有砟轨道沥青级配碎石基床复合改性沥青性能研究

2020-05-11楼梁伟

铁道建筑 2020年4期

楼梁伟

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081）

在运营过程中，高速铁路有砟轨道出现的翻浆冒泥、路基沉降、道床板结等病害，均与水分侵入路基有着直接或间接的关系［1-2］。日本、德国、意大利、美国、荷兰等国已将沥青混凝土材料应用到铁路轨下基础中，对采用沥青混凝土取代部分碎石基层进行尝试，以起到防水和结构补强作用［3-4］。国内最早关于路基面防水沥青混合料（Surface Asphalt Mixture Impermeable，SAMI）的研究成果在遂渝无砟轨道综合试验段、京津城际以及武广客运专线进行了试用［5］。铁科院围绕全断面沥青混凝土封闭结构开展了大量基础性研究工作，提出了沥青混凝土封闭结构的材料技术要求，形成相应的材料与结构设计方法，并先后在郑徐、京张、郑万等无砟轨道路基段中应用，但在有砟轨道中尚未应用［6-8］。在有砟轨道基床表层中设置沥青级配碎石，可显著提高有砟轨道路基的防排水能力，改善路基的受力状态。有砟轨道沥青级配碎石基床主要承受上部静、动荷载作用，尤其是要考虑温度应力引起的开裂、高频振动引起的疲劳开裂以及环境作用下的老化问题。然而，由于荷载特点和环境条件等因素，采用单一改性剂的改性沥青的高温性能、低温性能、疲劳性能以及抗老化性能相互制约，无法满足使用要求。

本研究拟采用增强剂与SBS改性沥青复配的技术方案，制备复合改性沥青，通过对3种不同增强剂掺量复合改性沥青（SBS，SBS+4%增强剂，SBS+8%增强剂）的动态剪切试验、低温梁流变试验、室内老化试验（短期老化和长期老化）、疲劳试验以及傅里叶变换红外光谱，分析其在不同老化状态下的流变性能、官能团变化以及疲劳性能、低温性能。研究成果可为复合改性沥青在高速铁路有砟轨道沥青级配碎石基床中的应用提供技术支撑。

1 室内试验

1.1 原材料选择

选用铁路专用SBS改性沥青，其基本性能见表1。

表1 SBS改性沥青基本性能

1.2 SBS复合改性沥青制备

SBS复合改性沥青的制备工艺如下：①利用高速剪切仪将预热至180℃且呈完全流动状态的SBS改性沥青在1 000 r/min下搅拌均匀；②按照SBS改性沥青质量比0，4%，8%称量增强剂，将其缓慢加入搅拌均匀的SBS改性沥青中；③利用高速剪切仪（6 000 r/min）将混和物在180℃下剪切60 min，从而制备SBS复合改性沥青；④将制备好的SBS复合改性沥青分别标号并保存，用于后续试验。为简化后续表达，将3种不同增强剂掺量的SBS复合改性沥青分别命名为SBS、SBS+4%增强剂、SBS+8%增强剂。

1.3 试验方案

采用如表2的试验方案对复合改性沥青的性能进行评价。

表2 试验方案

1）室内老化试验

采用RTFOT试验模拟沥青材料在施工过程中的短期老化，即在标准玻璃盛样皿（高140 mm，直径64 mm）中倒入35 g沥青，在163℃和4 000 mL/min空气通气量下，以15 r/min的转速旋转，进行85 min的老化。

采用PAV试验模拟沥青材料在服役过程中的长期老化，即将RTFOT后的沥青材料倒入老化盘中，并放入老化容器中，在2.1 MPa和100℃的环境下老化20 h。

2）DSR试验

利用DSR评价未老化和RTFOT状态下复合改性沥青的高温抗变形性能，即将复合改性沥青试样放置在2个平行的圆形板中，采用25 mm的转子，控制工作间隔为1 mm，振荡频率为10 rad/s，应变值分别设为10%（未老化）和12%（RTFOT），起始测试温度设为64℃，温度间隔为6℃，测试不同温度下复合改性沥青的复数剪切模量G*、相位角δ、车辙因子 G*/sinδ、临界破坏温度。此外，针对PAV后的复合改性沥青，可用疲劳因子G*sinδ评价其抗疲劳性能。

3）MSCR试验

为研究复合改性沥青在高温状态下的蠕变和恢复特性，利用DSR对RTFOT后的复合改性沥青进行MSCR试验。选用的测试应力水平为0.1 kPa和3.2 kPa，测试温度为64℃，试验按照应力加载1 s、卸载9 s进行，重复加载应力次数为10次，取其各周期平均值计算不可恢复蠕变柔量和蠕变恢复率。

4）BBR试验

针对PAV后的复合改性沥青，利用BBR得到的蠕变速率m和蠕变劲度模量S来评价沥青材料的低温蠕变特性，选取-6，-12，-18℃三个试验温度。

5）LAS试验

通过DSR对PAV后的复合改性沥青进行LAS试验，选用8 mm的转子和1 mm的工作间隔，测试温度为25℃。先后进行频率扫描和振幅扫描，进而根据疲劳模型确定复合改性沥青的疲劳寿命。

6）FTIR分析

采用FTIR分析测试RTFOT和PAV前后复合改性沥青官能团的变化，进而评价其抗老化性能。试验过程为将复合改性沥青置于ATR附件的晶体上，测试范围为4 000～600 cm-1，扫描次数为32次，扫描分辨率为4 cm-1。每次测试结束用蘸有四氢呋喃的脱脂棉清理附件，并重新测量背景单通道光谱。

2 结果与讨论

2.1 高温抗变形性能

车辙因子是评价沥青材料高温抗变形能力的典型指标，车辙因子G*/sinδ说明沥青因能量耗散而造成的变形相对较小，即沥青具有较好的高温抗变形能力。美国公路战略研究计划（Strategic Highway Research Program，SHRP）中规定，当车辙因子G*/sinδ≥1.0 kPa（未老化的沥青材料）或≥2.2 kPa（RTFOT后的沥青材料）时，沥青材料未发生破坏［9］。

复合改性沥青在不同温度下车辙因子G*/sinδ的试验结果见图1。表3为复合改性沥青高温临界破坏温度的试验结果。由图1和表3可知：

1）随着试验温度的升高，3种沥青材料的车辙因子呈下降趋势。这主要是由于温度升高，沥青材料的变形模量降低，其高温抗变形能力降低。

图1 车辙因子测试结果

表3 高温临界破坏温度测试结果

2）与SBS改性沥青相比，在同一试验温度下添加增强剂后的复合改性沥青的车辙因子明显增大，说明添加增强剂后复合改性沥青的高温抗变形性能得到明显改善，且随着增强剂掺量的增加改善效果更为明显。这主要是由于掺入的增强剂经高速剪切分散于沥青中与里面原有的SBS分子交联形成复合结构，进一步约束了SBS分子和沥青分子链的运动，从而使得沥青的稠度增大，高温抗变形能力得到显著改善。

3）增强剂掺量的增加，提高了复合改性沥青的高温临界破坏温度，与车辙因子的变化规律保持一致。原样阶段的SBS+4%增强剂和SBS+8%增强剂的复合改性沥青高温临界破坏温度分别为81.9，90.2℃，与未添加增强剂的SBS改性沥青相比，分别提高了12.9，21.2℃。这对提高沥青级配碎石基床的高温抗变形能力十分有益。

通过MSCR试验测试了RTFOT后3种复合改性沥青在64℃下的不可恢复蠕变柔量和蠕变恢复率。通常来说，不可恢复蠕变柔量越小蠕变恢复率越大，说明沥青的高温变形恢复能力越强，越不容易产生永久变形［10］。多重应力蠕变恢复试验结果见图2。可知：

图2 多重应力蠕变恢复试验结果

1）相比于3.2 kPa，在0.1 kPa应力水平下，3种复合改性沥青的不可恢复蠕变柔量较小，而蠕变恢复率较大。这说明3种改性沥青在较小的应力水平下均具备较强的变形恢复能力。

2）无论是采用0.1 kPa还是3.2 kPa的荷载应力水平，添加增强剂均可以显著降低改性沥青的不可恢复蠕变柔量和蠕变恢复率。这说明其明显改善了沥青的高温抗变形能力以及变形恢复能力。随着增强剂掺量的增加，其不可恢复蠕变柔量持续降低，而蠕变恢复率则不断提高。这意味着增加增强剂掺量可进一步提高其改善高温性能的效果。增强剂所带来的高温性能改善效果主要是由于其可直接提高复合改性沥青弹性成分的比例，使得复合改性沥青在承受应力时产生更多的弹性可恢复变形，从而减少了高温下不可恢复的永久变形，提高了复合改性沥青的高温抗变形能力。

2.2 低温抗开裂性能

按照 AASHTO TP-1［11］进行 BBR 试验，利用RTFOT+PAV阶段后沥青60 s的蠕变速率m值和蠕变劲度模量S值评价沥青材料在低温条件下的收缩和释放能力。m值越大说明沥青材料在低温作用下的应力释放速率越大，避免了沥青材料中剩余应力的产生；S值越小说明沥青材料中产生单位应变所需的应力越小，沥青材料的低温柔韧性越好。3种复合改性沥青在不同试验温度下的BBR试验结果见图3。

图3 BBR试验结果

基于SHRP研究成果，以60 s时的m≥0.3，S≤300 MPa为判据，计算得到复合改性沥青的低温临界温度，并根据SHRP PG分级原则，按照2个临界温度值（分别由劲度模量和蠕变速率反算得到）之间的较高温度减去10℃得到复合改性沥青的低温破坏温度［12］。表4和图4为3种复合改性沥青在低温条件下的临界温度、破坏温度和低温等级计算结果。

表4 临界温度、低温破坏温度与低温等级测试结果

图4 临界温度的反算过程示意

由图3、图4和表4可知：

1）随着恒定应力加载时间的增加，3种复合改性沥青的蠕变劲度模量S值均减小，蠕变速率m值均增大。

2）在相同试验温度下，由于增强剂的添加及其掺量的增加，复合改性沥青的S值小于SBS改性沥青的S值，说明复合改性沥青在低温条件下柔性更好，可抑制低温裂缝的产生和发展。然而，复合改性沥青的m值未呈现明显的规律性。如在-6℃和-12℃条件下SBS改性沥青的m值更小，而-18℃时复合改性沥青的m值更小。

3）与SBS改性沥青相比，除由劲度模量反算的临界破坏温度外，复合改性沥青的临界破坏温度、低温破坏温度略高，说明增强剂的添加会降低复合改性沥青的低温脆度，但也会损失部分释放温度应力的能力。但从PG分级角度，3种复合改性沥青的低温等级均为-22，可满足我国大多数地区低温条件下的使用要求。

2.3 中温抗疲劳性能

针对RTFOT+PAV后的复合改性沥青试样进行疲劳性能测试，采用疲劳因子G*sinδ表征沥青材料的疲劳性能。疲劳因子越大，说明沥青材料的抗疲劳开裂性能越差，并规定其不应超过5 000 kPa［13］。由于疲劳破坏是在常温下产生的，故选用了25，22，19℃这3个测试温度。3种复合改性沥青疲劳因子的测试结果见表5。可知，当试验温度相同时，由于增强剂的添加且随其掺量的增加，复合改性沥青的疲劳因子均小于SBS改性沥青，说明复合改性沥青具有较为优越的抗疲劳性能。

通过LAS试验，结合沥青疲劳模型计算得到复合改性沥青在不同应变水平下的疲劳寿命。疲劳寿命越大说明沥青材料的抗疲劳性能越好［14］。3种复合改性沥青的疲劳寿命测试结果见图5。