两种高黏沥青高温流变特性对比研究

2022-11-19林运达邵鹏坤石希信

西部交通科技 2022年8期

林运达，邵鹏坤，石希信

(1.广西田新高速公路有限公司，广西南宁 530029；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；3.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

排水沥青路面以其良好的排水和降噪性能为海绵城市建设所青睐，在世界各国得到推广。一般而言，道路工程采用开级配磨耗层(OGFC)作为排水路面的上面层。OGFC于20世纪60年代发轫于德国，在欧洲得到推广，最终在全世界成为排水路面的主流路面结构形式[1]。西班牙在1980—1990年间铺筑了300万m2OGFC路面，荷兰每年铺筑OGFC路面多达250万m2，比利时OGFC路面总面积超过200万m2，法国的OGFC路面每年增加约4.1万m2[2-5]。

我国对OGFC路面的研究虽取得了一定的成果，但大多参考国外已有的经验，且作为OGFC混合料的关键材料——高黏改性沥青的进口依赖性较强。OGFC混合料为骨架空隙结构，相较于密实型沥青混合料更容易受到水损害，其水稳定性和高温性能依赖沥青结合料的黏度[6]。因此，采用具有高黏度的沥青结合料是OGFC路面成功应用的关键所在。国内对高黏沥青的60 ℃黏度研究较多，所研究的高黏沥青的黏度大多都能满足2×106Pa·s的要求[7-8]。同时，国内也有很多文献对高黏沥青胶浆的流变性能进行研究，取得了一系列的研究成果[9-10]。

本文通过对比分析国产高黏沥青与国外优秀高黏沥青——TPS高黏沥青的高温流变特性差异，寻找替代进口高黏沥青的可能性，为我国排水路面的建设提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

基质沥青采用中海70#石油沥青，高黏改性剂有两种：国产高黏剂生产厂家为重庆交科，国外高黏剂为日本的TPS高黏改性剂。高黏剂掺量设置为沥青质量的4%、8%、12%(外掺)。高黏沥青制作方法为：加热基质沥青，温度稳定在150 ℃左右，在该温度下保温30 min，掺入高黏改性剂，利用高速剪切机高速剪切30 min，然后在150 ℃烘箱用锡纸盖住发育10 min。基质沥青技术指标见表1。

表1 70#沥青检测结果表

1.2 试验方法

1.2.1 动态剪切流变试验

动态剪切流变试验测试原理为：对沥青施加正弦剪切应力或应变，仪器记录其应变或应力数据，通过计算机获得复数模量G*和相位角δ，并以复数模量G*和相位角δ两个参数计算车辙因子G*/sinδ。本文试验采用应变控制模式，原样沥青应变水平为12%，RTFOT沥青应变水平为10%，试验温度为64 ℃～82 ℃，间隔6 ℃。

1.2.2 多重应力蠕变恢复试验

多重应力蠕变恢复试验(multiple stress creep recovery，MSCR)通过施加周期性的荷载，测试沥青的蠕变恢复能力，以表征沥青的高温性能。荷载有两个应力水平，分别为0.1 kPa和3.2 kPa，其中0.1 kPa应力水平循环加载20个周期，3.2 kPa应力水平循环加载10个周期[11]。多重应力蠕变恢复试验根据美国标准AASHTO MP19-2010要求进行[12]，试样采用RTFOT后的沥青。RTFOT根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)要求进行[13]。考虑到夏天路面温度在50 ℃～70 ℃，因此温度设置为64 ℃～76 ℃，间隔6 ℃。

多重应力蠕变恢复试验以0.1 kPa、3.2 kPa水平下的不可恢复蠕变柔量评价沥青结合料的高温性能，以应力敏感性指标评价沥青结合料的应力敏感性。相关指标计算方法见AASHTO MP19-2010规范。

2 试验结果及分析

2.1 高温PG分级

在半对数坐标上绘制两种高黏沥青车辙因子与温度关系图，相位角采用常规坐标图绘制，试验结果见图1～8。由图1～8可知，高黏沥青车辙因子在半对数坐标上与温度呈显著线性关系，斜率越高，表明温度敏感性越差，为分析两种高黏沥青的温度敏感性，对车辙因子与温度的关系进行拟合，结果见下页表2、表3。

表3 国产高黏沥青车辙因子与温度拟合结果表

由图1～8与表2～3可知：原样状态和老化状态下，国产高黏沥青与TPS高黏沥青高温动态剪切流变试验结果均有明显差异，车辙因子与相位角随温度增加均呈现出良好的规律性。总体而言，TPS高黏沥青车辙因子相较国产高黏沥青高，但在64 ℃、70 ℃情况下相差较小，TPS高温性能优于国产高黏沥青，且TPS高黏沥青温度敏感性优于国产高黏沥青，两种高黏沥青的温度敏感性与掺量均无明显相关性。值得注意的是，TPS高黏沥青相位角随掺量变化并非线性变化，4%掺量与8%掺量相差较小，而12%的掺量与4%掺量、8%掺量相比区分度明显，产生该现象的原因与TPS高黏沥青的成分有关，TPS高黏沥青以橡胶为主要成分，再配以粘结性树脂和增塑剂等，成分较为复杂。而本文选用的高黏沥青主要成分为SBS，SBS沥青相位角随掺量变化区分度明显。

图1 TPS高黏沥青原样状态下车辙因子与温度关系曲线图

图2 国产高黏沥青原样状态下车辙因子与温度关系曲线图

图3 TPS高黏沥青原样状态下相位角与温度关系曲线图

图4 国产高黏沥青原样状态下相位角与温度关系曲线图

图5 TPS高黏沥青老化状态下车辙因子与温度关系曲线图

图6 国产高黏沥青老化状态下车辙因子与温度关系曲线图

图7 TPS高黏沥青老化状态下相位角与温度关系曲线图

图8 国产高黏沥青老化状态下相位角与温度关系曲线图

表2 TPS高黏沥青车辙因子与温度拟合结果表

2.2 多重应力蠕变恢复

试验结果见图9～10。由图9～10可知，两种高黏沥青在不同掺量下的不可恢复蠕变柔量Jnr0.1和Jnr3.2均随温度变化且呈相同变化趋势，表明温度对高黏沥青高温性能有较大的损害作用。与此同时，高黏剂掺量提高对高黏沥青高温性能提升有较大帮助。值得注意的是，当温度较低时(60 ℃、64 ℃)，两种高黏沥青的不可恢复蠕变柔量差值较小，而温度达到76 ℃时，两种高黏沥青的不可恢复蠕变柔量出现明显差异。路面最高温度大致在60 ℃～70 ℃，尽管国产高黏沥青在76 ℃下的不可恢复蠕变柔量劣于TPS高黏沥青，但从实际应用出发，国产高黏沥青替代进口高黏沥青具备很大的可行性。