基于MSCR试验的改性沥青高温性能评价

郭咏梅， 许 丽， 吴 亮， 沈新元(扬州大学 建筑科学与工程学院， 江苏 扬州 225127)

近年来，不少研究人员对于软化点、车辙因子G*/sinδ等沥青高温指标能否准确评价改性沥青提出了质疑[1-2].鉴于此，美国NCHRP 9-10项目的研究报告[2]提出采用重复蠕变恢复试验(RCRT)来评价改性沥青.但是D’angelo等[3]的研究表明RCRT的加载应力较低，无法反映改性沥青在路面中的实际受力状态，因此又提出了多应力蠕变恢复(MSCR)试验，采用0.1kPa 和3.2kPa两个应力水平进行测试，以不可恢复蠕变柔量Jnr、恢复率R和应力敏感性指标Jnr-diff，Rdiff作为评价指标，其中Jnr可以反映改性沥青在较大应力下的非线性流变响应，且有研究表明Jnr与沥青混合料抗车辙性能的相关性较好[4].目前MSCR试验已被编入美国AASHTO和ASTM规范[5-6]中，AASHTO MP19-10分级标准[7]也以3.2kPa 应力时的Jnr值作为沥青分级新指标.中国一些研究者[8-9]应用MSCR试验对SBS改性沥青、PE改性沥青等的高温性能进行了评价，但是将改性沥青的MSCR评价结果与其混合料高温性能进行对比分析的研究还不多.本文选择华东地区常用的几种改性沥青，应用MSCR试验对其高温性能进行测试与分析，再与改性沥青混合料三轴动态蠕变试验结果进行对比研究，为准确评价改性沥青提供基础性数据.

1 材料与试验

1.1 材料

以SBS改性沥青、胶粉改性沥青和高强沥青为研究对象，其编号和主要性能指标如表1所示.为了更好地模拟改性沥青在实际路面上的工作状态，本文MSCR试验采用的均是经过旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)进行短期老化处理后的试样，老化方法见JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》.

表1 改性沥青的主要性能Table 1 Main properties of modified asphalts

粗、细集料分别采用玄武岩和石灰岩，填料为石灰岩矿粉，抗剥落剂的掺量为改性沥青质量的0.4%，所有矿质材料的技术指标均满足现行规范要求.选择目前沥青路面上面层常用的AC-13作为集料级配型式，考虑到胶粉改性沥青的溶胀效应，其混合料的集料级配增加间断级配型式ARAC-13作为对比.在进行沥青混合料配合比设计时，AC-13和ARAC-13均通过控制关键筛孔2.36mm通过率的方法，经多次调整确定合成级配，结果如表2所示.

表2 改性沥青混合料的合成级配Table 2 Aggregate gradations of modified asphalt mixtures

改性沥青混合料由马歇尔试验确定最佳油石比，再按最佳油石比应用旋转压实仪成型试件，最后经钻芯取样和双面切割获得φ100×150mm的圆柱体试件.

1.2 试验

MSCR试验步骤为：首先采用0.1kPa的应力，加、卸载时间分别为1s和9s，重复循环10次；再采用3.2kPa的应力，加、卸载时间和重复次数同前.0.1，3.2kPa应力之间不间断，整个试验共耗时200s.参考AASHTO MP19-10分级标准[7]的要求，试验温度选择58，64，70℃.试验仪器采用美国TA公司生产的AR-2000ex高级流变仪，根据试验的测温范围，采用直径为25mm的平行板夹具，试样厚度取1mm.

蠕变试验的加载模式有动态和静态两大类，本文选择与真实沥青路面情况更接近的动态蠕变试验.为了更准确地模拟改性沥青混合料在实际路面中的受力状态，加载应力包括轴向应力和围压，即为三轴加载.参考中国标准轴载轮胎与路面的接触压力，轴向应力取700kPa，围压取138kPa.试验的加载波形设为半正弦波，加载0.1s、卸载0.9s为1个蠕变恢复循环，试验的终止条件为重复加载次数达到10000次或试件的累积应变曲线进入破坏期.试验仪器采用澳大利亚IPC Global公司生产的UTM-25万能材料试验机，试验温度采用60℃.

2 改性沥青MSCR高温性能分析与评价

2.1 不可恢复蠕变柔量Jnr

图1为胶粉改性沥青在64℃下的MSCR试验曲线，呈现了0.1，3.2kPa应力下累积应变随时间的变化情况，其他试验曲线限于论文篇幅不再一一绘出.在每个应力下，单次循环的不可恢复蠕变柔量Jnr按式(1)计算.0.1，3.2kPa应力下10次循环内不可恢复蠕变柔量的平均值分别表示为Jnr，0.1，Jnr，3.2，它们能反映沥青在不同应力下的抗永久变形能力，数值越小，沥青的高温性能越好.

Jnr=γnr/τ

(1)

式中：τ为每次循环的加载应力，kPa；γnr为该次循环的不可恢复应变.

图1 胶粉改性沥青在64℃下的MSCR试验曲线Fig.1 MSCR test curve of rubber modified asphalt at 64℃

改性沥青在58,64,70℃时的Jnr，0.1，Jnr，3.2值如图2所示.由图2可以看出：当应力提高时，3种改性沥青的Jnr值均不同程度增大，在温度升高时亦然.这表明“重载”作用对改性沥青抗永久变形能力的影响与“高温”相似，即应力与温度具有某种等效性.对试件施加0.1kPa应力时，改性沥青的流变性能基本处于线性范围[10]；而当应力增加到3.2kPa时，改性沥青的流变性能很可能已经进入非线性范围，这应该可以模拟沥青路面在承受较大荷载时的情况.

图2 不同应力和温度下改性沥青的Jnr值Fig.2 Jnrvalues of modified asphalts at different stresses and temperatures

为了全面评价3种改性沥青，以不同应力和温度下的Jnr值为依据进行高温性能排序.由图2可以看出，当试验条件改变时，胶粉改性沥青的Jnr值变化幅度最大.开始时应力和温度都较低，胶粉改性沥青的Jnr值最小，高温性能最好；之后随着应力或温度的提高，胶粉改性沥青的Jnr值很快超过高强沥青；特别是当温度升高到70℃时，胶粉改性沥青的Jnr，3.2值大幅增加，虽然仍稍低于SBS改性沥青，但两者已经很接近了.可以预测，如果试验的应力或温度进一步增大，胶粉改性沥青的Jnr值很可能超过SBS改性沥青.总之，在不同应力和温度下以Jnr值为依据对3种改性沥青高温性能的评价顺序并不一致，分析其原因主要是胶粉改性沥青对应力和温度的敏感性明显大于另外2种改性沥青.由于应力与温度具有等效性，本文仅分析应力敏感性对改性沥青抗永久变形能力的影响.

2.2 应力敏感性指标Jnr-diff

沥青的应力敏感性可以用不可恢复蠕变柔量相对差异Jnr-diff来描述，其计算公式见式(2).Jnr-diff值越大，沥青的应力敏感性越大.

(2)

3种改性沥青在不同温度时的Jnr-diff值如图3所示.由图3可以看出，当温度升高时改性沥青的Jnr-diff值随之增大，这表明高温条件下改性沥青抗永久变形能力的应力敏感性更为突出.3种改性沥青中，胶粉改性沥青的Jnr-diff值为同温度下的最大值，即胶粉改性沥青的应力敏感性明显超出其他2种改性沥青.胶粉改性沥青的Jnr-diff值在58℃时为68%，64℃ 时达到196%，70℃时更高达342%.AASHTO MP19-10分级标准对Jnr-diff值的要求是“≤75%”[7]，显然，64℃和70℃下的胶粉改性沥青均远远超出这个范围，很可能已经达到蠕变破坏阶段.

图3 不同温度下改性沥青的Jnr-diff值Fig.3 Jnr-diff values of modified asphalts at different temperatures

58℃时SBS改性沥青、高强沥青的Jnr-diff值分别为0.3%，0.6%，64℃时为2%，3%，70℃时则为37%，47%，都满足了AASHTO MP19-10分级标准的相关测试要求.参考Petersen等[11]确定振动模式下沥青流变性能线性范围极限值的方法，可以根据改性沥青的Jnr-diff值是否“>5%”来判定其流变性能处于哪个范围.由此得出：当应力达到3.2kPa时，58℃和64℃下的SBS改性沥青和高强沥青流变性能均处于线性范围，但是在70℃时的SBS改性沥青、高强沥青和58℃时的胶粉改性沥青一样，流变性能已经进入非线性范围.

因改性沥青的Jnr-diff值达到5%时可作为其流变性能线性范围极限值，且Jnr-diff值会随温度升高而增大，故得出改性沥青流变性能的线性范围将随温度升高而变窄的结论.由图3还可见，当应力为3.2kPa 时，58℃和64℃下只有胶粉改性沥青的流变性能超出线性范围，且其在3个温度下的Jnr-diff值均远大于其他改性沥青，因此可得出：3种改性沥青中，胶粉改性沥青流变性能的线性范围最小.

2.3 改性沥青的MSCR交通分级

基于MSCR试验的AASHTO MP19-10分级标准沿用了以车辙因子G*/sinδ为基础的沥青胶结料规范温度分级的方法，即各等级相关技术指标的要求值固定为常数，而试验温度则不同，且2个规范采用的分级温度数值也是相同的，其中高温分级温度范围为46～82℃，以6℃为1个间隔.确定了高温等级后，AASHTO MP19-10分级标准再以Jnr，3.2为分级新指标，按照对应的交通量情况分为极重交通(E)、特重交通(V)、重交通(H)、标准交通(S)共4个等级[7].

3种改性沥青的交通分级结果如表3所示.由表3可以看出，同一改性沥青在不同温度下适用的交通等级不一样.SBS改性沥青在58℃时的评级是特重交通(V)，64℃时是重交通(H)，70℃时则是标准交通(S)，即随着温度升高，适用的交通等级逐渐下降.其他改性沥青基本上遵循相同规律，这从另一个侧面印证了应力和温度对改性沥青抗永久变形能力的影响具有等效性这一推论.

表3 不同温度下改性沥青适用的交通等级Table 3 Traffic grades of application about modified asphalts at different temperatures

由表3还可以看出，胶粉改性沥青在3种改性沥青中比较特殊，它在58℃时适用的交通等级是极重交通(E)，属于最高等级，但是在64，70℃时却连最低等级也没有达到.胶粉改性沥青的PG高温等级高达82℃(见表1)，说明其在低应力区间线性范围内的抗永久变形能力非常优秀；但是由于其线性范围很小，故当应力或温度提高时胶粉改性沥青的流变性能迅速进入非线性范围，导致其高温性能急速衰减，因此胶粉改性沥青不适用于特重交通或重交通的沥青路面.另外，对于应力敏感性突出的改性沥青而言，决定其交通等级的关键因素除了分级指标Jnr，3.2外，还应包括应力敏感性指标Jnr-diff.这是因为MSCR试验对Jnr-diff值有“<75%”的限制，不满足要求的改性沥青即使Jnr，3.2值比较高，也会如胶粉改性沥青一样评出较差的交通等级.

3 基于混合料三轴动态蠕变试验的验证分析

图4给出了以3种改性沥青为结合料的改性沥青混合料60℃三轴动态蠕变试验曲线，其中AC-13，ARAC-13代表集料级配型式，括号内为改性沥青编号.沥青混合料累积应变的发展过程通常由3个阶段组成，即初始阶段、稳定阶段和破坏阶段，可以把进入破坏阶段的先后顺序作为评价沥青混合料高温性能的依据，故由图4得出：AC-13(C)的高温性能最好，AC-13(A)次之，而ARAC-13(B)和AC-13(B)排在后两位.

图4 改性沥青混合料60℃三轴动态蠕变试验曲线Fig.4 Triaxial repeated creep test curves of modified asphalt mixtures at 60℃

虽然集料性状及级配型式对沥青混合料的高温稳定性影响很大，但是近期的研究表明典型密级配沥青混合料的抗永久变形能力主要由沥青性能决定[12].因此，采用相同集料与密级配型式(AC-13)的改性沥青混合料高温性能排序可以反映其改性沥青结合料实际高温性能的优劣.由此得出：高强沥青的高温性能最好，SBS改性沥青次之，胶粉改性沥青最差.这个结果与前文64，70℃下3种改性沥青交通等级反映出的高温性能排序一致.本文三轴动态蠕变试验的加载方案模拟的是标准轴载的作用情况，而近年来中国不少高等级公路上重载车大量增加，甚至超载车也占据相当的比重，在重载交通条件下改性沥青肯定承受了更大应力，很可能MSCR试验的温度需要进一步提高.

4 结论

(1)当应力提高时改性沥青的不可恢复蠕变柔量随之增大，温度升高时亦然，这表明在非线性范围内应力和温度对改性沥青抗永久变形能力的影响具有等效性.

(2)随着温度的升高，改性沥青流变性能的线性范围逐渐变窄，应力敏感性更为显著；胶粉改性沥青在低应力区间的高温性能优秀，但是其线性范围很小，当应力或温度提高时迅速进入非线性范围，高温性能急剧衰减.

(3)在不同应力和温度下改性沥青高温性能的排序可能发生改变，因此在评价改性沥青的高温性能时应充分考虑其在实际沥青路面中的受力和温度状态，而基于AASHTO MP19-10标准的交通分级能够反映改性沥青的这一特性.

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