基于MSCR试验的SBS改性沥青高温性能评价

2022-04-04余沛涵聂忆华孙世恒高闻靖周晨阳

公路工程 2022年1期

余沛涵, 聂忆华, 孙世恒, 高闻靖, 周晨阳

(湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201)

0 引言

随着我国公路交通量和交通荷载的增加，以及全球气候变暖，改性沥青因其具有优良的耐疲劳性能和抗变形能力而得到广泛的应用。但是，改性沥青在使用过程中，由于施工原因、环境因素和车辆荷载的影响会导致沥青挥发、氧化和聚合而产生老化，导致路面出现裂缝、车辙和坑槽等病害[1]。因此，各国学者纷纷开始研究改性沥青老化后的性能，其中，高温性能成为了研究重点[2]。目前，国内外对改性沥青高温性能指标测试的方法主要包括三大类：环球软化点测试、车辙因子G*/sinδ测试和零剪切粘度的测试，我国主要以软化点和车辙因子G*/sinδ作为评价改性沥青高温性能的指标[3-5]。但是，随着各国研究人员对改性沥青高温性能的深入研究，发现沥青软化点和车辙因子G*/sinδ并不能准确地反映改性沥青的高温性能[6-7]，因此，在2001年，美国国家公路合作研究计划提出了重复蠕变恢复试验(RCRT)[8]，随后，美国公路协会的John A. D、Angelo等人又在此试验的基础上提出了另外一种试验方法，即多重应力蠕变恢复试验(MSCR)，并利用试验所得到的改性沥青的不可恢复蠕变模量(Jnr)和变形回复率(R)，以及相应的应力敏感指标Jnr-diff和R-diff来评价改性沥青的高温性能[9-10]。该评价方法一经提出，就迅速成为了国内外专家学者关注的重点，我国也有大量的科研人员对该评价方法进行了相关的研究。郭咏梅[11]等利用此试验方法得到了SBS改性沥青在不同温度下的Jnr和Jnr-diff值，并根据试验结果进行了交通分级；唐乃膨[12]等采用MSCR试验方法对不同参量的SBS改性沥青进行了试验分析，并利用试验结果进行了高温分级。目前，研究者对于采用MSCR试验评价SBS改性沥青高温性能的研究并不深入，且尚未考虑沥青老化对试验结果的影响。故本文选取不同老化程度的SBS70#改性沥青作为试验样品，采用MSCR试验方法对其进行试验分析，以完善对改性沥青高温性能的研究。

1 试验材料

本文选用湖南省湘潭市市政工程公司沥青路面分公司提供的壳牌SBS70#改性沥青，并对沥青进行旋转薄膜烘箱老化(Rolling Thin-Film Oven Test， RTFOT)，老化温度为163 ℃，老化时间为0、40、85、180、270 min，其具体步骤见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[13](JTGE20-2011，T0610)。本文所用的沥青均为RTFOT老化前后的SBS70#改性沥青。

2 试验方法

2.1 SBS70#改性沥青三大指标和布氏黏度试验

本文依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[13](JTG E20-2011)T0602对老化前后的SBS70#改性沥青进行针入度、布氏黏度、延度和软化点的试验，测定出老化前后SBS70#改性沥青的软化点、针入度、延度和布氏黏度。

2.2 MSCR试验

MSCR试验在特定的温度下完成，本文选取了3种试验温度，分别为58 ℃、64 ℃和70 ℃。试验仪器采用动态剪切流变仪(DSR)，DSR的转子选用25 mm，转子与DSR夹具的下平行板之间的间隙为1 mm，一次完整的试验分为加载和卸载2个阶段，具体操作过程如下：将试验样品在0.1 kPa的应力水平下加载1 s，随后撤去应力，使其在无应力的状态下恢复9 s，如此重复10个周期；然后将0.1 kPa的应力水平调整为3.2 kPa，同样加载1 s恢复9 s，在如此重复10个周期后完成整个MSCR试验。一次完整的MSCR试验是连续完成的，没有时间间隙，在一次完整的试验完成后，由设备自动采集相关的数据。图1为SBS70#改性沥应变恢复图，根据公式可以计算出每个蠕变恢复周期的不可恢复蠕变模量Jnr和变形回复率R:

图1 SBS70#沥青一个蠕变恢复周期的应变图

ε1=εc-ε0

(1)

ε10=εr-ε0

(2)

Jnr=(εr-ε0)/δ

(3)

R=(ε1-ε10)/ε1

(4)

式中：ε0为加载阶段的初始值应变；εc为加载阶段结束时的应变值；εr为第10秒试验结束时的应变值；δ为应力。

分别对0.1和3.2 kPa应力作用下的10次蠕变恢复周期所求得的Jnr值取平均数，计算出Jnr的平均值，记为Jnr0.1和Jnr3.2；对0.1 kPa和3.2 kPa应力作用下的10次蠕变恢复周期所求得的R值取平均数，计算出R的平均值，记为R0.1和R3.2；根据式(5)、式(6)得到试验沥青的不可恢复蠕变模量和变形回复率的应力敏感指标Jnr-diff和R-diff．

Jnr-diff=[(Jnr3.2-Jnr0.1)/Jnr0.1]×100%

(5)

R-diff=[(R0.1-R3.2)/R0.1]×100%

(6)

3 试验结果与分析

3.1 SBS70#改性沥青三大指标和布氏黏

表1为老化前后SBS70#改性沥青的针入度、软化点、延度和黏度试验结果，T表示软化点，单位℃；P表示针入度，单位0.1 mm；Y表示延度，单位cm；η表示黏度，单位mPa·s。

表1 SBS70#沥青的三大指标和黏度试验结果Table 1 Three indexes and viscosity test results of SBS70#asphalt老化时间/min软化点T/℃针入度P/0.1 mm5 ℃延度 Y/cm135 ℃黏度η/(mPa·s)079.961.223.91 7104070.850.415.31 8308568.039.29.42 03318072.52765.32 7332708120.73.15 060

表1结果表明：

a.SBS70#改性沥青的针入度和延度随着老化时间的增大而减小，黏度随着老化时间的增大而增大，此结论与张娟[14]等的研究结论一致。

b.SBS70#改性沥青的软化点随着沥青老化时间的增大先减小后增大。

将SBS70#改性沥青进行公式拟合，得到图2。

图2 SBS70#改性沥青三大指标和黏度拟合图

由图2可知：

a.SBS70#改性沥青的针入度、延度和粘度随老化时间变化的规律均呈现出指数函数的规律，其拟合出来的函数相关度均在0.9以上，这点符合聂忆华[15]等的研究成果。

b.SBS70#改性沥青的软化点随老化时间变化的规律大致呈现出抛物线的规律。

c.随着老化时间的增长，SBS70#改性沥青延度的下降趋势较为平缓，而针入度和黏度的变化趋势要剧烈一些。

3.2 不可恢复蠕变模量Jnr

Jnr用来衡量沥青的残余变形，Jnr越小，沥青的残余变形越小，高温条件下抗变形能力越好。图3为SBS70#改性沥青的Jnr图，表2为拟合公式。

图3 SBS70#改性沥青Jnr图

表2 基于不可恢复蠕变模量的拟合方程Table 2 Fitting equation based on non recoverable creep modulus试验参数试验温度/℃拟合公式相关系数58Jnr 0.1=3.543 t3-1.618 t2+0.002 t+0.032R2=0.959 05Jnr 0.164Jnr 0.1=4.792 t3-2.124 t2+0.002 t+0.156R2=0.998 7970Jnr 0.1=7.890 t3-3.920 t2+0.004 t+0.275R2=0.989 0158Jnr 3.2=3.418 t3-1.512 t2+0.001 t+0.085R2=0.965 02Jnr 3.264Jnr 3.2=7.048 t3-3.082 t2+0.003 t+0.226R2=0.980 5770Jnr 3.2=1.442 t3-6.953 t2+0.007 t+0.406R2=0.999 96

从图3和表2可以看出：

a.老化前后SBS70#改性沥青在3种试验温度下的Jnr值都呈现出三次函数的规律，其拟合出的公式相关系数均在0.95以上。

b.老化前后SBS70#改性沥青的Jnr0.1和Jnr3.2值均随试验温度的升高而呈现出增大的趋势，说明温度越高，残余变形就越大，沥青的高温抗变形能力也就越差。

c.当试验温度为58 ℃和64 ℃时，SBS70#改性沥青的Jnr0.1和Jnr3.2值随着老化时间的增长先增大后减小，在老化时间为40 min时，Jnr0.1和Jnr3.2值最大，当老化时间为270 min时，Jnr0.1和Jnr3.2值最小，说明SBS70#改性沥青的抗高温变形能力随着沥青老化时间的增长呈现出先弱后强的趋势，在老化时间为40 min时高温抗变形能力最差，在老化时间为270 min时高温抗变形能力最好。

d.当试验温度为70 ℃时，SBS70#改性沥青的Jnr0.1和Jnr3.2值同样随着老化时间的增长呈现出先增大后减小的趋势，在老化时间为85 min时，Jnr0.1和Jnr3.2值最大，在老化时间为270 min时，Jnr0.1和Jnr3.2值最小，说明SBS70#改性沥青的抗高温变形能力随着沥青老化时间的增长先弱后强，在老化时间为85 min时高温抗变形能力最差，在老化时间为270 min时高温抗变形能力最好。

e.将图3(a)和图3(b)比较，发现老化前后的SBS70#改性沥青Jnr3.2均大于Jnr0.1，说明荷载是影响老化前后SBS70#改性沥青高温抗变形能力的一个重要因素，荷载越大，老化前后SBS70#改性沥青的高温抗变形能力越差。

3.3变形回复率R

沥青的变形可以分为弹性变形和塑性变形2个部分，变形回复率R可以用来衡量沥青弹性变形的强弱，R越大，沥青的弹性变形越大。图4为老化前后SBS70#改性沥青的R图。

从图4可以看出：

(a) SBS70#改性沥青R0.1

a.老化前后的 SBS70#改性沥青的R0.1和R3.2值都随试验温度的升高呈现出减小的趋势，说明高温改变了SBS70#改性沥青的黏弹性组成，温度越高老化前后的 SBS70#改性沥青的弹性变形越小，高温抗变形能力越差，这与Jnr试验结果相一致。

b.无论在哪一种试验温度下，当SBS70#改性沥青老化时间为0、40、85 min时，SBS70#改性沥青的R0.1和R3.2值均呈减小的趋势，但当老化时间为180 min时，SBS70#改性沥青R0.1和R3.2值出现了增大的现象(老化时间为180 min的SBS70#改性沥青的R0.1和R3.2值大于老化时间为85 min的SBS70#沥青的R0.1和R3.2)，随后又呈现出减小的趋势，说明SBS70#改性沥青随着老化时间的增大，弹性变形基本呈现出减小的趋势，在老化时间为180 min时出现一个弹性变形增大的波动。