基于MSCR试验的BRA改性沥青高温性能分析

吴源锋，廖军，黄晚清，冯文凯，曹明明

(1.荣县交通运输局，四川 荣县 643100；2.成都理工大学 环境与土木工程学院；3.四川省交通勘察设计研究院有限公司)

目前，沥青混凝土路面的车辙、坑槽等病害屡见不鲜，世界各国均把防治沥青混凝土路面车辙病害放在首要位置，各类性能优良的改性沥青应运而生。布敦岩沥青(Buton Rock Asphalt，简称BRA)作为一种优良的天然沥青改性剂，近年来国内外学者对BRA进行了广泛研究，Muhammad Karam等研究表明BRA能提高沥青混合料的弹性模量；文献[2]研究表明BRA的掺入对基质沥青的低温性能造成不利影响，但明显改善基质沥青的疲劳性能和抗老化性能；文献[3]研究表明BRA改性沥青的车辙因子与BRA掺量之间有较好的线性函数关系；文献[4]、[5]对BRA改性沥青混合料的路用性能进行了研究，结果表明BRA能有效改善沥青混合料的高温性能；文献[6]建议结合SHRP指标评价BRA改性沥青及其混合料性能。鉴于目前利用MSCR试验分析BRA改性沥青高温性能的研究较少，该文将在沥青PG高温分级基础上，基于MSCR试验，对比分析70#基质沥青、SBS改性沥青、BRA改性沥青的高温性能。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

选用印尼布敦岩沥青(BRA)，某品牌70#基质沥青，某品牌SBS改性沥青，BRA基本技术指标及测试结果见表1。

表1 布敦岩沥青技术指标及测试结果

1.2 BRA改性沥青的制备

BRA改性沥青的制备方法：按照设计比例称取一定质量的BRA，将70#基质沥青放入150 ℃的烘箱中加热至流动状态，再将烘箱升温至180 ℃加热10 min，然后加入事先称取好的BRA，并用玻璃棒搅拌均匀，采用剪切机以4 500 r/min的转速剪切、挤压30 min，整个制备过程确保沥青温度不超过180 ℃，并根据沥青黏度大小适当调整温度。

不同BRA掺量改性沥青常规指标测试结果如表2所示。

表2 BRA掺量不同的改性沥青常规指标试验结果

1.3 沥青及其混合料试验方法

1.3.1 高温分级试验

高温分级试验采用美国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)，试验样品为原样沥青以及旋转薄膜烘箱加热(RTFOT)后沥青残留物，试验温度为52～82 ℃，以6 ℃为一个间隔，选用的转子直径为25 mm，间隙设置为1 mm，震荡剪切频率为10 rad/s，在应变控制模式下进行。以原样沥青车辙因子(G*/sinδ)不小于1.0 kPa，且RTFOT后沥青残留物G*/sinδ不小于2.2 kPa来确定沥青的高温等级，以表征沥青的高温抗车辙性能。

1.3.2 多应力蠕变恢复试验

沥青多应力蠕变恢复试验(MSCR)同样采用AR1500ex型动态剪切流变仪，试验样品为RTFOT后沥青残留物，试验温度同样为52～82 ℃，以6 ℃为一个间隔，选用的转子直径为25 mm，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，前10个周期用于调整试件，数据不予以采纳，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。

依据以下公式计算每个周期内沥青的平均蠕变恢复率R、平均不可恢复蠕变柔量Jnr：

(1)

(2)

式中：γp为峰值应变；γnr为残留应变；γ0为起始应变；τ为蠕变剪切应力。

将0.1 kPa和3.2 kPa两个应力水平下10个蠕变恢复周期内的平均蠕变恢复率值分别表示为R0.1和R3.2，平均不可恢复蠕变柔量值分别表示为Jnr，0.1和Jnr，3.2。平均蠕变恢复率和平均不可恢复蠕变柔量对应的应力敏感性指标Rdiff和Jnr-diff可根据式(3)、(4)计算而得：

(3)

(4)

1.3.3 沥青混合料车辙试验方法

对不同类型沥青混合料进行60 ℃车辙试验获取车辙深度、动稳定度DS，以验证沥青高温性能，其中混合料的级配为AC-20C，粗细集料为石灰岩，填料为石灰岩磨制的矿粉，油石比均设定为4.4%，对每类沥青混合料平行试验3个试件，详细试验步骤及要求见JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。

2 结果与讨论

2.1 高温分级试验结果分析

对RTFOT老化前后沥青分别进行常规震荡剪切试验(DSR)，获取不同试验温度下的G*/sinδ，并根据要求对沥青进行PG高温分级，不同试验温度下沥青的G*/sinδ、PG高温分级结果见表3。

表3 沥青的G*/sinδ及PG高温等级

由表3可知：BRA掺量为0%、10%、20%的沥青PG高温分级均为70 ℃，BRA掺量为30%、40%、50%的沥青以及SBS改性沥青PG高温分级均为76 ℃，BRA掺量为60%的沥青PG高温分级为82 ℃，表明依据PG高温分级难以准确区分不同种类沥青高温性能。

2.2 MSCR试验结果分析

2.2.1 蠕变恢复率分析

对RTFOT老化后沥青进行MSCR试验，按式(1)计算出0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下，不同温度时沥青的R0.1、R3.2，具体结果如图1所示。

图1 不同试验温度下各沥青的蠕变恢复率

由图1可知：① 沥青的R0.1、R3.2均随试验温度的升高而逐渐减小，表明沥青的弹性成分在减少，黏性成分在增加，表现为变形恢复能力的降低；② 同一温度下，各掺量BRA改性沥青的R0.1、R3.2均小于SBS改性沥青，但明显大于70#基质沥青(BRA掺量为0%)，表明BRA的掺入可以明显增加基质沥青的弹性变形，减少黏性变形，表现为沥青高温变形恢复能力增强。

为进一步分析沥青的R与BRA掺量之间的关系，在PG高温分级结果基础上，绘制出试验温度分别为70、76 ℃时沥青的R随BRA掺量的变化，如图2所示。

由图2可知：①R0.1、R3.2均随BRA掺量的增加明显增大，表明沥青的弹性成分随之增多，黏性成分随之减少，变形恢复能力逐渐增强；②R随应力水平的提高或温度的升高而减小，印证了应力和温度对沥青抗变形能力的影响具有等效性这一结论。

图2 不同BRA掺量沥青的蠕变恢复率

2.2.2 不可恢复蠕变柔量分析

文献[11]研究表明MSCR试验可以在更大的应力应变范围内模拟、测试和分析沥青胶结料的非线性行为，Jnr更适合作为改性沥青高温性能评价指标，其值越小表明沥青高温性能越好。0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下，沥青的Jnr，0.1和Jnr，3.2可根据式(2)计算得到，具体结果如图3所示。

图3 不同试验温度下各沥青的不可恢复蠕变柔量

由图3可知：① 随试验温度的升高，沥青的Jnr逐渐增大，表明其高温抗永久变形能力逐渐降低；② 温度越高，各掺量BRA改性沥青的Jnr和70#基质沥青的Jnr之间的差值也越大，表明温度越高越能区分沥青高温性能；③ 同一温度下，随BRA掺量的增加，其改性沥青的Jnr逐渐减小，与70#基质沥青Jnr之间的差值也逐渐增大，表明BRA能明显改善沥青高温抗永久变形能力，且BRA掺量越高改善效果越显著；④ 应力从0.1 kPa增大到3.2 kPa时，沥青不可恢复蠕变柔量增加，这与实际沥青混凝土路面上较大的轴载会产生较大的车辙深度相符合；⑤ 各掺量BRA改性沥青的Jnr明显大于SBS改性沥青，其与SBS改性沥青Jnr的差值随试验温度的升高而增大，随BRA掺量、应力水平的增加而减小，表明高BRA掺量改性沥青的抗永久变形能力在温度不高、应力较大条件下与SBS改性沥青差别不大，也就是说，在温度不太高的区划内完全可以用高BRA掺量的改性沥青替代SBS改性沥青；⑥ 沥青的Jnr，0.1、Jnr，3.2与试验温度有较好的指数函数关系，即Jnr=AeBx，其中x为试验温度，A、B为回归系数，具体值见表4。

表4 沥青的Jnr随试验温度变化的回归系数A，B

为分析沥青的Jnr与BRA掺量的关系，绘制出试验温度分别为70、76 ℃时沥青的Jnr随BRA掺量的变化，如图4所示。

由图4可知：拟合发现，试验温度分别为70、76 ℃时，沥青的Jnr，0.1、Jnr，3.2均随BRA掺量的增加呈指数减小趋势，表明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，掺量的变化对沥青高温性能的影响更为微弱。

图4 不同BRA掺量沥青的不可恢复蠕变柔量

2.2.3 应力敏感性指标分析

不同温度下沥青的Rdiff、Jnr-diff可分别根据式(3)、(4)计算得到，具体结果如图5所示。

由图5可知：① 各掺量BRA改性沥青的Rdiff以及Jnr-diff均随温度的升高而增大，表明其R和Jnr的应力敏感性随温度的升高而增大；② SBS改性沥青的Rdiff明显低于各掺量BRA改性沥青，其Rdiff随温度的变化方式与各掺量BRA改性沥青明显不同，当温度高于70 ℃时，其Rdiff急剧增加，表明SBS改性沥青的应力敏感性(R)明显低于各掺量BRA改性沥青，但更容易受温度变化的影响；③ SBS改性沥青的Jnr-diff明显大于各掺量BRA改性沥青，其Jnr-diff随温度的变化与各掺量BRA改性沥青明显不同，当温度高于70 ℃时，其Jnr-diff急剧增加，表明SBS改性沥青的应力敏感性(Jnr)明显大于各掺量BRA改性沥青，且更容易受温度变化的影响。

图5 不同温度下沥青的应力敏感性指标

为分析沥青的Rdiff和Jnr-diff与BRA掺量的关系，绘制出试验温度分别为70、76 ℃时沥青的Rdiff和Jnr-diff随BRA掺量的变化，如图6所示。

由图6可知：① 各掺量BRA改性沥青的Rdiff和Jnr-diff与BRA掺量之间无明显的变化规律；② BRA掺量为40%～50%时Rdiff和Jnr-diff均较小，表明该掺量范围内BRA改性沥青的R和Jnr的应力敏感性较其他掺量BRA改性沥青低；③ 76 ℃ 时BRA改性沥青的应力敏感指标(Rdiff、Jnr-diff)均较70 ℃时高，表明其应力敏感性更大，非线性黏弹性也更为显著。

图6 不同BRA掺量沥青的应力敏感性指标

2.3 高温车辙试验结果分析

对沥青混合料进行60 ℃车辙试验，结果如图7所示。

图7 不同类型沥青混合料动稳定度和车辙深度

由图7可知：随BRA掺量的增加，沥青混合料的车辙深度逐渐降低，动稳定度逐渐增大，表明其混合料的高温稳定性逐渐增强，与文中测得的BRA改性沥青高温评价指标变化情况较为一致。动稳定度表明BRA改性沥青高温性能不如SBS改性沥青，而与PG高温等级在评价沥青高温性能方面存在较大差异，可能还是由于评价原理、试验温度的原因，需进一步研究。

2.4 MSCR高温评价指标与DS的相关性

将各BRA掺量改性沥青混合料DS分别与58、64、70、76 ℃条件下的R0.1、R3.2、Jnr，0.1、Jnr，3.2进行指数函数、线性函数、对数函数、幂函数回归分析。发现DS仅与R0.1有良好的幂函数关系，而与R3.2、Jnr，0.1、Jnr，3.2均有较好的对数函数关系，因此统一采用对数函数回归模型，拟合得到的回归方程及其R2如图8所示。

由图8可知：①R0.1、R3.2、Jnr，0.1、Jnr，3.2与各BRA掺量改性沥青混合料DS的对数函数相关性总体排序为Jnr，3.2>Jnr，0.1>R3.2>R0.1；② BRA掺量改性沥青混合料DS与R0.1、R3.2、Jnr，0.1、Jnr，3.2之间的关系可以通过对数函数方程表达；③Jnr，3.2在BRA改性沥青高温性能评价上优于Jnr，0.1、R0.1、R3.2。

图8 BRA改性沥青混合料DS与评价指标的拟合曲线

3 结论

利用沥青常规震荡剪切试验和多应力蠕变恢复试验，对文中沥青的 PG高温分级、平均蠕变恢复率(R)、平均不可恢复蠕变柔量(Jnr)、应力敏感性以及适用的交通等级进行了研究，并利用中国国内车辙试验验证沥青混合料高温性能，得出以下结论：

(1)PG高温分级难以准确区分不同种类沥青的高温性能。

(2)BRA的掺入能够增强沥青的高温变形恢复能力及高温抗永久变形能力,高BRA掺量的改性沥青在一定条件下的抗永久变形能力与SBS改性沥青相当。

(3)BRA改性沥青的应力敏感性随温度的升高而逐渐增大,与SBS改性沥青的应力敏感性随温度变化的方式明显不同,当温度高于70 ℃时,SBS改性沥青的应力敏感性急剧增加。BRA掺量为40%～50%时，BRA应力敏感性较小。

(4)Jnr，0.1、Jnr，3.2可作为BRA改性沥青高温性能评价指标。