基于MSCR的基质沥青老化高温性能

2023-08-04彭红卫聂忆华余沛涵

黑龙江交通科技 2023年8期

彭红卫,聂忆华,余沛涵

(1.湖南省交通科学研究院有限公司,湖南长沙 410015;2.湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭 411201)

1 试验材料与方法

1.1 沥青材料

依托湖南武靖高速项目,基于MSCR进行基质沥青材料的老化高温性能研究。选取项目常用的三种基质沥青:泰州A-50#基质沥青、中石油A-70#基质沥青、中石油A-90#基质沥青。各沥青按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[1-10]测试,常规性能指标如表1所示。

表1 试验沥青技术性能指标

1.2 试验方案

三种沥青均采用旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)方法开展模拟老化试验,老化温度为163 ℃,老化时间分别为40、85、180、270 min,具体老化试验步骤见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011,T0610—2011)。

沥青试样除了针入度、黏度、软化点和延度等常规性能参数检测外,还进行了多应力蠕变恢复试验(MSCR)。MSCR试验采用动态剪切流变仪(DSR),型号为Aaton Paar公司的MCR301,其温控系统为CTD450,如图1所示。试验规范参照美标AASHTO T 350—14,选用25 mm的平行板,试样厚度为1 mm。包括原样沥青在内的15组沥青试样分别在58、64和70 ℃三个温度下测试,应力水平取0.1、3.2 kPa;试验样品在0.1 kPa下加载1 s,在无应力状态下恢复9 s,如此重复20个周期,在3.2 kPa下则重复10个周期。由设备自动采集相关的数据,图2为一个应变恢复循环周期,根据公式1～4计算出基质沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr、变形恢复率R值。

(图中:ε0为初始应变值;εc为第1 s结束时的应变值;εr为第10 s试验结束时的应变值)图1 基质沥青蠕变恢复周期应变图

图2 A-50#沥青MSCR指标试验值随老化时间趋势图

ε1=εc-ε0

(1)

ε10=εr-ε0

(2)

Jnr=(εr-ε0)/δ

(3)

(4)

式中:ε0为初始应变值;εc为第1 s结束时的应变值;εr为第10 s试验结束时的应变值;δ为应力。

分别对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。

根据公式(5)得到试验沥青的变形回复率的应力敏感指标R-diff。

(5)

2 试验结果与分析

2.1 老化动力学理论

沥青老化动力学可动态表征沥青老化行为特征,基于沥青的技术性能指标,建立了老化动力学方程。路面沥青的老化遵循下列动力学方程

-dc/dt=kc

(6)

式中:c为沥青中生成沥青质的反应物浓度;t为老化时间,min;k为反应速率。

2.2 Jnr老化规律

表2、表3给出了不同测试应力(0.1 kPa、3.2 kPa)、不同测试温度(58、64、70 ℃)下,A-50#、A-70#、A-90#基质沥青的四种不同老化时间(40、85、180、270 min)试样以及原样沥青(0 min)的不可恢复蠕变柔量Jnr值与变形恢复率R值,并按公式(6)进行老化动力学拟合,分别得到Jnr和R表征的老化速率k及其拟合相关系数R2。表4给出了三种基质沥青的变形回复率的应力敏感指标R-diff。分别为A-50#、A-70#、A-90#基质沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr值与变形恢复率R值随不同老化时间(0、40、85、180、270 min)的变化趋势图。

表2 不同老化时间下不可恢复蠕变柔量Jnr值及其表征老化速率k

表3 不同老化时间下变形恢复率R值及其表征老化速率k

表4 不同老化时间下变形恢复率R的应力敏感指标R-diff

沥青是一种粘弹性材料,沥青的变形包括弹性变形与塑性变形两部分。不可恢复蠕变柔量Jnr用来衡量沥青的残余变形,Jnr越大,沥青的残余变形越大,高温条件下抗变形能力越弱;反之则越好。表2数据以及趋势图表明,在各因素变化下,Jnr值及老化速率k值变化规律明显。同一测试应力、测试温度下,三种沥青的Jnr值均随老化时间增加而下降,拟合相关系数R2均高于0.98,符合老化动力学规律,老化速率由大到小顺序为A-90#>A-70#≈A-50#;同一测试应力下,相同老化时间同一沥青的Jnr值均随测试温度增加而增加,测试温度越高的Jnr值表征的老化速率越小;同一测试温度下,相同老化时间同一沥青的Jnr值均随测试应力增加而增加,测试应力越高的Jnr值表征的老化速率一般越大。以上分析表明沥青的老化有利于高温性能的增强,这是因为沥青老化的过程是小分子组分向大分子组分迁移,沥青质增加导致沥青变硬、模量增大;试验温度升高,基质沥青的弹性成分减少、粘性成分增加,即Jnr值升高;蠕变应力增加,沥青抗永久变形能力也减小,Jnr值升高,因此温度、应力是影响基质沥青抗变形能力的两个重要因素。

2.3 R老化规律

利用试验所得到的变形恢复率R能够很好地评价沥青弹性变形的强弱,变形恢复率R越大则说明沥青的弹性变形越大,反之则说明沥青的弹性变形越弱。

表3数据以及趋势图表明:在各因素变化下,变形恢复率R值及老化速率k值变化规律明显;同一测试应力、测试温度下,三种沥青的变形恢复率R值均随老化时间增加而增加,拟合相关系数R2均高于0.91,符合老化动力学规律,老化速率由大到小顺序为A-90#>A-70#≈A-50#,同一测试应力下,相同老化时间同一沥青的R值均随测试温度增加而减小,测试温度越高的R值表征的老化速率越大;同一测试温度下,相同老化时间同一沥青的R值均随测试应力增加而减小,测试应力越高的R值表征的老化速率越大。以上分析表明,除了不同测试温度下表征的老化速率外,R值表征的基质沥青高温性能变化规律以及老化规律与Jnr值表征基本一致。由表4数据分析表明,三种沥青变形恢复率的应力敏感指标R-diff与试验温度、老化时间之间没有明显的规律,且三种沥青之间的规律也不明显。