.91 7104070.850.415.31 8308568.039.29.42 03318072.52765.32 7332708120.73.15 060

表1結(jié)果表明：

a.SBS70#改性瀝青的針入度和延度隨著老化時(shí)間的增大而減小，黏度隨著老化時(shí)間的增大而增大，此結(jié)論與張娟[14]等的研究結(jié)論一致。

b.SBS70#改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著瀝青老化時(shí)間的增大先減小后增大。

將SBS70#改性瀝青進(jìn)行公式擬合，得到圖2。

圖2 SBS70#改性瀝青三大指標(biāo)和黏度擬合圖

由圖2可知：

a.SBS70#改性瀝青的針入度、延度和粘度隨老化時(shí)間變化的規(guī)律均呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的規(guī)律，其擬合出來的函數(shù)相關(guān)度均在0.9以上，這點(diǎn)符合聶憶華[15]等的研究成果。

b.SBS70#改性瀝青的軟化點(diǎn)隨老化時(shí)間變化的規(guī)律大致呈現(xiàn)出拋物線的規(guī)律。

c.隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，SBS70#改性瀝青延度的下降趨勢(shì)較為平緩，而針入度和黏度的變化趨勢(shì)要?jiǎng)×乙恍?/p>

3.2 不可恢復(fù)蠕變模量Jnr

Jnr用來衡量瀝青的殘余變形，Jnr越小，瀝青的殘余變形越小，高溫條件下抗變形能力越好。圖3為SBS70#改性瀝青的Jnr圖，表2為擬合公式。

圖3 SBS70#改性瀝青Jnr圖

表2 基于不可恢復(fù)蠕變模量的擬合方程Table 2 Fitting equation based on non recoverable creep modulus試驗(yàn)參數(shù)試驗(yàn)溫度/℃擬合公式相關(guān)系數(shù)58Jnr 0.1=3.543 t3-1.618 t2+0.002 t+0.032R2=0.959 05Jnr 0.164Jnr 0.1=4.792 t3-2.124 t2+0.002 t+0.156R2=0.998 7970Jnr 0.1=7.890 t3-3.920 t2+0.004 t+0.275R2=0.989 0158Jnr 3.2=3.418 t3-1.512 t2+0.001 t+0.085R2=0.965 02Jnr 3.264Jnr 3.2=7.048 t3-3.082 t2+0.003 t+0.226R2=0.980 5770Jnr 3.2=1.442 t3-6.953 t2+0.007 t+0.406R2=0.999 96

從圖3和表2可以看出：

a.老化前后SBS70#改性瀝青在3種試驗(yàn)溫度下的Jnr值都呈現(xiàn)出三次函數(shù)的規(guī)律，其擬合出的公式相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。

b.老化前后SBS70#改性瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2值均隨試驗(yàn)溫度的升高而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，說明溫度越高，殘余變形就越大，瀝青的高溫抗變形能力也就越差。

c.當(dāng)試驗(yàn)溫度為58 ℃和64 ℃時(shí)，SBS70#改性瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2值隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)先增大后減小，在老化時(shí)間為40 min時(shí)，Jnr0.1和Jnr3.2值最大，當(dāng)老化時(shí)間為270 min時(shí)，Jnr0.1和Jnr3.2值最小，說明SBS70#改性瀝青的抗高溫變形能力隨著瀝青老化時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出先弱后強(qiáng)的趨勢(shì)，在老化時(shí)間為40 min時(shí)高溫抗變形能力最差，在老化時(shí)間為270 min時(shí)高溫抗變形能力最好。

d.當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)，SBS70#改性瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2值同樣隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在老化時(shí)間為85 min時(shí)，Jnr0.1和Jnr3.2值最大，在老化時(shí)間為270 min時(shí)，Jnr0.1和Jnr3.2值最小，說明SBS70#改性瀝青的抗高溫變形能力隨著瀝青老化時(shí)間的增長(zhǎng)先弱后強(qiáng)，在老化時(shí)間為85 min時(shí)高溫抗變形能力最差，在老化時(shí)間為270 min時(shí)高溫抗變形能力最好。

e.將圖3(a)和圖3(b)比較，發(fā)現(xiàn)老化前后的SBS70#改性瀝青Jnr3.2均大于Jnr0.1，說明荷載是影響老化前后SBS70#改性瀝青高溫抗變形能力的一個(gè)重要因素，荷載越大，老化前后SBS70#改性瀝青的高溫抗變形能力越差。

3.3變形回復(fù)率R

瀝青的變形可以分為彈性變形和塑性變形2個(gè)部分，變形回復(fù)率R可以用來衡量瀝青彈性變形的強(qiáng)弱，R越大，瀝青的彈性變形越大。圖4為老化前后SBS70#改性瀝青的R圖。

從圖4可以看出：

(a) SBS70#改性瀝青R0.1

a.老化前后的 SBS70#改性瀝青的R0.1和R3.2值都隨試驗(yàn)溫度的升高呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，說明高溫改變了SBS70#改性瀝青的黏彈性組成，溫度越高老化前后的 SBS70#改性瀝青的彈性變形越小，高溫抗變形能力越差，這與Jnr試驗(yàn)結(jié)果相一致。

b.無(wú)論在哪一種試驗(yàn)溫度下，當(dāng)SBS70#改性瀝青老化時(shí)間為0、40、85 min時(shí)，SBS70#改性瀝青的R0.1和R3.2值均呈減小的趨勢(shì)，但當(dāng)老化時(shí)間為180 min時(shí)，SBS70#改性瀝青R0.1和R3.2值出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象(老化時(shí)間為180 min的SBS70#改性瀝青的R0.1和R3.2值大于老化時(shí)間為85 min的SBS70#瀝青的R0.1和R3.2)，隨后又呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，說明SBS70#改性瀝青隨著老化時(shí)間的增大，彈性變形基本呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，在老化時(shí)間為180 min時(shí)出現(xiàn)一個(gè)彈性變形增大的波動(dòng)。

4 結(jié)論

a.試驗(yàn)溫度越高，老化前后的SBS70#改性瀝青的殘余變形越大，瀝青的高溫抗變形能力越差。

b.當(dāng)試驗(yàn)溫度為58 ℃和64 ℃時(shí)，SBS70#改性瀝青的高溫抗變形能力隨著瀝青老化時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)先弱后強(qiáng)的現(xiàn)象，在老化時(shí)間為40 min時(shí)高溫抗變形能力最差，在老化時(shí)間為270 min時(shí)高溫抗變形能力最好。

c.當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)，SBS70#改性瀝青的抗高溫變形能力隨著瀝青老化時(shí)間的增長(zhǎng)先弱后強(qiáng)，在老化時(shí)間為85 min時(shí)高溫抗變形能力最差，在老化時(shí)間為270 min時(shí)高溫抗變形能力最好。

d.荷載是影響老化前后SBS70#改性瀝青的高溫抗變形能力的重要因素，荷載越大，高溫抗變形能力越差，此結(jié)論與胡曼[16]的研究成果一致。

e.試驗(yàn)溫度越高，老化前后的 SBS70#改性瀝青的彈性變形越小，高溫抗變形能力越差，這與Jnr的試驗(yàn)結(jié)果相一致。