基于MSCR试验的高粘沥青高温性能评价

郑 浩， 刘 珞， 程永旺

(四川济通工程试验检测有限公司，四川成都 610299)

大量研究表明，采用软化点、60 ℃动力粘度等常规性试验指标及车辙因子来评价改性沥青的高温性能存在有很大的局限性[1]。为了能够准确评价改性沥青的高温性能，D′Angelo[2]等人提出了多应力重复蠕变恢复试验(MSCR)试验指标用于评价改性沥青的高温稳定性，并对评价指标的可靠性进行了验证。

目前，国内也有不少学者通过该评价方法对各种改性沥青的高温性能进行了相关性研究。裴畅茂[3]结合红外光谱，证明了MSCR试验指标评价SBS改性沥青的高温性的有效性；崔鹰翔[4]通过MSCR试验对不同掺量的橡胶改性沥青的高温性能进行评价，认为增大橡胶掺量能够有效改善橡胶沥青的高温性能；郭咏梅[5]采用MSCR试验对不同的改性沥青进行高温性能评价，并通过改性沥青混合料试验进行了验证；高俊峰[6]通过MSCR试验对生物沥青的高温性能进行评价，并基于MSCR试验的高温分级思想对其进行高温分级。朱曼[7]认为MSCR试验能够很好模拟实际中沥青路面受力情况，且研究了高粘沥青在两种测试水平应力及四个温度下高温性能的变化情况。

综上可知，国内学者基于MSCR试验对高粘沥青高温性能的研究较少且尚不深入。本次论文基于采用多应力重复蠕变恢复(MSCR)试验，对沥青在不同温度与应力下及不同高粘改性剂掺量下的评价指标进行了系统的分析，并通过各种沥青混合料的动稳定度进行了验证，以期能够准确获取高粘沥青高温稳定性的评价指标。

1 试验材料

1.1 原材料

本次实验选择常用的70#基质沥青，其主要技术指标见表1。高粘添加剂选用重庆交科生产的高粘剂，呈淡黄色颗粒状，掺量为沥青质量的0 %(即基质沥青)、 8 %、12 %、16 %(外掺)。

1.2 高粘改性沥青的制备

高粘沥青制备过程如下：将基质沥青在烘箱中恒温至180 ℃，按比例称取高粘添加剂加入到基质沥青中，再放置在转速为5 000 r/min±100 r/min的沥青剪切机中进行剪切，剪切过程沥青温度维持在180 ℃±10 ℃剪切30 min。再将制备好的高粘沥青放入180 ℃±5 ℃烘箱中发育60 min。

表1 70#沥青主要技术指标

2 试验方案

2.1 MSCR试验方案

本次实验采用美国TA公司生产的型号为DHR-1 动态剪切流变仪，参照 AASHTO MP 19-10 规范对沥青进行多应力蠕变恢复试验(MSCR)，试验样品均为RTFOT老化后沥青。温度设置为52～76 ℃，温度间隔为6 ℃，选取25 mm夹具，两夹具间间隙为1 mm。先后分别在0.1 kPa、3.2 kPa剪切应力水平下加载1 s，卸载9 s，期间不发生间歇。0.1 kPa的剪切应力水平下重复进行20个周期，3.2 kPa的剪切应力水平下重复进行10个周期。

MSCR试验共有6个试验指标，分别为0.1 kPa应力下的恢复率R0.1与不可恢复蠕变量Jnr0.1，3.2 kPa应力下的恢复率R3.2与不可恢复蠕变量Jnr3.2，以及两个应力敏感性指标Rdiff、Jnr-diff。计算公式如下：

(1)

(2)

式中：εnr为残余应变；ε0为初始应变；εp为峰值应变；τ为加载应力。

(3)

(4)

2.2 车辙实验方案

此次试验混合料的级配为AC-13，粗细集料均为石灰岩，矿粉采用玄武岩矿粉，基质沥青最佳油石比为4.8 %，高粘沥青最佳油石比为5.1 %。混合料筑模后，将试件放置车辙仪中以60 ℃±1 ℃温度保温5 h后进行车辙试验，设置试验轮往返碾压速度为42 次/min±1 次/min，时间为1 h。对每种掺量沥青混合料进行三组平行试验，取其平均值为实验结果。

3 实验结果与分析

为能够直观有效的分析各个因素对MSCR试验指标的影响，选取高粘改性沥青的中值掺量与基质沥青作对比，分析温度、应力水平和短期老化对 MSCR 评价指标的影响。为更好模拟现实路面实际温度，选取本次实验中的中值温度，即温度为64 ℃时，分析改性剂掺量因素对 MSCR 相关评价指标影响。

3.1 温度和应力水平对MSCR相关指标影响分析

由图1～图4可知：从指标R0.1、R3.2来看，随着温度上升，沥青的恢复率变化呈减小趋势。表明温度对沥青高温不可恢复蠕变的影响很大，沥青抵抗永久变形的能力随温度升高而减小。当应力水平的增加，沥青的R值随温度减小的速率明显加快。从指标Jnr 0.1、Jnr3.2来看，两种沥青对应力变化的敏感性较低，但随着温度的增加，沥青的不可恢复变形在增加，沥青在高温条件下抵抗变形的能力减弱，高粘沥青的指标随温度变化增长较为缓慢，基质沥青的指标与温度呈指数函数关系增加。

图1 不同温度下R0.1变化情况

图2 不同温度下R3.2变化情况

图3 不同温度下Jnr0.1变化情况

图4 不同温度下Jnr3.2变化情况

3.2 改性剂掺量对MSCR相关指标影响分析

由图5～图7可知：

(1)随着改性剂的加入，改性沥青的Jnr指标均明显低于基质沥青，说明胶粉的掺入使沥青不可恢复变形量减少，使得沥青在非弹性区间抵抗高温变形的能力增强。

(2)从恢复率指标上看，无论应力大小，R值随着改性剂掺量的增加而增加，表明改性沥青拥有较好的弹性变形能力，高粘沥青在弹性区间的高温性能得到改善。

(3)Rdiff指标随改性剂的变化与Jnr-diff情况截然相反，表明改性沥青在较高应力水平下仍然有较强的抗永久变形能力，改性剂能显著改善沥青高温性能。

图5 不同改性剂掺量下Jnr变化

图6 不同改性剂掺量下R变化

图7 不同改性剂掺量下敏感性指标变化

3.3 沥青混合料动稳定度结果分析

通过对不同掺量高粘改性剂的沥青混合料进行车辙试验获取动稳定度，动稳定度试验结果如表2所示。由试验结果可知，高粘沥青混合料的动稳定度随着改性剂掺量的增加而增加，表明改性剂掺量能够较好地提高沥青混合料的高温性，验证了MSCR试验指标用于评价高粘沥青的高温稳定性是较为准确的。

表2 不同改性剂掺量下的沥青混合料稳定度

4 结论

(1)高粘改性沥青的恢复率R与不可恢复蠕变量Jnr具有较高的温度敏感性，对应力敏感性较弱，沥青抵抗永久变形的能力随温度升高而减小。

(2)高粘改性沥青随着改性剂掺量的增加，沥青的恢复率R随之增加，不可恢复蠕变量Jnr随之减少，表明高粘改性剂能够显著改善沥青的高温性能。

(3)通过对各种沥青混合进行车辙试验，以混合料的路用性能验证了采用MSCR试验指标来评价高粘沥青高温性能的可靠性。