基于流变学的RA改性沥青性能研究

2014-06-27 05:59刘黎萍
交通科学与工程 2014年3期
关键词:车辙模量组分

刘黎萍,王 明

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海 201804)

近年来,在重载高温作用下,沥青的流变特性被认为是影响沥青路面车辙形成的主要原因之一[1]。为了防止高温车辙,布敦岩沥青得到了深入研究和应用。这大多是因为布敦岩沥青中的沥青组分属于硬质沥青,其本身具有柔韧性变形能力差的缺点,但同时也具有温度敏感性小和抗车辙能力好等优点[2]。布敦岩沥青的应用研究已经很普遍,目前的研究大多是把印度尼西亚布敦岩沥青(简称为BRA)加入到混合料中,研究BRA对混合料性能的改善程度[3];或是把BRA加入到基质沥青中,与基质沥青加入等量、等级配矿粉物质进行改性效果的研究。其中,杜少文[3]等人的研究证明了岩沥青可以改善混合料的疲劳特性;刘树堂[4]等人对沥青组分的成分进行了研究,证实了其高沥青质和低油分的组成特点。而有关BRA中天然沥青组分对于基质沥青改性流变性能效果的研究,尚未见报道。

现行用于沥青流变性能研究的SHRP试验,并不适合于大颗粒物质存在的改性沥青[5]研究,因此灰分等颗粒物质的存在对沥青组分的改性效果有很大的影响,BRA改性沥青试验结果往往不能正确评价BRA中沥青组分的改性效果。作者拟排除灰分等杂质的干扰,探究BRA中沥青组分对基质沥青性能的改善效果,设定3个不同的掺量,为进一步研究天然岩沥青的本质特点、SBS或硫磺等复合改性沥青或混合料以及BRA在混合料中最佳的掺量范围提供技术支持。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验原材料

选用壳牌A-70#道路石油沥青,技术指标满足相应规范的技术要求;布敦岩沥青为黑色颗粒产品,其技术指标见表1。其中,从BRA中抽提出来的沥青组分RA,25℃针入度为13(0.1mm),软化点为83℃。

表1 布敦岩沥青性能指标Table 1 Performance index of BRA

1.2 沥青组分RA掺量

依据《岩沥青路面工程应用技术指南》[6]推荐的天然岩沥青改性剂的添加量,以沥青混合料为基数的掺量为2%~4%,最佳油石比按5%(研究[2-3]表明,岩沥青掺量在2%~4%时,油石比在4.7%~5.2%之间)计算,BRA中沥青组分的掺量28%,因此,可以计算得到BRA中沥青组分和基质沥青的比例。工程实践中,经常采用以沥青混合料为基数的掺量2%和3%,换算成以沥青为基数的掺量为11.2%~16.8%。以混合料为基数换算成以沥青为基数的换算比例结果见表2。为了简便计算,本研究采用10%,15%及20%3个掺量进行后续研究试验。

表2 换算比例Table 2 The proportion of BRA and RA%

2 试验结果与分析

2.1 动态剪切流变(DSR)试验

动态剪切流变仪是用来测试沥青胶结料粘性和弹性特征的仪器。试验结果中,G*为复数剪切模量;δ为相位角;G*/sinδ为高温劲度系数,即抗车辙因子,该系数越大,代表沥青变形越小,越有利于抵抗大车辙产生。采用英国Bohlin的动态剪切流变仪,试验按AASHTOT315的要求进行。采用应变控制模式.试验中原样沥青设置应变为12%,RTFOT老化后设置应变为10%。根据Superpave规范,原样沥青抗车辙因子G*/sinδ≥1.0kPa,RTF OT老化后沥青抗车辙因子G*/sinδ≥2.2kPa。

不同掺量改性沥青原样和RTFOT老化后,抗车辙因子试验结果分别见表3,4。

表3 原样沥青的抗车辙因子Table 3 The G*/sinδof the original asphalt

从表3,4中可以看出:

1)随着沥青组分RA掺量的增加,抗车辙因子逐渐增大,沥青抗变形能力增强,高温流变特性显著改善。原样沥青在64℃时,沥青组分掺量为10%的改性沥青使得基质沥青的抗车辙因子由1.343kPa提高到2.244kPa;掺量为20%的改性沥青使得基质沥青的抗车辙因子由1.343kPa增加到3.334kPa,提高近2.5倍;RTFOT老化后沥青,掺量为10%的改性沥青使得基质沥青的抗车辙因子提高1.13倍;掺量为20%的改性沥青使得基质沥青的抗车辙因子提高3.8倍。

2)由于SHRP高温PG分级温度区间范围较大,因此,沥青组分掺量为10%和15%的改性沥青无论是原样沥青还是RTFOT老化后,均比基质沥青提高了1个温度等级,原样沥青由PG64变为PG70,RTFOT由PG58提升到PG64。

3)依据SHRP胶结料规范PG分级体系,掺量10%和15%岩沥青改性沥青的温度等级均为64℃,比基质沥青提高了1个温度等级;掺量20%岩沥青改性沥青提高了2个温度等级,为70℃,可以达与SBS相同的温度等级。

表4 老化后沥青的抗车辙因子Table 4 The G*/sinδof RTFOT asphalt

2.2 弯曲梁流变试验

在低温下,如果沥青材料的蠕变模量太大,路面容易开裂。因此,为防止路面开裂破坏,需要限制沥青材料的蠕变模量。本研究采用Cannon公司的9728-V30型低温弯曲梁流变仪来测量沥青在极低温度下的蠕变模量,在BBR试验中有2个参数,即蠕变模量S和m。按Superpave规范要求,计算得到的t=60s时的沥青蠕变模量S≤300MPa,m≥0.30(其中:蠕变模量S为测量沥青抵抗荷载的能力;m为测量加载后沥青劲度变化的速率)。m越大越好,这意味着当温度下降而路面出现收缩时,沥青结合料的响应将会降低沥青材料的劲度,减小材料中的拉应力,低温开裂的可能性也随之降低。为了探讨改性沥青的低温性能,在-6℃和-12℃条件下,分别对改性沥青原样、RTFOT老化和PAV老化试样进行了弯曲流变试验。在-6℃和-12℃条件下,BBR试验蠕变劲度S和m的测试结果分别如图1,2所示。

从图1,2中可以看出:

1)无论是-6℃还是-12℃试验结果,随着沥青组分RA掺量的增加,改性沥青蠕变模量S增大,m减小,沥青胶结料变硬,松弛能力降低。

2)随着BRA中沥青组分(RA)的增加,改性沥青的低温性能有所降低。但是,依据Superpave规范,掺量为5%~15%的改性沥青均满足蠕变劲度模量S≤300MPa且m≥0.3的要求,其温度等级均为-22℃。

3)依据笔者的研究发现,在-6℃温度条件下,15%RA掺量的改性沥青相比10%RA掺量的改性沥青,其低温性能要好;在-12℃温度条件下,15%RA掺量和10%RA掺量的改性沥青低温性能一致。可见,在RA掺量小于15%时,改性沥青的低温性能相对比较稳定。

4)通过适当控制RA的掺量,改性沥青的低温性能还是可以得到保证的。依据笔者的研究,为了保证改性沥青低温性能,RA的掺量不宜大于15%。

5)从弯曲梁流变试验结果来看,RA改性沥青的低温性能远不如SBS改性沥青的。

2.3 Brookfield旋转粘度试验

粘度是流体抗流动的程度,较真实地反映了路面在高温条件下的实际使用情况。粘度大的沥青在荷载作用下产生的剪切变形小,弹性恢复能力好,残留的永久性塑性变形小,说明抵抗车辙能力强。采用美国Brookfield DV-O型数字式粘度仪测定改性沥青的粘度,不同掺量沥青组分改性沥青在不同温度下的粘温曲线如图3所示。

图3 改性沥青的粘温曲线Fig.3 Viscosity-temperature curve of modified asphalt

从图3中可以看出,沥青组分(RA)的加入可以增大基质沥青的粘度。随着RA掺量的增加,改性沥青的旋转粘度逐渐增大,并且均满足规范不大于3Pa·s的要求。掺量为10%的改性沥青使得基质沥青120℃的粘度从1.228Pa·s提高到1.612Pa·s,提高了近30%;掺量为20%的岩沥青改性沥青使得基质沥青135℃的粘度从0.775Pa·s提高到1.274Pa·s,提高了近64%。这是因为BRA中的沥青组分RA含氮量高[7],氮元素以官能团的形式存在,这种存在形式使得沥青的粘度增大,抗氧化性增强,因此,RA在改善沥青粘度的同时,也降低了沥青粘度的温度敏感特性。

由于聚合物SBS的存在,SBS改性沥青提升粘度的效果优于天然岩沥青的。因此,从提升基质沥青粘度的效果来看,BRA中RA改性沥青的改善效果不及SBS改性沥青的。

3 结论

1)BRA中沥青组分RA的加入使得基质沥青的抗车辙因子显著提高;掺量为10%和15%时,可以使得基质沥青提高1个温度等级;岩沥青掺量为20%时,可以使得基质沥青提高2个温度等级,与SBS改性沥青达到了相同的温度等级。

2)随着沥青组分RA掺量的增加,改性沥青的蠕变模量S增大,m减小,沥青胶结料变硬,松弛能力降低。但是,依据Superpave规范,掺量为5%~15%的改性沥青均满足蠕变劲度模量S≤300MPa且m≥0.3的要求,其温度等级均为-22℃。

3)随着沥青组分RA掺量的增加,改性沥青的粘度逐渐增大,均满足规范标准不大于3Pa·s的要求。这是因为BRA中的沥青组分RA含氮量高,氮元素以官能团的形式存在,这种存在形式使沥青粘度增大,抗氧化性增强。

4)依据本研究的成果,实际工程应用中,为了保证BRA中沥青组分与混合料中沥青达到最好的融合效果和BRA混合料的低温性能,以基质沥青为基数,沥青组分RA掺量不宜大于15%。

(References):

[1]Marasteanu M O,Clyne T,McGraw J,et al.Hightemperature rheological properties of asphalt binders[J].Journal of the Transportation Research Board,2005(1):52-59.

[2]曲恒辉.国产天然岩沥青微观结构分析及性能研究[D].济南:山东大学,2012.(QU Heng-hui.Microscopic structure analysis and performance of domesticnatural shale asphalt[D].Jinan:Shandong University,2012.(in Chinese))

[3]杜少文.岩沥青SBS复合改性沥青混合料的性能与机理[J].建筑材料学报,2012,15(6):871-874.(DU shao-wen.Performance and mechanism of BRA-SBS polymer composite modified asphalt mixture[J].Journal of Building Materials,2012,15(6):871-874.(in Chinese))

[4]刘树堂,杨永顺,房建果,等.布敦岩沥青改性沥青混合料试验研究[J].同济大学学报:自然科学版,2007,35(3):351-355.(LIU Shu-tang,YANG Yong-shun,FANG Jian-guo,et al.Experimental research of bituminous mixtures modified by buton rock asphalt[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2007,35(3):351-355.(in Chinese))

[5]白琦峰,钱振东,赵延庆.基于流变学的沥青抗疲劳性能评价方法[J].北京工业大学学报,2012(10):1536-1542.(BAI Qi-feng,QIAN Zhen-dong,ZHAO Yan-qing.Asphalt fatigue resistance evaluation method based on the rheology[J].Journal of Beijing University of Technology,2012(10):1536-1542.(in Chinese))

[6]曹东伟,刘清泉,路军,等.岩沥青路面工程应用技术指南[M].北京:交通部公路科学研究院,2008.(CAO Dong-wei,LIU Qing-quan,LU Jun,et al.Technology guide for natural rock asphalt application in pavement engineering[M].Beijing:Research Institute of Highway Ministry,2008.(in Chinese))

[7]黄文通,徐国元.布敦岩沥青混合料路用性能的试验研究[J].华南理工大学学报:自然科学版,2012,40(2):87-91.(HUANG Wen-tong,XU Guo-yuan.Experimental investigation into pavement performance of Buton[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition,2012,40(2):87-91.(in Chinese))

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