基于多应力蠕变恢复实验的高黏改性沥青高温流变特性与分级

谭 华,吕大春,胡松山

(1.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 5 3 00 0 7;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;3.高等级公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心,广西 南宁 530007)

1 前 言

透水沥青路面是一种功能型沥青路面,不但具有良好的高温抗车辙特点,还兼具透水、降噪等功能性,是我国沥青路面发展的重要结构之一。由于其本身透水的特性,沥青路面的表面和内部都有许多连通空隙,使其更容易受到阳光、雨水、灰尘等不利因素的侵蚀,故选用高黏改性沥青进行铺筑。

高黏改性沥青性能优良,在国内外得到了广泛关注。徐世国等[1]通过对自研的SINOTPS高黏改性沥青进行室内常规性能试验和混合料试验,研究了SINOTPS高黏改性剂的使用特性,并通过实体工程验证了高黏改性沥青具有优良的高温稳定性,低温抗裂性和耐久性等。李立寒等[2]基于60 ℃动力黏度和零剪切黏度2个指标,对不同种类高黏改性沥青在路面结构中的受力状态进行分析,研究发现评价高黏改性沥青的黏度特性采用零剪切黏度指标更为准确。祝斯月等[3]基于灰关联熵分析法对高黏改性沥青的关键指标进行分析,得出60℃动力黏度与混合料抗车辙能力相关性最强、黏韧性和韧性与混合料抗水损害能力相关性最大的结论。张锐等[4]通过对不同掺量TPS高黏剂改性沥青进行常规指标试验和静态力学混合料试验,发现TPS高黏改性剂可以改善沥青的高低温性能、抗疲劳性能和水损害性能。丛卓红等[5]研究了不同标号、不同性质沥青掺加TPS高黏高弹改性剂后针入度、软化点、黏度等常规指标的变化规律。Xing等[6]通过研究高黏改性沥青胶浆在不同掺量粉胶比下的黏度和流变特性,发现影响高黏改性沥青高温性能的主要因素为粉胶比和黏度。Xu等[7]从静态力学的角度研究了高黏改性沥青的黏附性、表观黏度、黏结力及再生效果等性能。Hamzah等[8]采用日本大空隙沥青路面配合比设计原则进行马来西亚花岗岩和TPS高黏改性沥青的混合料配比设计,通过混合料性能验证得出,该混合料在高温性能、透水性能及抗水损性能方面均表现优异。国内外对高黏改性沥青的研究大多集中在常规性能和静态力学评价指标上,缺少对高黏改性沥青更加深入的动态力学分析和非线性区间下的黏弹力学分析,而在实际情况中,透水沥青路面都是在动荷载作用的条件下进行服役,并且超载重载现象在我国普遍存在,许多路面在服役过程中,经常处于非线性黏弹区间状态。在这两者作用的影响下,再加上南方夏季大部分地区的高温天气,通过常规性能指标和静态力学评价得出的结论可能失真,从而导致透水沥青路面的破坏预估发生偏差。

鉴于此,本研究选用2种国内外性能优良的高黏改性剂,制备出掺量分别为0%、6%、8%、10%和12%的高黏改性沥青,进行高温条件下的应变扫描、频率扫描和宽温度区间的温度扫描等动态力学试验及多应力蠕变恢复试验,从动态力学的角度分析高温状态下高黏改性沥青的黏弹特性,研究不同作用形变、温度及车速等动载作用下高黏改性沥青的流变力学特性。通过多应力蠕变恢复试验模拟分析了重载作用下高黏改性沥青非线性黏弹区间抵抗不可恢复变形能力,然后进行交通量等级的划分,为高黏改性沥青的路用性能评价提供可靠的理论基础。

2 实 验

2.1 原材料

实验采用70#A 级道路石油沥青作为基质沥青,各项技术指标的检测结果见表1。

表1 基质沥青技术指标Table 1 Technical properties of asphalt

高黏改性剂选用意大利I型高黏改性剂和国产S型高黏改性剂(形貌见图1),2种高黏改性剂均为淡黄色颗粒状物质。

图1 高黏改性剂照片Fig.1 photo of high viscosity modifiers

2.2 实验仪器

使用型号为Bolin ADS CVD-100的动态剪切流变仪(DSR)。实验过程中,将试样固定在固定板上,转子根据设置的不同温度、角度、频率等参数对试样施加正弦应力和应变,以获得材料的流变特性响应。

2.3 改性沥青制备

将基质沥青放入135℃的烘箱中加热1 h,完全融化后分别加入相对于基质沥青质量分数的0%、6%、8%、10%和12%的高黏改性剂,均匀搅拌,随后置于150～160 ℃的烘箱发育2 h,之后使用高速剪切仪在160～170 ℃下以4000 r/min的转速剪切1 h,直至高黏改性剂完全溶解,即制得高黏改性沥青。

为了保证实验的准确性,消除制备过程对试样自身的影响,实验室对零掺量的对比实验样本进行同样的加工处理。

3 结果与分析

3.1 动态力学性质

动态力学分析方法(DMA)是指在一定的温度和频率范围内,周期性的对黏弹性材料施加应力或者应变,从而引起其自身发生一系列的动态力学特性变化的行为[9]。

3.1.1 动态应变扫描试验 为研究动载作用下不同应力形变对高黏改性沥青的流变特性,按照AASHTO T 315-12规范[10]要求进行试验,对2种不同掺量高黏改性剂制备的高黏改性沥青及基质沥青进行应变扫描,应变范围为0.1% ～100%,频率为10 rad/s,根据南方夏季高温天气,将温度设置为70 ℃,试样为未老化原样沥青,应变扫描结果如图2、3所示。

图2 复数模量随应变的变化Fig.2 Relation between complex modulus and strain

从图2可知,2种不同掺量高黏改性沥青的复数模量均随应变的增加而缓慢降低,并且具有相同的变化趋势。在相同掺量条件下,意大利I型高黏改性沥青的复数模量均大于国产S型。这说明在相同应变和同等掺量条件下,意大利I型高黏改性沥青强度均大于同掺量国产S型高黏改性沥青。在SHRP计划中,研究人员认为材料在线黏弹性范围内,随着应变的增加,沥青复数模量G*的降低值不超过G*max的5%[11],根据线黏弹性区间确定原则可得,掺量为0%、6%、8%、10%、12%的意大利I型高黏改性沥青线黏弹性区间分别为15.2%、52.8%、43.4%、37.3%、37.3%;国产S 型高黏改性沥青的线黏弹性区间分别为15.2%、75.5%、83.3%、64.6%、52.8%。通过对 应变区间范围分析可知,2种高黏改性剂的掺入均可提高基质沥青的线黏弹区间范围,其中国产S型高黏改性沥青的线黏弹区间均大于比意大利I型。但随掺量的增加,2种高黏改性沥青的线黏弹区间均呈先增加后降低的变化规律,国产S型和意大利I型的线黏弹区间峰值掺量分别对应为8%、12%。

从图3可见,随着应变的增加,不同掺量的2种高黏改性沥青的相位角不断增大,这表明在动载作用下,高黏改性沥青的应变会导致沥青中的黏弹性成分发生转变,随着应变的增加,高黏改性沥青的黏性成分不断增加,弹性成分不断下降,随之抵抗变形的能力也下降。在实际工程中,即使高黏改性沥青或者沥青混合料拥有很好的弹性变形和弹性恢复能力,也应该避免其发生大变形作用,因为过大的应变会导致黏弹性体内的黏弹性成分发生转变,从而导致其自身的强度发生急剧变化。

图3 相位角随应变的变化Fig.3 Relation between phase angle and strain

3.1.2 动态温度扫描试验 为了研究动载作用下不同温度对高黏改性沥青的流变特性,对由2种不同掺量高黏改性剂制备的高黏改性沥青进行温度扫描获得动态力学温度谱,采用应变控制,应变为12%,温度设定为46～82 ℃,频率为10 rad/s,试样为未老化原样沥青。测试结果见图4、5。

从图4可知,随着温度的升高,2种高黏改性沥青的相位角均不断增大;而随着高黏改性剂掺量的增加,2种高黏改性沥青的相位角则不断降低。这表明增加高黏改性沥青的温度会降低沥青中的弹性成分,而增大高黏改性沥青的掺量会增加沥青中的弹性成分。从图4还可知,随着温度的升高,不同种类和掺量的高黏改性沥青都呈“凹弧”型增长,而基质沥青则随着温度的升高呈“凸弧”型增长,这表明高黏改性沥青中的黏性成分增速随温度的升高而不断增加,而基质沥青中的黏性成分增速不断降低。这是因为高黏改性剂的掺入可以使沥青中形成网状结构,起到“加筋”固化作用。因此当温度较低时,高黏改性沥青中的网络结构起到“加筋”固化作用,降低了弹性和黏性两种成分间转化的速度;当温度升高后,改性沥青中的“加筋网络”结构不断分解破坏,到达一定的阀值时,改性沥青中的黏性成分迅速增加。

图4 相位角随温度的变化Fig.4 Relation between phase angle and temperature

分析图5可得,随着温度的升高,高黏改性沥青和基质沥青的复数模量均不断降低,并且差距越来越小。其中在相同的温度和掺量下,国产S型高黏改性沥青的复数模量均大于意大利I型(除了掺量10%)。这表明这2种高黏改性沥青的抵抗剪切流动变形能力随温度的升高而不断降低,并且随着温度的升高,各掺量下的高黏改性沥青抵抗剪切流动变形能力不断相近,其中国产S型高黏改性沥青抵抗不可恢复变形能力更强。

图5 复数模量随温度的变化Fig.5 Relation between complex modulus and temperature

3.1.3 动态频率扫描试验 为了研究动载作用下不同频率(即车速)对高黏改性沥青的流变特性。试验应变为12%,控制模式为应变控制,频率为0.1～100 rad/s,温度分别设置为46、58、70、82 ℃,试样为未老化原样沥青。根据南方夏季高温气候特征以70 ℃为主轴,运用时温等效原理构建移位主曲线,并利用WLF公式计算出水平移位因子lgαt,通过将一定时间内不同温度范围的试验结果,延展到更宽泛的时间温度范围,从而更好地涵盖不同速度和温度状况下沥青路面的模量变化[12]。移位后主曲线如图6所示,水平移位因子lgαt计算公式见式(1)和式(2),计算拟合结果见表2。

表2 lgαt 计算结果Table 2 lgαt calculation results

图6 70 ℃下频率主曲线的移位图谱Fig.6 Displacement diagram of frequency principal curve at 70 ℃

式中:E为模量,Pa;T、T0分别为试验温度和参考温度,℃;t为加载时间,s;αt为平移量;C1、C2分别为材料常数。

分析图6可得,2种高黏剂改性的沥青的复数模量均随频率、改性剂掺量的增加而增大,并且在低频时,各掺量下的高黏改性沥青复数模量相差较远,之后随频率的增加,各掺量下的高黏改性沥青复数模量不断靠近。根据时温等效原理的换算关系,低频对应高温,高频对应低温,这表明高黏改性剂的掺量对低频端(高温)的影响更大,对高频端(低温)的影响则较小。即高黏改性剂的掺入可以大大提高基质沥青抵抗慢速交通和高温天气的抗变形能力。通过观察图6各主曲线的斜率变化还可知,随着高黏改性剂掺量的增加,高黏改性沥青的主曲线斜率不断降低,当荷载频率大于100 rad/s后,各掺量高黏改性沥青的斜率降速开始增大。这表明高黏改性剂的掺入可以降低基质沥青的温度敏感性,并且低温(高频端)时高黏改性沥青的温度敏感性较高温(低频端)时的低。

从表2可知,2种不同掺量高黏改性剂制备的高黏改性沥青的lgαt移位值相关系数均达到0.9以上,这说明拟合的lgαt移位值数据稳定,各移位温度在参考温度下移位值差异性较小。观察表2 还可知,以70 ℃为参考温度移位时,各掺量的高黏改性沥青从58 ℃移位到70 ℃的lgαt移位值普遍大于82 ℃移位到70℃的,这说明高黏改性沥青对不同温度区间的敏感性不同,低温时敏感性比高温时更强。另外,在同一移位温度条件下,不同掺量的高黏剂改性的沥青的移位绝对值随掺量的增加呈不断减小的趋势,这表明不同掺量高黏改性沥青对温度具有依赖性,并且随着掺量的增加对温度的依赖性不断减小。

根据已有研究可知[13],不同频率对应不同车速,通过图6可以计算出不同场景行车速度条件下对应的每种不同掺量的高黏改性沥青复数模量,结果见表3。随着车速的不断增加,2种不同掺量高黏改性剂制备的高黏改性沥青的复数模量不断增长。在国家高速中(车速一般为100～120 km/h),复数模量均大于1000 Pa,表现出优良的抗变形能力。在城市快速道中(行车速度一般为60～80 km/h),基质沥青的复数模量在1000 Pa左右,导致基质沥青修筑的道路可能处于服役临界值,容易出现车辙等剪切变形破坏;而掺入高黏改性剂的改性沥青均大于1000 Pa,不易发生车辙等剪切变形破坏,能满足该种道路使用的要求。而在城市交通中(正常行驶车速约为30～40 km/h),6%掺量的S型高黏改性沥青的复数模量在此速度区间的大部分位置已低于1000 Pa,低于服役临界值,极易出现车辙等剪切变形破坏;6%掺量的I型高黏改性沥青的复数模量(速度区间为30～40 km/h)仍大于1000 Pa,抗车辙等剪切变形破坏能力优于同掺量的S型高黏改性剂。在拥堵路段或者渠化交通附近,行车速度一般为10～20 km/h,此时2种低掺量的高黏改性沥青的复数模量急剧下降,均不满足使用要求。原地掉头、原地打方向、倒车等极慢速交通中,行车速度一般为5～10 km/h,大部分掺量的高黏改性沥青的复数模量低于1000 Pa,只有掺量为12%的高黏剂改性的沥青处于临界值附近,这些极慢速交通不仅对沥青路面产生强大的扭剪应力和摩擦力,还会极大地降低沥青路面本身的抗剪切强度,从而加速对高黏改性沥青路面的破坏。综上可知,透水沥青路面最适宜修筑于高速公路或者城市快速道路。而对于城市道路,在渠化交通、经常性拥堵路段、经常性原地掉头、原地打方向、倒车等慢速交通和极慢速交通位置,为了保证工程质量的耐久性,修筑透水沥青路面时建议进行差异化道路设计。

表3 不同速度下复数模量的试验结果Table 3 Test results of complex modulus at different speeds

3.2 抵抗永久变形性质

目前多应力蠕变恢复(MSCR)试验被广泛用于评价沥青抵抗永久变形能力[14]。本实验按照ASTM D 7405-15规范分别对2种高黏改性剂不同掺量制备的高黏改性沥青进行MSCR 试验,模拟实际重载作用下沥青路面非线性黏弹区间的流变特性。平均不可恢复蠕变柔量反映一个周期内路面在高温行车荷载作用下的累积变形过程见式(3),(4)。不可恢复蠕变柔量相对差异代表沥青路面的应力敏感性,见式(5)。

式中:Jnr(τ,N)为每个周期下的不可恢复柔量,k Pa-1;τ为蠕变应力,k Pa;N为周期数,τ=0.1 k Pa时,N=11～20;τ=3.2 kPa时,N=1～10;γ0为 试样在蠕变阶段各周期的初始应变值,γr为试样在恢复阶段结束时各周期的应变值;Jnrτ为10个周期内的平均不可恢复蠕变柔量,k Pa-1;Jnr3.2≤4.5 kPa-1;Jnr-diff为不可恢复蠕变柔量相对差异,≤75%。沥青路面的高温性能随Jnrz值的增大而变差,沥青路面的应力敏感性则随着Jnr-diff值的增大而增强,结果见表4。

从表可见,随着温度或应力的升高,经过RTFO短期老化后的2种高黏改性剂不同掺量制备的高黏改性沥青及基质沥青的平均不可恢复蠕变柔量均增大,这说明温度、应力的变化对沥青具有某种“等效效应”,即在应力不变的情况下,温度升高引起的不可恢复变形效果与温度不变时,应力增大引起的不可恢复变形效果一致,这与实际中高温天气或重载交通下更容易形成车辙现象相符合。从表4还可以看出,在同一种高黏改性沥青中,随改性剂掺量的增加,不同应力下的平均不可恢复蠕变柔量均随之降低,这表明随着改性剂掺量的增加,高黏改性剂抵抗不可恢复变形的能力不断增强。分析表4还可知,相同掺量、温度及应力作用下的国产S型高黏改性沥青的平均不可恢复蠕变柔量均比意大利I型小,这表明国产S型高黏改性沥青抵抗不可恢复变形能力强于意大利I型,这与动态力学分析结果相一致。

表4 MSCR 的试验结果Table 4 MSCR test results

为了更详细地了解温度和交通荷载对高黏改性沥青高温性能的综合影响,本研究根据ASTM 体系中缺少的对应规范AASHTO M332-14[15]对2种不同掺量高黏改性剂制备的高黏改性沥青及基质沥青进行交通量分级,结果列于表5。

表5 交通量分级Table 5 Classification of Traffic Volume

从表可见,在10%的掺量范围内,随改性剂掺量的增加,2种高黏改性沥青的交通量等级均随之增大,其中国产S型高黏改性沥青的交通量等级均大于或等于意大利I型;当掺量为12%时,2种高黏改性沥青的交通量等级均下降,其中国产S型高黏改性沥青的交通量等级均未能达到标准交通等级(S),这主要是因为当改性剂掺量过高时,沥青应力敏感性过高,容易对沥青路面造成一次性重载破坏。综合表4 和表5 可知,在实际工程中,单纯地从温度对高黏改性沥青的高温使用性能进行评价存在不足,因为沥青路面是在高温和交通荷载的双重作用环境下使用,因此从温度和荷载作用两个方面综合评判高黏改性沥青的高温性能更为科学、客观。

5 结 论

1.通过动态应变扫描和温度扫描可知,2种高黏改性剂均能不同程度地提高沥青的黏弹线性区间和弹性成分,随着应变和温度的增加,高黏改性沥青的黏弹性成分会发生转变,朝黏性方向发展。在实际工程中,即使强度满足要求,也应严格控制高黏改性沥青及混合料的变形。

2.通过动态频率扫描可知,高黏改性剂会改变沥青对不同温度区间的敏感性、黏性成分转变速度及温度依赖性,并且低温(高频端)时高黏改性沥青的温度敏感性较高温(低频端)时的低。同时频率(行车速度)的增加会提高不同掺量高黏改性沥青抵抗剪切变形的能力,在实际工程中,透水沥青路面最适宜修筑于快速道路,而对于慢速交通,则建议进行差异化道路设计。

3.通过多应力蠕变恢复试验分析可得,温度变化和应力变化对沥青具有“等效效应”;在合理掺量范围内,2种高黏改剂均能提高沥青不可恢复变形能力和交通量等级,其中国产S型高黏改性沥青改善效果更好,但改性剂掺量过高,会导致沥青应力敏感性过高。在实际工程中,应该从温度和荷载作用两个方面综合评判高黏改性沥青的高温性能更加科学、客观。