基于多应力蠕变恢复试验的温拌沥青高温性能

雷俊安，郑南翔，许新权，吴传海，吕大伟，吕明敏

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420；3.广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510623)

沥青温拌技术不仅能够有效降低沥青混合料在施工过程中的温度，还减少了有害烟气的排放，从而减轻对人体和环境的危害.目前沥青温拌方法主要有4类，即表面活性剂法、有机添加剂法、泡沫沥青法及沥青矿物法[1].温拌剂因具有降黏作用，因此将其加入沥青后，对沥青的性能尤其是高温流变特性的影响十分明显.沥青的高温流变特性反应了沥青高温抗变形能力，抗变形能力强的沥青及其混合料对减少路面车辙病害具有十分重要的意义.

目前，沥青高温性能的研究多采用动态剪切流变试验(DSR)，并采用车辙因子(G*/sinδ)对沥青的高温性能进行评价.汪海年等[2-3]、高俊锋等[4]采用DSR试验，研究了生物沥青及温拌生物沥青结合料高温流变性能.高志伟等[5]、宋云连等[6]采用DSR试验，研究了温拌剂种类、掺量、温度等对沥青流变性能的影响规律.吴建涛等[7]采用DSR试验，研究了沥青膜厚度对流变性的影响.樊亮等[8]进一步提出了多应力蠕变恢复(multi-stress creep reco-very，MSCR)试验也能够很好地反应沥青的流变学特性，并可以用蠕变恢复率、不可恢复蠕变柔量以及应力敏感性评价高温性能.丁海波等[9]采用多应力蠕变恢复试验对沥青进行流变分析，结果表明多应力蠕变恢复试验的蠕变柔量可作为沥青高温性能评价指标.曾诗雅等[10]、唐乃膨等[11]、郭咏梅等[12]基于多应力蠕变恢复试验，研究了改性沥青高温性能.虽然已有研究人员采用MSCR试验研究沥青的高温性能，但是由于目前此方法对温拌沥青高温流变性能的研究尚且不足，尤其是对短期老化前后差异性研究并不多见，为此，笔者采用MSCR试验，研究不同温拌剂种类、温度以及短期老化等因素对沥青高温流变特性的影响，以期为沥青的工程实际应用提供参考.

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

1)沥青.沥青选择壳牌新粤沥青有限公司产的SBSI-D改性沥青以及70#基质沥青.沥青的基本性能指标如表1所示.

表1 沥青的基本性能指标

2)温拌剂.温拌剂选择美德维实伟克有限公司生产的第3代表面活性类温拌剂Evotherm3G，以及深圳海川新材料科技股份有限公司生产的有机添加剂类温拌剂EC120.其中Evotherm3G为黄褐色黏稠状液体，EC120为颗粒状白色固体.

1.2 试验方案

1.2.1温拌沥青制备

将基质沥青加热至130～140 ℃，改性沥青加热至150～160 ℃；待沥青完全融化后，用搅拌机高速搅拌10 min；根据厂家推荐，将温拌剂Evotherm3G和EC120分别按沥青质量的0.6%和3.0%加入热沥青中，然后用搅拌机高速搅拌10 min即可.

1.2.2短期老化试验

对基质沥青(BA)、BA+0.6%Evotherm3G、BA+3%EC120、SBS改性沥青(SBS)、SBS +0.6%Evotherm3G和SBS +3%EC120等6种沥青试样进行短期老化试验，得到老化后的6种沥青试样.试验采用旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)，老化瓶中沥青质量控制为(35.0±0.5)g，老化温度为(163.0±0.5)℃，老化时间为85 min.

1.2.3MSCR试验

MSCR试验的设备为美国TA公司生产的动态剪切流变仪，如图1所示.采用加载-卸载的模式对老化前、后的6种沥青试样进行试验.首先在0.1 kPa的应力水平下，加载1 s，卸载9 s，重复10个周期；然后在3.2 kPa的应力水平下重复上述步骤.整个试验共计20个周期，耗时200 s.图2为1个周期的沥青蠕变和恢复(加载-卸载)曲线.

图1 MSCR试验

图2 沥青的蠕变和恢复曲线

加载过程中，沥青应变达到峰值γp，卸载过程中可恢复的应变为γr，不可恢复的应变为γu.在不同的应力水平(p=0.1，3.2 kPa)下作用N个周期后，每次循环后的应变恢复率γr(p,N)为

(1)

10个周期平均应变恢复率(蠕变恢复率)R(p)为

(2)

每个循环中不可恢复蠕变柔量Jnr计算公式为

(3)

10个周期的平均不可恢复蠕变柔量Jnr(p)为

(4)

通过以上公式可计算得到p=0.1,3.2 kPa时的R(3.2)，R(0.1)，Jnr(3.2)和Jnr(0.1)等4个参数，则计算可得沥青的蠕变恢复率应力敏感性指标Rdiff和不可恢复蠕变柔量应力敏感性指标Jnr-diff，即

(5)

(6)

2 试验结果与分析

2.1 蠕变恢复曲线

通过MSCR试验可以得到不同应力水平和温度下沥青的蠕变与恢复曲线，并据此可以计算得到沥青的蠕变恢复率、不可恢复蠕变柔量以及应力敏感性指标.图3为短期老化前后6种沥青试样在试样温度为64 ℃、应力为0.1 kPa时，第1个周期的蠕变与恢复曲线.

图3 6种沥青的蠕变与恢复曲线

由图3可知：改性沥青的应变曲线有一个明显的蠕变恢复阶段，而基质沥青的恢复曲线并不明显；当加入EC120温拌剂后，基质沥青才表现出蠕变恢复，这表明EC120温拌剂对沥青蠕变恢复性能的提高有一定作用.根据沥青的蠕变与恢复曲线，得到沥青的最大应变值，以及蠕变恢复后的残余应变值，结果如表2和3所示.

表2 沥青峰值应变

从图3和表2可以看出：① EC120温拌剂无论加入基质沥青还是改性沥青中均能降低沥青的峰值应变，而Evotherm3G增加了沥青的峰值应变，表明Evotherm3G能够提高沥青的流动变形特性.② 短期老化后，沥青的峰值应变均小于老化前，基质沥青平均降低了49.5%，改性沥青平均降低了15.7%，可见短期老化对基质沥青影响更加明显.③ 基质沥青的应变远大于改性沥青的应变，基质沥青峰值应变由大到小依次为BA+Evotherm3G，BA，RTFOT/BA+Evotherm3G，BA+EC120，RTFOT/BA和RTFOT/BA+EC120，改性沥青峰值应变由大到小依次为SBS+Evotherm3G，RTFOT/SBS+Evotherm3G，SBS，RTFOT/SBS，SBS+EC120和RTFOT/SBS+EC120.

从图3和表3中可以看出：① EC120温拌剂加入沥青后降低了残余应变，而Evotherm3G温拌剂却增加了沥青的残余应变，表明EC120能够提高沥青的蠕变恢复性能.② 短期老化降低了基质沥青的残余应变，增大了改性沥青的残余应变，表明短期老化对基质沥青的蠕变恢复性有所提高，而对改性沥青有所降低.

表3 沥青残余应变

2.2 蠕变恢复率

蠕变恢复率反应了沥青的变形恢复能力，其值越大，表明沥青恢复变形的能力越强.图4和图5为分别在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下，不同试验温度t时短期老化前后沥青试样的蠕变恢复率.

图4 0.1 kPa应力水平下沥青的蠕变恢复率曲线

图5 3.2 kPa应力水平下沥青的蠕变恢复率曲线

由图4可知：0.1 kPa应力水平下，沥青的蠕变恢复率随温度升高而降低；EC120温拌剂加入沥青后，沥青蠕变恢复率均得到提升，而Evotherm3G温拌剂却降低了沥青的蠕变恢复率；短期老化对基质沥青的蠕变恢复率有所提升，但降低了改性沥青的蠕变恢复率.

由图4和图5可知：在3.2 kPa应力水平下沥青的蠕变恢复率较0.1 kPa时总体上有所降低，表明增大应力水平会降低沥青的蠕变恢复率；表现出来的规律性与0.1 kPa相同，沥青的蠕变恢复率随温度升高而降低，且EC120增加了沥青的蠕变恢复率，Evotherm3G则降低了沥青的蠕变恢复率，两种温拌剂对沥青蠕变恢复率的影响表现相反.

2.3 不可恢复蠕变柔量

不可恢复蠕变柔量反映沥青在不同应力水平下的抗永久变形的能力，其值越小，沥青的抗变形能力越强，高温性能越好.图6和图7为分别在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下，短期老化前后沥青试样的不可恢复蠕变柔量.

图6 0.1 kPa应力水平下沥青不可恢复蠕变柔量曲线

图7 3.2 kPa应力水平下沥青不可恢复蠕变柔量曲线

由图6可知：0.1 kPa应力水平下，沥青的不可恢复蠕变柔量均随温度的升高而增大，且温度对基质沥青不可恢复蠕变柔量的影响比改性沥青更加明显；EC120总体上降低了沥青的不可恢复蠕变柔量，表明EC120提升了沥青高温性能；Evotherm3G增加了沥青的不可恢复蠕变柔量，表明Evotherm3G降低了沥青的高温性能；短期老化后基质沥青的不可恢复蠕变柔量降低明显，表明短期老化提升了基质沥青的高温性能；短期老化增大了改性沥青的不可恢复蠕变柔量，表明短期老化降低了改性沥青的高温性能.

由图6和图7可知：整体上3.2 kPa应力水平下沥青的不可恢复蠕变柔量比0.1 kPa应力水平下有所增大，表明应力水平也会影响沥青的高温性能，且低应力水平下沥青高温性能更好.

2.4 应力敏感性

应力敏感性表征了沥青对应变变化的敏感程度，恢复率的应力敏感性可用恢复率差值的变化率Rdiff来评价，不可恢复蠕变柔量的应力敏感性可用不可恢复蠕变柔量的相对差异Jnr-diff来评价.图8和图9分别为计算得到的沥青应力敏感性指标Rdiff和Jnr-diff曲线.

图8 沥青的应力敏感性指标Rdiff曲线

由图8可知：基质沥青较改性沥青具有更大的Rdiff，且温度越高，沥青恢复率的应力敏感性越大；EC120温拌剂降低了基质沥青恢复率的应力敏感性，Evotherm3G温拌剂则对改性沥青恢复率的应力敏感性有所提高.

由图9可知：改性沥青的Jnr-diff比基质沥青更大；相对于Evotherm3G，EC120对沥青Jnr-diff的影响更为明显，提高了沥青的Jnr-diff.

图9 沥青的应力敏感性指标Jnr-diff曲线

由于Evotherm3G温拌剂是一种液态的表面活性剂产品，主要通过改变沥青的表面能来影响其性能；而EC120温拌剂属于蜡质添加剂，主要是通过其低熔点特性来影响沥青性能.因此，两种温拌剂对沥青的改性结果和作用机理有着明显的区别.

3 结 论

1)Evotherm3G温拌剂增加了沥青的应变，提高了沥青流动变形能力，降低了沥青的蠕变恢复率，而EC120温拌剂降低了沥青的应变，提高了沥青蠕变恢复率.

2)Evotherm3G温拌剂提高了沥青不可恢复蠕变柔量，降低了沥青的高温性能，而EC120温拌剂降低了沥青不可恢复蠕变柔量，增加了沥青高温性能.

3)两种温拌剂均能不同程度地提高沥青的应力敏感性，相对而言，Evotherm3G温拌剂对沥青的Rdiff提高更为明显，而EC120温拌剂对沥青的Jnr-diff提高更为明显.

4)短期老化对沥青的高温性能影响明显，短期老化增大基质沥青的高温性能，但对改性沥青高温性能有所削弱.