BRA改性沥青高温性能评价指标的比较研究*

吴源锋 廖 军 黄晚清 冯文凯 曹明明

(荣县交通运输局1) 荣县 643100) (成都理工大学环境与土木工程学院2) 成都 610059) (四川省交通运输厅交通勘察设计研究院3) 成都 610041)

0 引 言

近些年来许多学者对沥青高温性能的评价指标进行了深入的研究.熊剑平等[1]对沥青抗车辙性能的评价指标进行了优选，发现针入度、软化点，以及车辙因子不能准确评价Rubber，PE，SBS改性沥青的抗车辙性能，建议采用平均不可恢复蠕变柔量Jnr作为沥青抗车辙性能的评价指标.黄卫东等[2]对不同类型的SBS改性沥青高温性能的评价指标进行了对比研究，发现Jnr0.1和Shenoy不可恢复柔量在SBS改性沥青高温性能评价上均优于车辙因子.刘红瑛等[3]对多聚磷酸改性沥青高温性能的评价指标进行了对比分析，结果表明，软化点和累积应变可以用于评价不同类型沥青的高温性能.樊向阳等[4]对抗车辙剂改性沥青的高温性能的诸多评价指标进行了研究，发现Jnr0.1，Jnr3.2可以较为准确的评价抗车辙剂改性沥青的高温性能.目前对天然岩沥青研究较多的是其对基质沥青的改性机理及其混合料的路用性能.陆兆峰等[5]研究了天然岩沥青改性基质沥青的内在机理，结果表明岩沥青的掺入改变了基质沥青原有的沥青组分.黄文通等[6]研究了北美岩沥青改性基质沥青的机理，结果表明北美岩沥青能有效增强沥青内部分子之间的作用力，显著增强沥青的抗老化性能、高温抗车辙性能.罗东等[7]研究纯净岩沥青对基质沥青老化性能及疲劳性能的影响，结果表明，岩沥青对基质沥青抗老化性能和疲劳性能有显著的改善，但对基质沥青的低温性能造成不利影响，建议纯净岩沥青掺量为15%.曾梦澜等[8]对欧洲岩沥青改性沥青混合料路用性能进行了研究，发现欧洲岩沥青显著增强了沥青混合料的抗水损害能力及高温抗车辙性能，但同时降低了沥青混合料的低温抗裂性能.

目前对布敦岩沥青改性沥青高温性能评价指标的研究较少，文中将对沥青诸多高温性能评价指标进行对比分析，以优选出能较为准确评价BRA改性沥青高温性能的指标.

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

选用印尼布敦岩沥青(buton rock asphalt，BRA)，基质沥青为70#A级道路石油沥青，其技术指标见表1～2.

表1 布敦岩沥青技术指标及测试结果

表2 70#基质沥青技术指标及测试结果

1.2 BRA改性沥青的制备

选取BRA和70#基质沥青在实验室制备BRA掺量不同的改性沥青，其中布敦岩沥青的掺量(布敦岩沥青与70#基质沥青的质量比)分别为0.0%，10.0%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%.BRA改性沥青的制备方法如下：将70#基质沥青放入烘箱中加热至180 ℃，按照设计比例称取一定质量的布敦岩沥青，加入到70#基质沥青中并用玻璃棒搅拌均匀，采用转速为4 500 r/min的剪切机剪切、挤压30 min，剪切过程中保证沥青温度维持在180 ℃[9].

1.3 沥青结合料试验方法

BRA能够增大基质沥青的黏度，从而增强沥青的高温抗变形能力，与SBS聚合物对基质沥青高温性能的改性机理有较大区别.因此为研究沥青各高温性能评价指标对BRA改性沥青高温性能的评价效果，对BRA掺量不同的改性沥青进行高温性能常规试验、135 ℃旋转黏度试验、常规震荡剪切试验(DSR)和多应力蠕变恢复试验(MSCR).

采用上海某公司生产的SYD-2806G型全自动沥青软化点试验仪和SYD-2801I型针入度试验仪对BRA掺量不同的原样改性沥青进行软化点试验和针入度试验，其中针入度试验获取温度分别15,25,30 ℃的针入度值，以计算出各掺量BRA改性沥青当量软化点[10].采用美国博勒飞DV-II+Pro型黏度计对BRA掺量不同的原样改性沥青进行旋转黏度试验，试验温度为135 ℃.以上试验详细的步骤及要求见JTG E20—2011.

采用美国TA公司生产的型号为AR1500ex的动态剪切流变仪对沥青进行常规震荡剪切试验(DSR)和多应力蠕变恢复试验(MSCR)，试验样品均为RTFOT老化后BRA改性沥青残留物，震荡剪切试验温度为60 ℃，角频率为10 rad/s，在应变控制模式下进行. MSCR试验的试验温度同样设定为60 ℃，选取25 mm转子，间隙设置为1 mm，在应力控制模式下进行，先后分别在0.1,3.2 kPa剪切应力水平下加载1 s，卸载9 s，两个步骤之间不发生间歇，不同的是在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，整个试验共耗时300 s[11-12].绘出累计应变和时间的关系曲线，图1为一个蠕变恢复周期内的应变图.每个周期内的不可恢复蠕变柔量为

Jnr=εu/σ

式中：εμ为未恢复的应变；σ为应力.

图1 一个蠕变回复周期内的应变图

1.4 沥青混合料试验方法

对BRA掺量不同的改性沥青混合料进行了60 ℃车辙试验获取动稳定度DS，并将其与沥青高温评价指标进行回归分析，以验证BRA改性沥青高温性能评价指标的有效性，其中混合料的级配均为AC-20C，粗细集料均为石灰岩，填料为石灰岩磨制的矿粉，油石比均设定为4.4%，对每种BRA掺量沥青混合料平行试验三个试件，取其平均值作为试验结果，详细的试验步骤及要求见文献[10].

2 BRA改性沥青高温评价指标研究

2.1 软化点

BRA掺量不同的改性沥青软化点测定结果见表3.由表3可知，随BRA掺量的增加沥青软化点有较明显的提高，表明BRA改性沥青高温性能优于70#基质沥青.

表3 不同掺量BRA改性沥青软化点

2.2 当量软化点

BRA掺量不同的改性沥青当量软化点见表4.由表4可知，随BRA掺量的增加沥青当量软化点有较明显的提高，表明BRA改性沥青高温性能优于70#基质沥青，且BRA掺量越高，沥青高温性能越好.

表4 不同掺量BRA改性沥青当量软化点

2.3 135 ℃旋转黏度

BRA掺量不同的改性沥青135 ℃旋转黏度见表5.由表5可知，BRA掺量为10%,20%,30%,40%,50%,60%的改性沥青黏度分别是70#基质沥青黏度的100.51%,130.90%,185.91%,309.75%,338.74%,386.08%，表明BRA改性沥青高温性能明显优于70#基质沥青，且BRA掺量越高，沥青高温性能越好.

表5 BRA改性沥青135 ℃旋转黏度

2.4 车辙因子及Shenoy不可恢复柔量

车辙因子G*/sinδ并不能够很好地反映SBS类高弹改性沥青的高温抗永久变形能力.Shenoy提出不可恢复柔量[1-1/(tanδ·sinδ)]/G*作为沥青高温性能的评价指标.试验采集到的车辙因子G*/sinδ和相位角δ计算出Shenoy不可恢复柔量，见表6.由表6可知，随着BRA掺量的增加，BRA改性沥青G*/sinδ均有所增加，Shenoy不可恢复柔量均有所减小.

表6 不同掺量BRA改性沥青G*/sin δ和[1-1/(tan δ·sin δ)]/G*

2.5 平均不可恢复蠕变柔量Jnr

对BRA掺量不同的改性沥青进行MSCR试验得到的Jnr0.1和Jnr3.2 kPa-1见表7.由表7可知，随BRA掺量的增加，Jnr0.1和Jnr3.2 kPa-1均逐渐减小，表明BRA改性沥青高温性能逐渐增强.

表7 不同掺量BRA改性沥青60 ℃的Jnr0.1和Jnr3.2

2.6 评价指标的比较

沥青的软化点和当量软化点随BRA掺量的变化见图2a).拟合发现，沥青软化点随BRA掺量的增加而呈线性增长趋势.对BRA掺量与当量软化点进行线性回归、对数函数回归、幂函数回归、指数函数回归，发现更符合线性关系，但相关性系数R2为0.85.此外，由图2a)可知，随着BRA掺量的增加，沥青的当量软化点与软化点的差值逐渐减小，表明BRA掺量较高时，当量软化点与软化点对BRA改性沥青高温性能的评价更趋于一致.

沥青的135 ℃旋转黏度、车辙因子随BRA掺量的变化分别见图2b)～c).拟合发现，135 ℃旋转黏度和车辙因子均随BRA掺量的增加而呈指数增长的趋势，表明随着BRA掺量的增加，沥青的135 ℃旋转黏度和车辙因子增长的速度越来越快，也就是说当BRA掺量较高时，变化BRA掺量对沥青高温性能的影响更为显著.

沥青的Shenoy不可恢复柔量、Jnr0.1,Jnr3.2 kPa-1随BRA掺量的变化分别见图2d)～f).拟合发现，Shenoy不可恢复柔量、Jnr0.1,Jnr3.2 kPa-1均随BRA掺量的增加而呈指数减小的趋势，表明随着BRA掺量的增加，沥青的Shenoy不可恢复柔量、Jnr0.1、Jnr3.2 kPa-1增长的速度越来越慢，也就是说BRA掺量较低时，变化BRA掺量对沥青高温性能的影响更为显著，而当掺量较高时，变化BRA的掺量对沥青高温性能的影响更为微弱.

图2 BRA改性沥青各评价指标与BRA掺量的拟合曲线

3 沥青混合料动稳定度

对不同BRA掺量的改性沥青混合料进行了60 ℃车辙试验，以验证BRA改性沥青高温性能评价指标的有效性，试验得到的动稳定度结果见图3.由图3可知，随BRA掺量的增加，沥青混合料动稳定度均有所增加，表明沥青混合料高温稳定性逐渐增强.

图3 不同掺量BRA改性沥青混合料动稳定度

4 各高温评价指标与动稳定度的相关性

将BRA改性沥青混合料AC-20C的60 ℃动稳定度分别与文中沥青高温性能评价指标(软化点、当量软化点、135 ℃旋转黏度、车辙因子、Shenoy不可恢复柔量、Jnr0.1、Jnr3.2)进行线性函数、对数函数、幂函数、指数函数回归分析.可以发现：BRA改性沥青混合料60 ℃动稳定度除了与软化点和当量软化点有良好的线性关系外，与其余高温评价指标的线性关系并不明显，拟合得到的函数中指数函数的R2最大，因此，统一采用指数函数回归模型，拟合得到的回归方程及其R2见图4.由图4可知，动稳定度与软化点、当量软化点、135 ℃旋转黏度、车辙因子的回归曲线均为下凹型单调递增函数，回归曲线的斜率随着软化点、当量软化点、135 ℃旋转黏度、车辙因子的增加而增大，而动稳定度与Shenoy不可恢复柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1的回归曲线均为下凹型单调递减函数，回归曲线的斜率随着Shenoy不可恢复柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1的增加而减小，表明BRA改性沥青的高温性能越好，其沥青混合料的动稳定度对BRA改性沥青高温性能的变化越敏感，也就是说BRA含量越高，BRA掺量的波动会使其混合料动稳定度产生较大的变异.因此，在实际工程中为了避免BRA改性沥青混合料的动稳定度产生较大的变异，必须严格控制BRA的掺量.反之，当BRA含量较低时，BRA掺量的波动对其混合料动稳定度的影响不显著，也就是说BRA改性沥青的高温性能越差，其沥青混合料动稳定度对BRA改性沥青高温性能变化的敏感度就越低，因而对于高温性能要求较低的路面，对于BRA改性沥青高温性能变异的容忍度较高.

由图4中各拟合方程的R2来看，BRA改性沥青的各高温评价指标与BRA改性沥青混合料60 ℃动稳定度指数函数相关性排序为Jnr3.2>Shenoy不可恢复柔量>Jnr0.1>当量软化点>软化点>车辙因子>135 ℃旋转黏度.

基于以上有限的数据回归分析，对于BRA改性沥青可以得出：①BRA改性沥青混合料动稳定度与沥青结合料高温评价指标软化点、当量软化点、135 ℃旋转黏度、车辙因子、Shenoy不可恢复柔量、Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1之间的关系可通过指数函数方程表达.②Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1，Shenoy不可恢复柔量、当量软化点、软化点在BRA改性沥青高温性能评价上均优于车辙因子，而135 ℃旋转黏度与动稳定度的相关性最差.

图4 BRA改性沥青混合料动稳定度与各评价指标的拟合曲线

5 结 论

1) BRA掺量与沥青软化点、当量软化点存在良好的线性函数关系，而与135 ℃旋转黏度、车辙因子、Shenoy不可恢复柔量、Jnr0.1，Jnr3.2均存在良好的指数函数关系.

2) BRA改性沥青混合料动稳定度与沥青高温性能评价指标Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1，Shenoy不可恢复柔量、软化点、当量软化点、车辙因子、135 ℃旋转黏度之间的关系可通过指数函数方程表达.

3) BRA改性沥青的高温性能越好，其沥青混合料的动稳定度对BRA改性沥青高温性能的变化越敏感.

4) MSCR试验得到的平均不可恢复蠕变柔量Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1与BRA改性沥青混合料的动稳定度有较好的相关性，可用于评价BRA改性沥青的高温性能.

5)Jnr0.1，Jnr3.2 kPa-1、Shenoy柔量、当量软化点，以及软化点在BRA改性沥青结合料高温性能评价上均优于车辙因子，而135 ℃旋转黏度与动稳定度的相关性最差.

6) 虽然当量软化点是经验评价指标，但它与BRA改性沥青混合料的高温稳定性具有良好的相关性， 在无法进行MSCR试验的情况下，它也可用于评价BRA改性沥青高温性能.