趙 宇

（中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，瀝青路面以其優(yōu)越的性能在全國(guó)得到廣泛應(yīng)用。然而隨著車輛數(shù)量的日益增多，車輛軸載不斷加重，加上我國(guó)大部分地區(qū)夏季高溫時(shí)間長(zhǎng)、氣溫高，因此對(duì)瀝青的高溫性能要求不斷提高。在瀝青中摻加各種性能優(yōu)良、價(jià)格適中的改性劑，是提高瀝青高溫性能比較有效的方法。

多聚磷酸（PPA）是一種硫磷類化學(xué)瀝青改性劑。將PPA 摻入基質(zhì)瀝青中，改性劑將與石油瀝青組分中的瀝青醇發(fā)生酯化反應(yīng)，使基質(zhì)瀝青平均分子量增大、瀝青黏度增大、高溫穩(wěn)定性增強(qiáng)，改善了瀝青的高溫性能。

長(zhǎng)期以來(lái)，SHRP對(duì)瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)方法是采用動(dòng)態(tài)剪切蠕變儀DSR 對(duì)未老化及RTFO 老化瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，在不同的溫度和荷載頻率下測(cè)得車轍因子G*/sinδ作為高溫性能指標(biāo)。但后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，車轍因子G*/sinδ對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)效果雖然較好，但不能準(zhǔn)確地對(duì)改性瀝青高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

多應(yīng)力蠕變恢復(fù)（Multiple Stress Creep Recovery，MSCR）試驗(yàn)［1-3］，目前被用作研究Superpave 高溫性能指標(biāo)G*/sinδ的替代指標(biāo)。2008 年，作為Superpave 性能規(guī)范中新的進(jìn)展，MSCR 被編入ASTM和AASHTO規(guī)范中，并進(jìn)行了多次修訂完善。

綜上所述，使用MSCR試驗(yàn)可以更好地評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能。本研究對(duì)不同摻量的PPA改性瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn)，從而評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能。

1 材料和性能

本研究中選用70 號(hào)A 級(jí)石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。由表1 可知，本研究選用的基質(zhì)瀝青滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的技術(shù)要求［4］。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

多聚磷酸（PPA）是由磷酸（H3PO4）加熱脫水縮合而成。本研究所用多聚磷酸（PPA）為市售產(chǎn)品，購(gòu)自濟(jì)南盈動(dòng)化工有限公司。

2 試驗(yàn)方法

2.1 改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃，摻入預(yù)定比例的PPA，摻加過程中不斷攪拌，使得PPA 均勻混合于基質(zhì)瀝青中，并將混合物放入150～160 ℃的烘箱中，發(fā)育1 h 后取出，在150～160 ℃的溫度下采用高速剪切機(jī)以3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速剪切1 h。在高速剪切后可以觀察到瀝青質(zhì)地均勻，冷卻后呈光滑的鏡面，即制得PPA 改性瀝青。基質(zhì)瀝青也使用同樣的制備方法，得到空白樣。

2.2 改性瀝青的老化試驗(yàn)

老化試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［5］中T0610—2011“瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)”方法進(jìn)行。

2.3 改性瀝青的性能測(cè)試

多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)選用的儀器是動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR，對(duì)經(jīng)瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱（RTFOT）老化的瀝青樣品進(jìn)行試驗(yàn)。首先，用0.1 kPa 的剪切應(yīng)力加載1 s，卸載9 s，重復(fù)20 個(gè)周期。然后，用3.2 kPa 的剪切應(yīng)力加載1 s，卸載9 s，重復(fù)10 個(gè)周期。整個(gè)試驗(yàn)共30 個(gè)周期，耗時(shí)300 s。其中，0.1 kPa 剪切應(yīng)力的前10 個(gè)周期用于調(diào)整試樣，數(shù)據(jù)不予采納。由計(jì)算機(jī)繪制出累計(jì)應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系曲線，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的3.2 kPa 剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2值和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff。

3 參數(shù)的計(jì)算和意義

在一次由加載至卸載的過程中，瀝青均經(jīng)歷了由蠕變至恢復(fù)兩個(gè)階段，其應(yīng)變—時(shí)間變化曲線如圖1所示。

圖1 應(yīng)變—時(shí)間變化示意

每個(gè)周期恢復(fù)階段的末期（10 s 后）校正應(yīng)變值γ10的計(jì)算公式見式（1）。

式中：γ10為每個(gè)周期在恢復(fù)階段末期（10 s 后）的應(yīng)變校正值；γr為每個(gè)周期在恢復(fù)階段末期（10 s后）的應(yīng)變值；γ0為每個(gè)周期在蠕變階段開始的初始應(yīng)變值。

0.1 kPa 剪切應(yīng)力下每個(gè)周期中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr（0.1，N）的計(jì)算公式見式（2）。

式中：Jn（r0.1，N）是0.1 kPa剪切應(yīng)力下第N周期中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，其中N取11到20。

0.1 kPa 剪切應(yīng)力下10 個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1的計(jì)算公式見式（3）。

式中：Jnr（0.1，N）是0.1 kPa 剪切應(yīng)力下10 個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?/p>

3.2 kPa 剪切應(yīng)力下每個(gè)周期中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr（3.2，N）的計(jì)算公式見式（4）。

式中：Jnr（3.2，N）是3.2 kPa剪切應(yīng)力下第N周期中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，其中N取1到10。

3.2 kPa 剪切應(yīng)力下10 個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2的計(jì)算公式見式（5）。

式中：Jnr（3.2，N）是3.2 kPa 剪切應(yīng)力下10 個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?/p>

3.2 kPa 與0.1 kPa 時(shí)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異的計(jì)算公式見式（6）。

車轍現(xiàn)象是由不可恢復(fù)應(yīng)變的積累造成的，因此平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr是新標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要指標(biāo)。平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr越大，說(shuō)明瀝青抗車轍能力越弱，高溫性能越差。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff反映改性瀝青黏彈性能對(duì)于應(yīng)力變化的敏感性，Jnrdiff越大，瀝青黏彈性能對(duì)應(yīng)力變化的敏感性越強(qiáng)。按照AASHTO M332-14 規(guī)范要求，3.2 kPa剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2不得大于4.5 kPa-1，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff不得大于75%。

4 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

本研究采用德國(guó)SmartPave 型號(hào)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀，按照AASHTO T350 的要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果按要求采用Jnr3.2和Jnrdiff，且須滿足Jnr3.2≤4.5 kPa-1，Jnrdiff≤75%。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 PPA改性瀝青MSCR試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可以看出，在同一溫度下，PPA 改性瀝青在3.2 kPa剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2均隨著PPA 摻量的增加而減小，說(shuō)明摻入PPA 可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能，增強(qiáng)瀝青的抗車轍能力。

另外，PPA 改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff隨著PPA 摻量的增加而增大，說(shuō)明瀝青黏彈性能對(duì)應(yīng)力變化的敏感性增強(qiáng)。然而，對(duì)于不同摻量PPA 改性瀝青的Jnrdiff，均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的75%，這說(shuō)明瀝青對(duì)應(yīng)力變化的敏感性增強(qiáng)的幅度較小，但符合規(guī)范要求。

5 改性瀝青PG高溫連續(xù)分級(jí)

按照ASTM D7643-10 規(guī)范要求，本研究采用RTFO 老化瀝青Jnr3.2=4.5 kPa-1所對(duì)應(yīng)的連續(xù)分級(jí)溫度作為PG 高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT（High Continuous Grading Temperature）。

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2的連續(xù)分級(jí)溫度則應(yīng)按式（7）取線性插值進(jìn)行計(jì)算。

式中：TC是分級(jí)溫度，℃；T1、T2是兩種試驗(yàn)運(yùn)算溫度，℃，且T2比T1高6 ℃；PS是不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2對(duì)應(yīng)的PS=4.5；P1、P2是兩種試驗(yàn)溫度T1、T2所對(duì)應(yīng)Jnr3.2值。

分析PPA 改性瀝青MSCR 試驗(yàn)結(jié)果，得到不同摻量PPA 改性瀝青的高溫連續(xù)分級(jí)溫度，見表3。PPA改性瀝青的HT如圖2所示。

圖2 PPA改性瀝青的HT

表3 不同摻量PPA改性瀝青的高溫連續(xù)分級(jí)溫度

由表3 和圖2 可知，隨著PPA 摻量的增加，PPA改性瀝青的高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT 逐漸增大。摻量為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的PPA改性瀝青，其HT分別為基質(zhì)瀝青的102.8%、106.4%、109.0%、112.9%、117.9%。說(shuō)明PPA 改性瀝青PG 高溫等級(jí)隨PPA 摻量的增加而上升，PPA 可以明顯增強(qiáng)基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍能力，改善瀝青的高溫性能。

6 結(jié)論

本研究通過RTFO 老化后的PPA 改性瀝青進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)MSCR 試驗(yàn)，采用3.2 kPa 剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2值、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff和PG 高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT 作為指標(biāo)，評(píng)價(jià)了不同摻量的PPA 改性瀝青結(jié)合料的高溫性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析得出以下結(jié)論。

①PPA 改性瀝青的3.2 kPa 剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2隨著PPA 的摻量的增大而減小，說(shuō)明摻入PPA可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能，增強(qiáng)瀝青的抗車轍能力。

②PPA 改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff隨著PPA 摻量的增加而增大，說(shuō)明瀝青黏彈性能對(duì)應(yīng)力變化的敏感性增強(qiáng)。然而，對(duì)于不同摻量PPA 改性瀝青的Jnrdiff，均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的75%，這說(shuō)明瀝青對(duì)應(yīng)力變化的敏感性增強(qiáng)的幅度較小，但符合規(guī)范要求。

③PPA 改性瀝青PG 高溫等級(jí)隨PPA 摻量的增大而提升，說(shuō)明PPA 可以明顯增強(qiáng)基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍能力，改善瀝青的高溫性能。