温拌沥青高温流变性能研究

雷俊安, 郑南翔, 许新权, 吴传海, 吕大伟

(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地降低沥青混合料在施工过程中的温度,而且还减少了有害烟气的排放,从而减轻了对人体和环境的危害.目前沥青温拌方法主要有4类：表面活性剂法、有机添加剂法、泡沫沥青法和沥青矿物法[1].温拌剂具有降黏作用,加入到沥青中对沥青的性能尤其是高温流变特性影响显著.沥青高温流变特性反映了沥青的高温抗变形能力,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.

沥青的高温流变特性研究多采用动态剪切流变(dynamic shear rheological,DSR)试验,并采用车辙因子(G*/sinδ)来评价沥青的高温性能.汪海年等[2-4]采用DSR试验研究了生物沥青和温拌生物沥青结合料的高温流变性能;高志伟等[5]、宋云连等[6]等采用DSR试验研究了温拌剂种类、掺量和温度等因素对沥青流变性能的影响;吴建涛等[7]采用DSR试验研究了沥青膜厚度对沥青流变性能的影响.有学者进一步提出了多应力蠕变恢复(multi-stress creep recovery,MSCR)试验也能够很好地反映沥青的流变学特性[8],并可以用蠕变回复率和不可回复蠕变柔量来评价其高温性能.丁海波等[9]采用MSCR试验对沥青进行流变分析,发现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]和郭咏梅等[12]基于MSCR试验研究了改性沥青的高温性能.但是,基于MSCR试验对温拌沥青的高温流变性能,尤其是短期老化前后的差异性研究不足.本文同时采用DSR试验和MSCR试验研究温拌剂种类、温度和短期老化对沥青高温流变特性的影响,并对2种试验得到的指标进行灰色关联分析,找出二者之间的关联性.

1 试验

1.1 试验材料

1.1.1沥青

沥青选择壳牌新粤沥青有限公司产SBS改性沥青和70#基质沥青,沥青的基本性能指标见表1.

1.1.2温拌剂

温拌剂为美德维实伟克有限公司产第3代表面活性类温拌剂Evotherm3G和深圳海川新材料科技股份有限公司产有机添加剂类温拌剂EC120,其中Evotherm3G为黄褐色黏稠状液体,掺量为沥青质量的0.6%,EC120为颗粒状白色固体,掺量为沥青质量的3.0%.

1.2 试验方法

首先,将Evotherm3G和EC120分别掺加到基

表1 沥青的基本性能指标

质沥青和SBS改性沥青中制成温拌沥青;然后,将沥青试样进行短期老化;最后,对沥青试样进行DSR试验和MSCR试验,并对试验结果进行分析.

1.2.1RTFOT

对基质沥青、基质沥青+0.6%Evotherm3G、基质沥青+3.0%EC120、SBS改性沥青、SBS改性沥青+0.6%Evotherm3G和SBS改性沥青+3.0%EC120进行短期老化试验.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85min.

1.2.2DSR

图1 DSR试验示意图Fig.1 Diagram of DSR test

采用美国TA公司生产的动态剪切流变仪分别对短期老化前后共12种试样进行DSR试验.试验时将沥青试样夹在2块φ25mm的平行板之间,板间距为1mm,1块固定,1块围绕平行板的中心轴线来回转动,DSR试验示意图如图1所示.振荡板沿A-B-A-C-A转动形成1个循环周期,转动频率为10rad/s,试验温度依次设置为58、64、70、76、82℃.DSR试验结果如图2所示.图中τmax、τmin为最大、小剪切应力，γmax、γmin为最大、小剪切应变.通过计算分析可以得出相位角δ、复数剪切模量G*和车辙因子G*/sinδ等指标.

图2 DSR试验结果Fig.2 Results of DSR test

1.2.3MSCR

MSCR试验设备也是动态剪切流变仪,采用加载-卸载的模式对12种沥青试样进行试验.首先,在0.1kPa的应力水平下,加载1s,卸载9s,重复10个周期;紧接着在3.2kPa的应力水平下重复上述步骤,整个试验共20个周期,耗时200s.1个周期的加载-卸载曲线如图3所示.加载过程中沥青的应变达到峰值γp,卸载过程中可恢复的应变为γr,不可恢复的应变为γu.

图3 沥青蠕变和恢复曲线Fig.3 Creep and recovery curve of asphalt

每次循环后的蠕变恢复率γr(P,N)为：

(1)

式中：P为载荷，即应力水平，N；N为加载次数.

10个周期的平均应变恢复率为R(P)为：

(2)

每个循环中不可恢复蠕变柔量Jnr(P,N)为：

(3)

10个周期的平均不可恢复蠕变柔量Jnr(P)为：

(4)

2 试验结果与分析

2.1 DSR试验

通过对12种沥青试样进行不同温度下的DSR试验,分别得出短期老化前后温拌沥青的相位角δ、复数模量G*和车辙因子G*/sinδ.

2.1.1相位角

相位角δ反映了沥青结合料黏性和弹性成分的比例.δ越大,沥青黏性成分越大,反之弹性成分越大.图4为短期老化前后温拌沥青相位角随温度变化的曲线.由图4可见：短期老化前，基质沥青和温拌基质沥青的相位角均随着温度的升高逐渐增大,改性沥青的相位角却随温度升高而降低,并且在掺加EC120后降低的更为明显,但是掺加Evotherm3G后相位角降低不大,且老化后随温度的升高而有所增大;短期老化后，基质沥青和温拌基质沥青的相位角均小于老化之前,而改性沥青和温拌改性沥青的相位角均大于老化前;掺加EC120后基质沥青相位角变化不明显,但改性沥青相位角显著降

图4 沥青相位角随温度变化曲线Fig.4 Temperature dependence curves of asphalt phase angle

低,老化前平均降低了7.0°左右,老化后平均降低了3.0°左右;与EC120相反,Evotherm3G无论是掺加到基质沥青还是改性沥青中,均能显著增加沥青的相位角,老化前基质沥青增加0.4°,改性沥青增加1.6°左右,老化后基质沥青增加0.8°，改性沥青增加4.5°左右.

2.1.2复数模量

复数模量G*表征了沥青抵抗变形的能力,其值越大,沥青抵抗变形的能力越强.图5为短期老化前后温拌沥青复数模量随温度变化的曲线.

图5 沥青复数模量随温度变化曲线Fig.5 Temperature dependence curves of complex modulus of asphalts

由图5可见：12种沥青试样的复数模量均随着温度的升高而逐渐降低,降低的速率先快后慢,并逐渐趋于稳定;短期老化后沥青的复数模量均大于老化前,表明短期老化增加了沥青的抗变形能力;对于基质沥青,老化前后2种温拌剂均降低了沥青的复数模量,且Evotherm3G比EC120降低得更多;对于改性沥青,老化前2种温拌剂均降低了改性沥青的复数模量,但老化后EC120增加了改性沥青的复数模量,表明EC120温拌沥青对抵抗变形的能力优于Evotherm3G温拌沥青.

2.1.3车辙因子

车辙因子G*/sinδ是沥青高温性能的评价指标,G*/sinδ越大,沥青高温性能越好.表2为计算得到的沥青车辙因子.

表2 短期老化前后沥青的车辙因子

由表2可见：短期老化前后12种沥青试样的车辙因子均随着温度的增加而降低,相同温度下老化后沥青的车辙因子均大于老化前;无论老化前后,Evthrom3G均降低了基质和改性沥青的车辙因子,而EC120降低了基质沥青的车辙因子，却增大了改性沥青的车辙因子;沥青的车辙因子由大到小依次为：SBS改性沥青+EC120>SBS改性沥青>SBS改性沥青+Evthrom3G>基质沥青>基质沥青+EC120>基质沥青+Evthrom3G.

2.2 MSCR试验

通过MSCR试验可以得到不同应力水平和温度条件下沥青的蠕变与恢复曲线,并据此计算得到沥青的蠕变恢复率和不可恢复蠕变柔量等指标.图6为短期老化前后12种沥青试样在64℃、0.1kPa条件下第1个周期的蠕变与恢复曲线.由图6可见：改性沥青的应变曲线有1个明显的蠕变恢复阶段,而基质沥青恢复并不明显,当掺加EC120后,基质沥青才表现出缓慢地恢复,这表明EC120对沥青的蠕变恢复性能有所提高;EC120掺加到沥青中降低了沥青的应变,而Evotherm3G增大了沥青的应变,表明Evotherm3G能够提高沥青的流动变形特性;短期老化后,沥青的应变均小于老化前,基质沥青的峰值应变平均降低了49.5%,改性沥青的峰值应变平均降低了15.7%,短期老化对基质沥青影响更明显.

图6 沥青蠕变与恢复曲线Fig.6 Creep and recovery curves of asphalts

2.2.1蠕变恢复率

蠕变恢复率R(P)反映了沥青变形恢复的能力,其值越大,表明沥青恢复变形的能力越强.图7、

8所示分别为0.1、3.2kPa应力水平下沥青的蠕变恢复率.由图7可见：0.1kPa应力水平下沥青的蠕变恢复率随温度升高而降低,掺加EC120之后,无论是基质还是改性沥青的蠕变恢复率有所增加,而Evotherm3G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.

图7 0.1kPa应力水平下沥青蠕变恢复率Fig.7 Creep recovery rate of asphalt at 0.1kPa stress level

图8 3.2kPa应力水平下沥青蠕变恢复率Fig.8 Creep recovery rate of asphalt at 3.2kPa stress level

由图8可见：3.2kPa应力水平下沥青的蠕变恢复率较0.1kPa整体上有所降低,这表明应力越大沥青越易产生不可恢复的变形.

2.2.2不可恢复蠕变柔量

不可恢复蠕变柔量Jnr(P)反映沥青抵抗永久变形的能力,其值越小,沥青的抗变形能力越强,高温性能越好.图9、10分别为0.1、3.2kPa应力水平下沥青的不可恢复蠕变柔量.

图9 0.1kPa应力水平下沥青不可恢复蠕变柔量Fig.9 Unrecoverable creep compliance of asphalt at 0.1kPa stress level

由图9可见：0.1kPa应力水平下沥青的Jnr(P)均随温度的升高而增大,温度对基质沥青的Jnr(P)影响比改性沥青更加明显;EC120降低了基质和改性沥青的Jnr(P),表明其提升了沥青的高温性能,而Evotherm3G增加了基质和改性沥青的Jnr(P),表明其降低了沥青的高温性能.

图10 3.2kPa应力水平下沥青不可恢复蠕变柔量Fig.10 Unrecoverable creep compliance of asphalt at 3.2kPa stress level

由图10可见：3.2kPa应力水平比0.1kPa下沥青的Jnr(P)整体上有所增大,表明低应力下沥青的抗变形能力更好.

2.3 各指标灰色关联分析

为了探究DSR和MSCR试验结果之间的关联性,采用灰色理论对70#、70#+EC120、70#+Evotherm3G,SBS、SBS+EC120、SBS+Evotherm3G这6种沥青试样的车辙因子、蠕变恢复率和不可恢复蠕变柔量(64℃,3.2kPa条件下)3个指标进行灰色关联分析,结果如表3所示.

设X0=(x0(1),x0(2),…,x0(n))为参考序列,Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n))为比较序列,则Xi与X0灰色关联度的计算步骤有以下5步[13].

(1)求各序列的初值像：

X′i=Xi/xi(1)=(x′i(1),x′i(2),…,x′i(n)),
i=0,1,…,m

(5)

表3 沥青流变性能

(2)求差序列：

Δi(k)=|x′0(k)-x′i(k)|,Δi=(Δi(1),
Δi(2),…,Δi(n)),i=1,2,…,m

(6)

(3)求两极最大差和最小差：

(7)

(4)求关联系数：

(8)

(5)计算关联度：

(9)

通过对表3数据进行计算,可以得到R(P)与G*/sinδ的灰色关联度为0.677,Jnr(P)与G*/sinδ的灰色关联度为0.995.Jnr(P)与G*/sinδ的关联度更大,表明Jnr(P)能够在一定程度上反映沥青的高温性能.

3 结论

(1)Evotherm3G增加了沥青的相位角,降低了复数模量和车辙因子,EC120降低了沥青的相位角,增大了改性沥青的复数模量和车辙因子.

(2)Evotherm3G增加了沥青的应变,降低了蠕变恢复率,提高了不可恢复蠕变柔量,EC120降低了沥青的应变,提高了蠕变恢复率,降低了不可恢复蠕变柔量.

(3)短期老化对沥青的流变特性影响明显,增大了沥青的车辙因子,降低了应变变形.

(4)不可恢复蠕变柔量与车辙因子的关联度为0.995,能够在一定程度上反映沥青的高温性能.