基于MSCR试验的沥青高温性能研究与花岗片麻岩沥青混合料高温性能预测*

刘 钊 尹亚东 代俊丰 罗 蓉

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063) (湖北长江路桥股份有限公司3) 武汉 430200)

0 引 言

花岗片麻岩是由花岗岩经变质作用形成的典型弱酸性石料，与沥青的结合能力较差，在高温地区使用时除了要考虑沥青与花岗片麻岩黏附性不足的问题，还要考虑沥青混合料的高温性能[1].

为了改善花岗片麻岩与沥青的黏附性，可以采取不同种类沥青与其成型沥青混合料，而不同的沥青高温性能不同，其又会影响沥青混合料的高温性能.因此在制备花岗片麻岩沥青混合料时需要在保证花岗片麻岩与沥青黏附性满足要求的同时确保混合料有良好的抵抗高温变形能力.而传统的评价沥青混合料抗高温性能的方法为车辙试验，对于有多种沥青选择方案的混合料来说，此方法耗时较长，试验繁琐.因此，文中通过MSCR试验检测不同沥青的高温性能，并通过高温车辙试验制备不同种类花岗片麻岩沥青混合料车辙板，测试其动稳定度，反映沥青混合料的高温性能并与沥青高温性能指标建立联系，采用沥青的高温性能预测沥青混合料的高温性能，分析得出高温性能最佳的花岗片麻岩沥青混合料.

1 MSCR试验

1.1 试验原理

MSCR试验全称为多应力重复蠕变恢复试验，其可以很好地反映沥青在不同的应力作用水平下的形变特性，而且在应力作用加载结束后，沥青材料部分产生蠕变变形恢复，而其中不可恢复的部分变形累加到下个循环荷载过程中，该原理可以很好地模拟实际服役中沥青所受荷载作用.MSCR试验通过改性沥青的蠕变恢复率R和不可恢复蠕变柔量Jnr,以及对应的应力敏感性指标Rdiff、Jnr-diff作为评价方法.其中Jnr与沥青混合料的抗车辙性能有着密切的相关性，并可以为沥青样品的PG分级提供很好的理论支持.

试验所用的仪器为动态剪切流变仪DSR，其工作原理为通过给予沥青试验一定大小的转矩，使其边缘产生剪应力，进而通过产生的应变计算分析得出对应的力学指标，试验原理图见图1.

图1 DSR工作原理图

1.2 沥青高温性能评价指标

通过动态剪切流变仪DSR对沥青进行试验，利用试验所得数据计算沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr，该指标计算公式见式(1)，其可以反映沥青材料在不同应力水平下抵抗永久变形的能力，且其数值越小，表明沥青高温性能越好[2-5].

Jnr=γnr/τ

(1)

式中：γnr为峰值应变；τ为单次循环中加载的应力.

通过式(2)计算沥青的Jnr-diff值作为不可恢复蠕变柔量应力敏感性指标，Jnr-diff值越大，表明该沥青的应力敏感性越大，且AASHTO规范中要求Jnr-diff的值≤75%，如果计算结果超出这个范围，表明沥青已经达到了蠕变破坏阶段[6].

(2)

式中：Jnr0.1和Jnr3.2为10个蠕变周期内沥青的蠕变恢复率平均值.

2 原材料及试验

2.1 试验方案

试验所用集料为湖北省麻城龟峰山地产花岗片麻岩，根据工程当地可选用的沥青种类，共选取九种沥青进行试验，试验方案见表1.

表1 沥青选择方案

2.2 原材料

2.2.1集料

试验所取集料为湖北省麻城市龟峰山所产的花岗片麻岩集料，按照集料粒径将集料分为4档：16～26.5，4.75～16，2.36～4.75及0～2.36 mm.

2.2.2沥青

依据文献[7]对试验所用沥青进行相关检测，试验结果见表2～6.

表2 70#基质石油沥青基本性能指标

表3 SBS改性沥青检测结果

表4 湖沥青检测结果

表5 高黏改性沥青检测结果

表6 掺加抗剥落剂后沥青性能指标

2.3 沥青高温性能测试方法及结果

2.3.1沥青高温性能测试方法

首先将不同种类的改性沥青放入旋转薄膜烘箱进行短期老化试验，再取老化后的沥青残留物作为MSCR试验所用的样品(见图2)备用.

图2 沥青样品

试验所用的仪器为动态剪切流变仪，简称DSR，仪器的温度控制选取58，64以及70 ℃三个温度，选取的转子尺寸为直径25 mm，转子与DSR中夹具的下平行板间隙(试验厚度)为1 mm.

将100 Pa及3 200 Pa的应力水平下10个蠕变恢复周期内沥青的蠕变恢复率平均值表示为R0.1，R3.2，而这10个周期内的未恢复蠕变柔量平均值为Jnr0.1和Jnr3.2，通过式(2)计算沥青的Jnr-diff值作为不可恢复蠕变柔量应力敏感性指标.

2.3.2试验结果及分析

根据试验结果按公式计算后进行曲线拟合，所得试验结果见图3.

图3 MSCR试验结果

不同温度下沥青MSCR试验结果见表7～9.

表7 58 ℃下沥青MSCR试验结果

表8 64 ℃下沥青MSCR试验结果

表9 70 ℃下沥青MSCR试验结果

由MSCR试验结果可知，三种温度下方案三(沥青为湖沥青)对应的Jnr值均为最小，高黏改性沥青及SBS改性沥青次之，70#基质沥青的Jnr值最大，这也就表明湖沥青的高温性能最佳，70#基质沥青高温性能最差.

由于添加抗剥落剂后需要考虑抗剥落剂的变化情况，所以将掺加抗剥落剂的沥青的试验结果单独列出，见表10～12.

表10 58 ℃下添加抗剥落剂后沥青MSCR试验结果

表11 64 ℃下添加抗剥落剂后沥青MSCR试验结果

表12 70 ℃下添加抗剥落剂后沥青MSCR试验结果

从试验结果可以看出，随着抗剥落剂掺量的增加，沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr不断增加，表明沥青的高温性能不断减小.而随着温度的升高，Jnr也不断升高，表明沥青的不可恢复变形量越来越大，这与工程实际相符.

3 沥青混合料高温性能检验

3.1 试验方案

通过MSCR试验测得沥青的高温性能，接下来对不同沥青所对应的沥青混合料进行高温性能检测.所用沥青混合料级配类型为AC-20C，油石比为4.7%，集料级配曲线见图4.

图4 集料级配曲线

具体试验方案见表13，控制变量为沥青类型，试验所用原材料、级配类型等均保持一致，对比7种方案下沥青混合料高温性能的差异.

表13 花岗片麻岩沥青混合料试验方案

3.2 高温车辙试验

高温车辙试验用来检测沥青混合料的高温稳定性能[8].通过车辙仪对沥青混合料进行试验，通过试验数据计算沥青混合料的动稳定度，以此评价沥青混合料的高温性能.动稳定度计算为

(3)

式中：DS为混合料动稳定度，次/mm；d1，d2为对应于时间的变形量，mm；C1，C2为试件的相关系数；N为试验轮往返碾压速度，次/min.

将不同方案下沥青混合料的高温车辙试验结果见表14.

表14 沥青混合料高温车辙试验结果 次/mm

从试验结果可以看出，各方案下沥青混合料动稳定度均满足规范要求，使用SBS改性沥青、湖沥青、高黏改性沥青时，对应沥青混合料高温稳定性较好，其中，方案三(沥青为湖沥青)对应沥青混合料动稳定度最高，表明其高温性能最好.随着70#基质沥青中抗剥落剂掺量的增加，对应沥青混合料动稳定度逐渐减小，高温稳定性逐渐下降[11-14].

3.3 沥青高温性能与沥青混合料高温性能关系分析

文中针对7种沥青进行MSCR试验检测其高温性能，试验结果表明不同方案下沥青高温性能强弱顺序为：方案三>方案二>方案四>方案五>方案六>方案七.对7种沥青对应沥青混合料进行高温车辙试验，从试验结果可以得出7种沥青混合料高温稳定性强弱与对应沥青高温性能保持一致.

综上可知，沥青高温性能与沥青混合料高温性能具有良好的相关性，因此，可以根据沥青高温性能的优劣，准确预测沥青混合料高温稳定性，从而达到优选沥青的目的.

4 结 论

1) 选用动态剪切流变仪对不同种类沥青进行MSCR试验，将沥青样品分别在0.1和3.2 MPa的应力水平下重复加载，计算得到不可恢复蠕变柔量Jnr，以此表征沥青材料在不同应力水平下抵抗永久变形的能力.试验结果表明，上述不同种类沥青高温性能的强弱顺序为：湖沥青改性沥青>SBS改性沥青>高黏改性沥青>70#基质沥青.除此之外，随着70#基质沥青中抗剥落剂掺量的增加，沥青高温性能逐渐下降，表明抗剥落剂对沥青高温性能不利.

2) 通过车辙试验检测不同沥青对应花岗片麻岩沥青混合料高温稳定性，结果表明，湖沥青对应花岗片麻岩沥青混合料高温性能最强，SBS改性沥青次之，70#基质沥青制备的花岗片麻岩沥青混合料高温性能最差.随着70#基质沥青中抗剥落剂掺量的增加，花岗片麻岩沥青混合料高温性能逐渐变差，表明抗剥落剂对花岗片麻岩沥青混合料高温性能不利.

3) 由MSCR试验和高温车辙试验得出沥青高温性能的优劣与对应花岗片麻岩沥青混合料性能的好坏具有良好的一致性.因此，在利用不同种类沥青制备花岗片麻岩沥青混合料时，可以利用沥青的高温性能预测沥青混合料的高温性能，从而减小试验量，进而达到优选沥青的目的.