抗车辙剂改性沥青的高温性能评价指标*

樊向阳 罗 蓉 冯光乐 刘 帅

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省交通运输厅工程质量监督局2) 武汉 430063)

抗车辙剂改性沥青的高温性能评价指标*

樊向阳1)罗 蓉1)冯光乐2)刘 帅1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (湖北省交通运输厅工程质量监督局2)武汉 430063)

道路工程；抗车辙剂；沥青；高温性能；多重应力蠕变恢复试验；相关性分析；评价指标

0 引 言

沥青路面的车辙的出现往往是由于沥青混合料的高温稳定性不足导致的，在级配和沥青用量基本一致的情况下，混合料高温稳定性的差别往往来源于沥青的高温性能.掺加抗车辙剂是一种有效、便捷的提高沥青混合料高温稳定性的方法.抗车辙剂的主要成分为高分子聚合物，它的掺加会对沥青起到纤维加筋的作用，并提高沥青的变形恢复能力，从而改善沥青混合料的高温稳定性[1-3].

本文通过相关试验，以两种抗车辙剂为研究对象，研究不同抗车辙剂种类和掺量对沥青高温性能的影响，对比沥青的高温性能指标与沥青混合料高温稳定性的相关性，以寻找合理的指标评价抗车辙剂对沥青的改性作用.

1 沥青试验

采用一种70#沥青作为基质沥青，抗车辙剂选用两种，其中一种为国产的抗车辙剂用D表示，另一种为进口的抗车辙剂用I表示.使用高速剪切机对沥青进行掺加抗车辙剂改性，速率为4 000～5 000 r/min，剪切过程中沥青温度控制在(180±10) ℃，维持30 min.抗车辙剂的掺量为沥青质量的3.5%和7%，所制备的沥青试样分别用3.5% D，7.0% D，3.5% I，7.0% I表示.

1.1 常规高温性能指标试验

对70#基质沥青和抗车辙剂改性沥青进行了常规高温性能指标试验，测定了沥青的软化点、当量软化点t800、135 ℃旋转黏度，试验结果见表1.

表1 沥青的常规高温性能指标试验结果

由表1可知，抗车辙剂的掺加使得沥青的软化点、当量软化点和动力黏度均有明显提高，同种抗车辙剂掺量越大高温指标提高的越明显，同等掺量下抗车辙剂I对沥青的软化点、当量软化点提高更大.

1.2 DSR试验

表2 沥青的DSR试验结果

1.3 MSCR试验

MSCR试验在动态剪切流变仪上进行，本文选择了58，60和70 ℃三个温度进行MSCR试验研究，试验先对试样施加1 s的剪切蠕变荷载，随后卸载9 s，共进行两个应力水平下的试验，前10个周期的应力水平为0.1 MPa，后10个周期的应力水平为3.2 MPa，试验过程记录试样在加载和卸载过程中的剪应变，并以10个周期的试验结果的平均值计算未恢复蠕变柔量Jnr0.1(0.1 MPa)、Jnr3.2(3.2 MPa)，其计算公式为

(1)

式中：rnr为未恢复应变，%；τ为蠕变应力，MPa.不同沥青的MSCR试验结果见表3.

表3 沥青的MSCR试验结果

由表3可知，抗车辙剂的添加减小了沥青的未恢复蠕变柔量Jnr.随着试验温度上升，Jnr不断增加，说明温度越高沥青的未恢复变形量越大，与实际情况相符合.

2 沥青混合料

集料采用石灰岩，沥青混合料的集料级配见表4.

表4 集料级配

通过马歇尔试验方法确定了基质沥青混合料的最佳油石比为4.6%，空隙率为4.0%.按照车辙试验的要求及目标空隙率，采用相同的油石比制作抗车辙剂改性沥青混合料的车辙试验试件，试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm.根据车辙试验测定沥青混合料的动稳定度，每种沥青混合料进行三次平行试验，并确保三次平行试验结果的变异系数小于20%，试验结果见图1.

图1 沥青混合料车辙试验结果

3 试验结果分析

3.1 相关性分析

图2 动稳定度与各高温性能指标的关系

沥青不同的高温稳定性试验中，沥青试样在软化点、当量软化点、135 ℃旋转黏度的测试过程所承受的荷载为静载，荷载作用方式与路面真实受力环境也有较大差别，同时测试温度与车辙试验温度相差较大，沥青是一种温度敏感性材料，因此，可能会出现抗车辙剂改性沥青高温性能指标与混合料动稳定度相关性较差的现象，由针入度试验结果计算得到的当量软化点虽然与抗车辙剂改性沥青混合料的动稳定度具有较好的相关性，但该试验属于经验性的试验；在DSR试验中，作用在沥青试样上的荷载为连续加载的动态剪切荷载，对于抗车辙剂改性沥青而言，这种连续的加载方式忽略了其回弹特性，DSR试验对抗车辙剂改性沥青而言还存在应变水平较小的缺点，试验过程中的控制应变为10%，在这种小应变水平下，抗车辙剂中高分子纤维在沥青中形成的网状结构不能完全发挥作用，导致试验结果与沥青混合料的动稳定度相关性较差.MSCR试验通过不同的应力水平，设置合理的加载和卸载时间及周期，模拟了沥青路面的实际应力情况.根据60 ℃MSCR试验在不同应力水平下的10个周期的试验结果均值，绘制了应变—时间关系图和应变恢复百分率—时间关系图，见图3，应变恢复百分率R为

(2)

式中：γp为峰值应变，%；γnr为未恢复应变，%.

由图3可知，随着1 s的加载，五种沥青在不同应力水平下产生了不同的峰值剪应变γp，γp从大到小排序为：基质70#>3.5% D>7.0% D>3.5% I>7.0% I，与对应沥青混合料的动稳定度从小到大的顺序一致，这一现象表明抗车辙剂对沥青有纤维加筋作用，加载时所产生的峰值剪应变γp越小说明抗车辙剂纤维加筋的作用越明显；在应变恢复阶段，抗车辙剂提高了沥青的应变恢复量，五种沥青的应变恢复百分率R排序与对应沥青混合料的动稳定度的排序基本一致，表明抗车辙剂提高了沥青的变形恢复能力，减小了沥青的永久变形.

综上所述，在评价抗车辙剂改性沥青高温性能方面，MSCR试验无论从试验结果相关性、加载方式合理性还是抗车辙剂的作用机理方面均具有较好的优势，可作为评价抗车辙剂改性沥青的高温性能的指标.同时由经验性的针入度试验计算得到的当量软化点t800与抗车辙剂沥青混合料的动稳定度有良好的相关性，也可作为抗车辙剂改性沥青的参考评价指标.

图3 MSCR试验结果

3.2 评价指标

目前国内的《公路沥青路面施工技术规范》中，对聚合物改性沥青混合料在不同气候环境条件下的动稳定度有不同的要求.通过相关性分析结果，推算出抗车辙剂改性沥青的评价指标未恢复蠕变柔量Jnr0.1，Jnr3.2和当量软化点t800的限值，结果见表5.

表5 抗车辙剂改性沥青高温性能评价指标

4 结 束 语

1) MSCR试验中未恢复蠕变柔量Jnr0.1，Jnr3.2与抗车辙剂改性沥青混合料的动稳定度有较好的相关性，可用于评价抗车辙剂改性沥青的高温性能.

2) 当量软化点虽然是经验性的评价指标，但其与抗车辙剂改性沥青混合料的动稳定度也具有较好的相关性，在无法进行MSCR试验的条件下，也可用于评价抗车辙剂改性沥青的高温性能.

3) MSCR试验结果表明抗车辙剂降低了沥青的峰值剪应变γp，提高了沥青的应变恢复百分率R，说明抗车辙剂对沥青有纤维加筋的作用并提高了沥青的变形恢复能力.

4) 根据试验结果及分析，确定了评价抗车辙剂沥青的高温性能指标Jnr0.1，Jnr3.2和t800，并根据气候分区确定了各指标的限值.

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High-temperature Performance Evaluation Index of Anti-rutting Agent Modified Asphalt

FAN Xiangyang1)LUO Rong1)FENG Guangle2)LIU Shuai1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(DivisionofEngineeringQualitySupervision,DepartmentofTransportationofHubeiProvince,Wuhan430063,China)2)

road engineering; anti-rutting agent; asphalt; high-temperature performance; multiple stress creep recovery tests; correlation analysis; evaluation indexes

2017-05-05

*国家重点基础研究发展计划(973计划)基金项目资助(2015CB060100)

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.017

樊向阳(1990—)：男，博士生，从事研究领域为道路沥青路面材料