钢桥面铺装常用改性沥青高温性能关键指标分析

丁子豪, 倪富健, 李 松, 蒋继望, 陆永强

(1.东南大学 交通学院, 江苏 南京211189; 2.浙江嘉绍跨江大桥投资发展有限公司, 浙江 绍兴 312000)

与同一地区的路面相比,钢桥面铺装层高温作用时间较长,温度场变化更为剧烈[1],更容易出现车辙、推移和脱空等热稳定型病害,不利于车辆舒适安全地行驶[2].随着重载车辆的日益增多,早期桥面铺装工程中常用的SBS改性沥青已经显得力不能及.在此背景之下,越来越多的高性能改性沥青应运而生.

南京长江二桥曾大规模使用环氧沥青,其良好的服役状态是国内大跨径钢桥面铺装工程的标杆[3].高弹沥青可以适应钢桥面变形量大的特点,疲劳性能突出[4],已被成功地应用到南京栖霞山长江大桥[5].高黏沥青对集料具有极强的黏附性,在排水性路面中良好的使用效果迅速引起了桥面铺装研究人员的关注[6],并在济南市桥面铺装维修工程中得到了良好的反馈[7].重载改性沥青具有抗永久变形能力强、耐久性好等诸多优势[8],曾被应用到沪宁高速公路钢桥面铺装工程,铺装层通车1a后仍未出现病害[9].聚氨酯改性沥青具有良好的高低温性能及耐疲劳性能,可有效应对钢桥面铺装工程中的病害[10].

为了评价沥青胶结料的高温性能,美国SHRP计划提出沥青车辙因子(G*/sinδ)指标,但该指标是在线性黏弹性范围内测试得到的,与路面实际受力情况差别较大,难以真实地反映改性沥青的高温性能[11].研究人员发现,基于黏弹性理论的多应力蠕变恢复(MSCR)试验,在评价改性沥青高温性能方面存在着显著的优势[12].然而,随着改性沥青高温性能的增强,标准MSCR试验在反映改性沥青高温性能方面也显现出一定的局限性.针对此弊端,部分学者指出在MSCR试验中使用较大应力得到的参数,以便更加有效地反映改性沥青的高温抗车辙性能[13-14].

鉴于此,本文在标准MSCR试验的基础上适当扩大应力施加范围,并采用改进后的MSCR试验,定量评价钢桥面铺装常用改性沥青的高温黏弹性性能.此外,对不同改性沥青及其混合料的高温性能试验结果进行了相关性分析,确定了能够表征混合料高温性能优劣的沥青评价指标,为其在钢桥面铺装领域的进一步推广与应用奠定理论基础.

1 试验材料

1.1 改性沥青

本文选取钢桥面铺装工程中使用过的3种高性能改性沥青(以下简称A、B、C沥青)及SBS改性沥青(以下简称D沥青)作为研究对象.4种改性沥青的基本技术指标见表1.

表1 改性沥青常规性能指标

1.2 混合料

本文选用钢桥面铺装磨耗层常用级配SMA-13作为沥青混合料的级配类型,且通过仅改变沥青胶结料的类型,来分析不同改性沥青对其沥青混合料高温抗车辙性能的影响.表2给出了SMA-13沥青混合料的设计级配,其中粗、细集料均采用玄武岩,填料使用石灰岩矿粉,且技术指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》.纤维为短切玄武岩纤维,其用量为沥青混合料质量的0.3%.

表2 SMA-13沥青混合料设计级配

不同改性沥青混合料的最佳沥青用量通过马歇尔试验来确定,A～D沥青混合料的最佳油石比(质量分数)分别为6.0%、6.1%、6.0%、5.9%.

本次研究采用室内车辙试验及动态蠕变试验来评价改性沥青混合料的高温性能.室内车辙试验中,根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,碾压成型尺寸为300mm×300mm×50mm 的混合料试件,每种改性沥青成型3块.动态蠕变试验中,首先使用旋转压实仪成型尺寸为φ150×180mm的改性沥青混合料,再经过钻芯与切割得到尺寸为φ100×150mm的标准试件.

2 试验方法

2.1 多应力蠕变恢复试验

AASHTO TP 70《Standard method of test for multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》中的MSCR试验使用了2级应力,分别为0.1、3.2kPa.为了更好地反映改性沥青的非线性黏弹性能,本次研究额外增加了6.4、12.8、25.6kPa 3级应力.因此,本文使用5级应力下的MSCR试验来定量评价不同改性沥青的高温性能.MSCR试验样本均为经过旋转薄膜烘箱短期老化后的沥青.

本次研究使用安东帕公司生产的MCR-102流变仪进行MSCR试验,试验温度设置为64℃,每级应力进行10次加载循环,每个加载循环包括1s的加载阶段及9s的卸载阶段.

MSCR试验获得的主要评价指标包括不可恢复蠕变柔量Jnr及蠕变恢复率(R).其中,Jnr通常用来评价沥青的高温抗变形能力,且数值越小,高温性能越好;R可有效反映沥青高温下的弹性恢复性能,一般情况下,R值越大,沥青的弹性恢复性能越好[15].Jnr与R的计算过程如式(1)～(6)所示.

ε1=εc-ε0

(1)

ε10=εr-ε0

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ε0为每个周期蠕变阶段的初始应变值,%;εc为每个周期蠕变阶段的最终应变值,%;εr为每个周期恢复阶段的最终应变值,%;τ为施加的剪切应力,分别为0.1、3.2、6.4、12.8、25.6kPa;N为相应的蠕变恢复周期数,每级应力下取1～10.

AASHTO规范基于Jnr和R指标的结果,同样定义了沥青应力敏感性指标Jnr diff和Rdiff,它反映了应力在τ1～τ2(τ1<τ2)变化过程中Jnr和R指标的变化情况.一般情况下,沥青的Jnr diff值越大,其对应力的变化越敏感,高温稳定性能也就越差.而Rdiff指标可以反映沥青蠕变恢复率对应力的敏感程度,且沥青的Rdiff值越小,其弹性恢复性能受力的变化影响就越小.Jnr diff和Rdiff指标的计算见式(7)～(8).

(7)

(8)

2.2 室内车辙试验

室内车辙试验参照JTG E20—2011中T0719的方法进行,试验仪器为国产SYD-0719C-2自动车辙仪,试验温度为60℃.车辙试验结束之后,可在车辙仪的数字显示屏上直接读取试件在45min时的车辙变形d1、60min 时的车辙变形d2以及混合料的动稳定度DS,最终取同一改性沥青3块车辙板试件的均值作为各参数的结果.

2.3 动态蠕变试验

动态蠕变试验是基于文献[16]中的相关方法进行的,试验装置为UTM万能试验机,由加载系统、温控系统及控制系统3个部分组成.温控系统可保证试验温度控制在(60±0.5)℃范围内.动态蠕变试验中轴向压力设置为700kPa,且不设围压,加载波形为半正弦波,加载0.1s后卸载0.9s,即1个蠕变恢复周期为1s.试验的终止条件为竖向累计应变达到50000μm/m或者重复加载次数达到10000次.

3 改性沥青高温流变性能试验结果与分析

3.1 MSCR试验应变曲线分析

图1为4种改性沥青的MSCR试验曲线图.由图1可见：4种改性沥青的累计应变均随着时间的推移呈增大趋势,其中D沥青的累计应变最大,B沥青次之,A、C沥青相对前两者较小,且相差不大;对于0.1、3.2kPa 2级较小应力,4种改性沥青的应变率都比较小;当施加应力为6.4kPa时,B、D沥青的应变率开始有明显的增长趋势,并在25.6kPa时达到峰值;A、C沥青在6.4、12.8kPa下的应变率仍处于较低的水平,直至25.6kPa才出现一定的增长趋势.从累计应变的角度分析,A、C沥青的高温抗变形能力要明显强于B、D沥青,尤其是在应力较大的情况之下.

图1 4种改性沥青的MSCR试验曲线Fig.1 MSCR curves of four modified asphalts

进一步,对4种改性沥青在12.8、25.6kPa下的应变情况进行单独分析.图2为4种改性沥青在12.8k、25.6kPa下的MSCR曲线.由图2可见：当应力为12.8kPa时,A、C沥青仍具有较强的蠕变恢复能力,B、D沥青的蠕变恢复能力显著降低;当应力为25.6kPa时,B、D沥青在第1个周期的卸载阶段就出现了累计应变不减反增的现象,这说明沥青在此大应力状态下产生了明显的内部破坏,出现了较大的损伤累计,蠕变恢复能力基本丧失;C沥青在第6个周期时也开始发生破坏,但其仍具备一定的蠕变恢复能力,随着加载时间的推移,其内部损伤会不断累积,在第10个周期的末端蠕变恢复能力已经较弱;A沥青在25.6kPa的10个周期内一直没有出现损伤,蠕变恢复能力仍处于较高的水准.

图2 4种改性沥青在12.8、25.6kPa下的MSCR曲线Fig.2 MSCR curves of four modified asphalts at 12.8, 25.6kPa

3.2 MSCR试验指标结果分析

3.2.1不可恢复蠕变柔量

根据3.1的分析,当应力为25.6kPa时,B、C、D 3种改性沥青均产生了不同程度的内部破坏,εr值已经不是仅依靠沥青的弹性恢复能力而产生的累计应变,故本文不讨论25.6kPa下各沥青的Jnr及R值.

4种改性沥青在0.1～12.8kPa下Jnr值变化情况如图3所示.由图3可见，在各级应力条件下,不同改性沥青的Jnr值按照从大到小的顺序为D沥青>B沥青>A沥青>C沥青.从不可恢复蠕变柔量的角度分析可知,C沥青的高温性能最好,A沥青次之,然后是B沥青,D沥青高温性能最差.

图3 4种改性沥青在不同应力下的Jnr值Fig.3 Jnr values of four modified asphalts at different stresses

3.2.2不可恢复蠕变柔量应力敏感性指标

4种改性沥青的Jnr diff值如图4所示.由图4可见：A、C沥青的Jnr diff(0.1, 3.2)及Jnr diff(0.1, 6.4)均小于0,说明A、C沥青对较小的应力变化非常不敏感;B、D沥青的Jnr diff(0.1, 3.2)均大于50%,Jnr diff(0.1,6.4)均大于100%,且前者要略大于后者,故B沥青对较小的应力变化最为敏感;当施加应力在0.1～12.8kPa之间变化时,A、C沥青的Jnr diff(0.1,12.8)值开始增大,但仍明显小于B、D沥青,B、D沥青对较大的应力变化非常敏感,从而解释了前文中提到的这2种沥青在25.6kPa下第1个蠕变恢复周期即出现内部损坏的原因;C沥青对较大应力的敏感程度低于B、D沥青,但要明显高于A沥青,所以其在25.6kPa下的第6个周期才出现了一定的破坏;A沥青的Jnr diff(0.1,12.8)值最小,故其对较大的应力变化敏感程度最低,保障了其能够在25.6kPa下仍保持良好的蠕变恢复性能.

图4 4种改性沥青的Jnr diff值Fig.4 Jnr diff values of four modified asphalts

3.2.3蠕变恢复率

4种改性沥青不同应力下的蠕变恢复率如图5所示.由图5可见：B、D沥青的R值随着应力的提高而显著减小,说明其弹性恢复性能随着应力的提高而迅速衰减;对于A、C沥青,当应力在0.1～3.2kPa 之间变化时,其R值反而呈增大趋势,这是由于较小的应力还没有达到它们内部改性剂的最佳工作状态,随着应力的提高,改性剂的潜能才被逐渐激发,改性沥青的弹性性能因此会有所提高;当应力大于3.2kPa时,A、C沥青的弹性性能也开始随着应力的变大而逐渐降低.显然,若MSCR试验中应力水平过低,部分改性沥青的黏弹性性能就不能被较好地表征.综上,C沥青在0.1～12.8kPa之间的弹性恢复性能最佳,A沥青次之,B沥青在较大应力状态下弱于A沥青,而D沥青的弹性恢复性能最差.

图5 4种改性沥青在不同应力下的R值Fig.5 R values of four modified asphalts at different stresses

3.2.4蠕变恢复率应力敏感性指标

图6为4种改性沥青蠕变恢复率应力敏感性指标Rdiff的计算结果.由图6可见：A、C沥青的Rdiff(0.1,3.2)及Rdiff(0.1,6.4)均小于0,这与3.2.3提到的改性剂尚未达到最佳工作状态有关.B、D沥青的Rdiff(0.1,3.2)及Rdiff(0.1,6.4)均大于0,且D沥青的值要明显大于B沥青,这表明较小的应力变化就会引起D沥青弹性性能的降低;当应力在0.1～12.8kPa之间变化时,A、C沥青的Rdiff(0.1,12.8)值要远远小于B、D沥青,这表明较大的应力变化对A、C沥青弹性性能的衰减影响较小;D沥青的Rdiff值要明显大于其余3种改性沥青,这表明D沥青的弹性性能对应力的变化最为敏感,更容易在应力增大的过程中失去其弹性恢复性能.

图6 4种改性沥青的Rdiff值Fig.6 Rdiff values of four modified asphalts

4 改性沥青混合料高温性能试验结果与分析

4.1 车辙试验

4种改性沥青混合料车辙试验结果见表3.由表3可见：A沥青混合料60min时的总变形量最小,C沥青混合料略大于A沥青混合料,D、B沥青混合料的总变形量明显大于前两者,且B沥青混合料的变形量最大;在动稳定度方面,A沥青混合料最大,C沥青混合料略小于A沥青,D沥青混合料位列第3,而B沥青混合料的动稳定度最小.根据车辙试验的结果可知,4种改性沥青混合料的高温抗车辙性能强弱顺序为：A沥青混合料>C沥青混合料>D沥青混合料>B沥青混合料.

表3 车辙试验结果

4.2 动态蠕变试验

沥青混合料的典型动态蠕变试验由初始阶段、第2阶段及第3阶段组成.4种改性沥青混合料的动态蠕变曲线见图7.由图7可见：B、D沥青混合料已经进入到第3阶段,D沥青混合料竖向累计变形达到50000μm/m时的加载次数要明显小于B沥青混合料;A、C沥青混合料仍稳定处于第2阶段,相同时间内A沥青混合料的竖向累计变形更小.

图7 4种改性沥青混合料的蠕变曲线Fig.7 Creep curves of dynamic creep test of four modified asphalt mixtures

对蠕变曲线作进一步的分析,使用相关方法确定初始阶段与第2阶段的临界点及流变次数[17],并对初始阶段和第2阶段的曲线进行了函数拟合,结果见表4.相关研究表明,沥青混合料蠕变试验第2阶段曲线的斜率(第2阶段的应变率)及流变次数指标可以较好地评价沥青混合料的高温稳定性能[18].一般情况下,沥青混合料第2阶段的应变率越小,流动次数越大,其高温稳定性能就越强.根据表4第2阶段的应变率及流变次数2项指标,可以得到4种改性沥青混合料高温抗永久变形能力的强弱顺序为：A沥青混合料>C沥青混合料>B沥青混合料>D沥青混合料.

表4 4种改性沥青混合料动态蠕变曲线的相关参数

5 改性沥青及其混合料高温性能评价指标相关性分析

为了研究改性沥青对沥青混合料高温性能的影响,进一步对改性沥青高温性能评价指标与混合料高温性能评价指标之间的相关性进行了分析.对于沥青胶结料,选取MSCR试验中可以直接反映沥青高温性能的Jnr及R;对于沥青混合料,选取室内车辙试验得到的动稳定度指标及动态蠕变试验得到的第2阶段应变率指标.

5.1 Jnr指标与沥青混合料高温性能评价指标相关性分析

图8为改性沥青混合料高温性能评价指标与Jnr指标拟合曲线.由图8可见：Jnr与动稳定度之间的回归曲线呈单调递减,表明随着改性沥青Jnr的提高,其混合料的动稳定度有减小的趋势,混合料的抗车辙性能会逐步降低;而Jnr与第2阶段应变率之间存在较好的单调递增线性关系,也就是说,改性沥青Jnr值越大,其混合料动态蠕变试验第2阶段的应变率就越大,混合料会更快地进入到蠕变第3阶段,最终发生流动破坏;与动稳定度指标相比,第2阶段应变率指标与Jnr之间的相关系数更大,4个加载应力下R2均大于0.85,表明第2阶段应变率与Jnr之间的相关性较好.

图8 改性沥青混合料高温性能评价指标与Jnr指标拟合曲线Fig.8 Fitting curves of high-temperature evaluation parameters of modified asphalt mixtures and Jnr of modified asphalts

5.2 R指标与沥青混合料高温性能评价指标相关性分析

图9为改性沥青混合料高温性能评价指标与R指标拟合曲线.由图9可见：当应力为0.1kPa时,R与动稳定度及第2阶段应变率之间的相关性均较差,R2分别仅为0.1346与0.5768,这表明改性沥青在0.1kPa下的蠕变恢复能力难以真实反映其混合料的高温性能;随着应力水平的提高,R与第2阶段应变率之间的相关系数明显增大,介于0.93～0.95之间,表明两者之间具有良好的相关性;R与第2阶段应变率之间的拟合函数均为单调递减函数.因此,随着改性沥青高温下弹性恢复性能的增强,其混合料蠕变试验第2阶段的应变率就会越小,混合料的高温抗永久变形能力也就越强.

图9 改性沥青混合料高温性能评价指标与R指标拟合曲线Fig.9 Fitting curves of high-temperature evaluation parameters of modified asphalt mixtures and R of modified asphalts

综合上述相关性分析结果,可以得出以下结论：Jnr及R指标与动态蠕变试验第2阶段应变率之间的相关性要优于动稳定度.因此,动态加载下的蠕变试验要比室内车辙试验更能体现改性沥青的高温黏弹性性能.此外,当应力为0.1kPa时,Jnr及R指标与混合料高温性能评价指标之间的相关性均较差,故使用较大应力下MSCR试验的结果评价沥青混合料的高温性能更为可靠.

6 结论

(1)MSCR试验中,3种高性能改性沥青的累计应变均小于普通SBS改性沥青;当应力在0.1～12.8kPa范围内时,Jnr值大小顺序为：D沥青>B沥青>A沥青>C沥青;A、C沥青的R值要远大于B、D沥青;A沥青的Jnr值对较大的应力变化最不敏感,D沥青的蠕变恢复率应力敏感程度最高.

(2)室内车辙试验中,A、C沥青混合料的抗车辙性能明显优于D沥青混合料,B沥青混合料要略差;动态蠕变试验中,A、B、C沥青混合料的抗永久变形能力均要优于D沥青混合料.

(3)相较于室内车辙试验,混合料动态蠕变试验的结果与改性沥青的Jnr、R值之间的相关性更好,使用应力为3.2、6.4、12.8kPa下的Jnr、R值来评价改性沥青混合料的高温性能更为合理.

(4)根据沥青及沥青混合料高温性能试验结果,A、C沥青的高温性能要明显优于B、D沥青.因此,在重载交通较多的钢桥面上,为了减少高温车辙病害,将A、C沥青作为铺装结构磨耗层的胶结料具有更为显著的优势.