有砟軌道瀝青級配碎石基床復合改性瀝青性能研究

樓梁偉

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081）

在運營過程中，高速鐵路有砟軌道出現的翻漿冒泥、路基沉降、道床板結等病害，均與水分侵入路基有著直接或間接的關系［1-2］。日本、德國、意大利、美國、荷蘭等國已將瀝青混凝土材料應用到鐵路軌下基礎中，對采用瀝青混凝土取代部分碎石基層進行嘗試，以起到防水和結構補強作用［3-4］。國內最早關于路基面防水瀝青混合料（Surface Asphalt Mixture Impermeable，SAMI）的研究成果在遂渝無砟軌道綜合試驗段、京津城際以及武廣客運專線進行了試用［5］。鐵科院圍繞全斷面瀝青混凝土封閉結構開展了大量基礎性研究工作，提出了瀝青混凝土封閉結構的材料技術要求，形成相應的材料與結構設計方法，并先后在鄭徐、京張、鄭萬等無砟軌道路基段中應用，但在有砟軌道中尚未應用［6-8］。在有砟軌道基床表層中設置瀝青級配碎石，可顯著提高有砟軌道路基的防排水能力，改善路基的受力狀態。有砟軌道瀝青級配碎石基床主要承受上部靜、動荷載作用，尤其是要考慮溫度應力引起的開裂、高頻振動引起的疲勞開裂以及環境作用下的老化問題。然而，由于荷載特點和環境條件等因素，采用單一改性劑的改性瀝青的高溫性能、低溫性能、疲勞性能以及抗老化性能相互制約，無法滿足使用要求。

本研究擬采用增強劑與SBS改性瀝青復配的技術方案，制備復合改性瀝青，通過對3種不同增強劑摻量復合改性瀝青（SBS，SBS+4%增強劑，SBS+8%增強劑）的動態剪切試驗、低溫梁流變試驗、室內老化試驗（短期老化和長期老化）、疲勞試驗以及傅里葉變換紅外光譜，分析其在不同老化狀態下的流變性能、官能團變化以及疲勞性能、低溫性能。研究成果可為復合改性瀝青在高速鐵路有砟軌道瀝青級配碎石基床中的應用提供技術支撐。

1 室內試驗

1.1 原材料選擇

選用鐵路專用SBS改性瀝青，其基本性能見表1。

表1 SBS改性瀝青基本性能

1.2 SBS復合改性瀝青制備

SBS復合改性瀝青的制備工藝如下：①利用高速剪切儀將預熱至180℃且呈完全流動狀態的SBS改性瀝青在1 000 r/min下攪拌均勻；②按照SBS改性瀝青質量比0，4%，8%稱量增強劑，將其緩慢加入攪拌均勻的SBS改性瀝青中；③利用高速剪切儀（6 000 r/min）將混和物在180℃下剪切60 min，從而制備SBS復合改性瀝青；④將制備好的SBS復合改性瀝青分別標號并保存，用于后續試驗。為簡化后續表達，將3種不同增強劑摻量的SBS復合改性瀝青分別命名為SBS、SBS+4%增強劑、SBS+8%增強劑。

1.3 試驗方案

采用如表2的試驗方案對復合改性瀝青的性能進行評價。

表2 試驗方案

1）室內老化試驗

采用RTFOT試驗模擬瀝青材料在施工過程中的短期老化，即在標準玻璃盛樣皿（高140 mm，直徑64 mm）中倒入35 g瀝青，在163℃和4 000 mL/min空氣通氣量下，以15 r/min的轉速旋轉，進行85 min的老化。

采用PAV試驗模擬瀝青材料在服役過程中的長期老化，即將RTFOT后的瀝青材料倒入老化盤中，并放入老化容器中，在2.1 MPa和100℃的環境下老化20 h。

2）DSR試驗

利用DSR評價未老化和RTFOT狀態下復合改性瀝青的高溫抗變形性能，即將復合改性瀝青試樣放置在2個平行的圓形板中，采用25 mm的轉子，控制工作間隔為1 mm，振蕩頻率為10 rad/s，應變值分別設為10%（未老化）和12%（RTFOT），起始測試溫度設為64℃，溫度間隔為6℃，測試不同溫度下復合改性瀝青的復數剪切模量G*、相位角δ、車轍因子 G*/sinδ、臨界破壞溫度。此外，針對PAV后的復合改性瀝青，可用疲勞因子G*sinδ評價其抗疲勞性能。

3）MSCR試驗

為研究復合改性瀝青在高溫狀態下的蠕變和恢復特性，利用DSR對RTFOT后的復合改性瀝青進行MSCR試驗。選用的測試應力水平為0.1 kPa和3.2 kPa，測試溫度為64℃，試驗按照應力加載1 s、卸載9 s進行，重復加載應力次數為10次，取其各周期平均值計算不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率。

4）BBR試驗

針對PAV后的復合改性瀝青，利用BBR得到的蠕變速率m和蠕變勁度模量S來評價瀝青材料的低溫蠕變特性，選取-6，-12，-18℃三個試驗溫度。

5）LAS試驗

通過DSR對PAV后的復合改性瀝青進行LAS試驗，選用8 mm的轉子和1 mm的工作間隔，測試溫度為25℃。先后進行頻率掃描和振幅掃描，進而根據疲勞模型確定復合改性瀝青的疲勞壽命。

6）FTIR分析

采用FTIR分析測試RTFOT和PAV前后復合改性瀝青官能團的變化，進而評價其抗老化性能。試驗過程為將復合改性瀝青置于ATR附件的晶體上，測試范圍為4 000～600 cm-1，掃描次數為32次，掃描分辨率為4 cm-1。每次測試結束用蘸有四氫呋喃的脫脂棉清理附件，并重新測量背景單通道光譜。

2 結果與討論

2.1 高溫抗變形性能

車轍因子是評價瀝青材料高溫抗變形能力的典型指標，車轍因子G*/sinδ說明瀝青因能量耗散而造成的變形相對較小，即瀝青具有較好的高溫抗變形能力。美國公路戰略研究計劃（Strategic Highway Research Program，SHRP）中規定，當車轍因子G*/sinδ≥1.0 kPa（未老化的瀝青材料）或≥2.2 kPa（RTFOT后的瀝青材料）時，瀝青材料未發生破壞［9］。

復合改性瀝青在不同溫度下車轍因子G*/sinδ的試驗結果見圖1。表3為復合改性瀝青高溫臨界破壞溫度的試驗結果。由圖1和表3可知：

1）隨著試驗溫度的升高，3種瀝青材料的車轍因子呈下降趨勢。這主要是由于溫度升高，瀝青材料的變形模量降低，其高溫抗變形能力降低。

圖1 車轍因子測試結果

表3 高溫臨界破壞溫度測試結果

2）與SBS改性瀝青相比，在同一試驗溫度下添加增強劑后的復合改性瀝青的車轍因子明顯增大，說明添加增強劑后復合改性瀝青的高溫抗變形性能得到明顯改善，且隨著增強劑摻量的增加改善效果更為明顯。這主要是由于摻入的增強劑經高速剪切分散于瀝青中與里面原有的SBS分子交聯形成復合結構，進一步約束了SBS分子和瀝青分子鏈的運動，從而使得瀝青的稠度增大，高溫抗變形能力得到顯著改善。

3）增強劑摻量的增加，提高了復合改性瀝青的高溫臨界破壞溫度，與車轍因子的變化規律保持一致。原樣階段的SBS+4%增強劑和SBS+8%增強劑的復合改性瀝青高溫臨界破壞溫度分別為81.9，90.2℃，與未添加增強劑的SBS改性瀝青相比，分別提高了12.9，21.2℃。這對提高瀝青級配碎石基床的高溫抗變形能力十分有益。

通過MSCR試驗測試了RTFOT后3種復合改性瀝青在64℃下的不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率。通常來說，不可恢復蠕變柔量越小蠕變恢復率越大，說明瀝青的高溫變形恢復能力越強，越不容易產生永久變形［10］。多重應力蠕變恢復試驗結果見圖2。可知：

圖2 多重應力蠕變恢復試驗結果

1）相比于3.2 kPa，在0.1 kPa應力水平下，3種復合改性瀝青的不可恢復蠕變柔量較小，而蠕變恢復率較大。這說明3種改性瀝青在較小的應力水平下均具備較強的變形恢復能力。

2）無論是采用0.1 kPa還是3.2 kPa的荷載應力水平，添加增強劑均可以顯著降低改性瀝青的不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率。這說明其明顯改善了瀝青的高溫抗變形能力以及變形恢復能力。隨著增強劑摻量的增加，其不可恢復蠕變柔量持續降低，而蠕變恢復率則不斷提高。這意味著增加增強劑摻量可進一步提高其改善高溫性能的效果。增強劑所帶來的高溫性能改善效果主要是由于其可直接提高復合改性瀝青彈性成分的比例，使得復合改性瀝青在承受應力時產生更多的彈性可恢復變形，從而減少了高溫下不可恢復的永久變形，提高了復合改性瀝青的高溫抗變形能力。

2.2 低溫抗開裂性能

按 照 AASHTO TP-1［11］進 行 BBR 試 驗 ，利 用RTFOT+PAV階段后瀝青60 s的蠕變速率m值和蠕變勁度模量S值評價瀝青材料在低溫條件下的收縮和釋放能力。m值越大說明瀝青材料在低溫作用下的應力釋放速率越大，避免了瀝青材料中剩余應力的產生；S值越小說明瀝青材料中產生單位應變所需的應力越小，瀝青材料的低溫柔韌性越好。3種復合改性瀝青在不同試驗溫度下的BBR試驗結果見圖3。

圖3 BBR試驗結果

基于SHRP研究成果，以60 s時的m≥0.3，S≤300 MPa為判據，計算得到復合改性瀝青的低溫臨界溫度，并根據SHRP PG分級原則，按照2個臨界溫度值（分別由勁度模量和蠕變速率反算得到）之間的較高溫度減去10℃得到復合改性瀝青的低溫破壞溫度［12］。表4和圖4為3種復合改性瀝青在低溫條件下的臨界溫度、破壞溫度和低溫等級計算結果。

表4 臨界溫度、低溫破壞溫度與低溫等級測試結果

圖4 臨界溫度的反算過程示意

由圖3、圖4和表4可知：

1）隨著恒定應力加載時間的增加，3種復合改性瀝青的蠕變勁度模量S值均減小，蠕變速率m值均增大。

2）在相同試驗溫度下，由于增強劑的添加及其摻量的增加，復合改性瀝青的S值小于SBS改性瀝青的S值，說明復合改性瀝青在低溫條件下柔性更好，可抑制低溫裂縫的產生和發展。然而，復合改性瀝青的m值未呈現明顯的規律性。如在-6℃和-12℃條件下SBS改性瀝青的m值更小，而-18℃時復合改性瀝青的m值更小。

3）與SBS改性瀝青相比，除由勁度模量反算的臨界破壞溫度外，復合改性瀝青的臨界破壞溫度、低溫破壞溫度略高，說明增強劑的添加會降低復合改性瀝青的低溫脆度，但也會損失部分釋放溫度應力的能力。但從PG分級角度，3種復合改性瀝青的低溫等級均為-22，可滿足我國大多數地區低溫條件下的使用要求。

2.3 中溫抗疲勞性能

針對RTFOT+PAV后的復合改性瀝青試樣進行疲勞性能測試，采用疲勞因子G*sinδ表征瀝青材料的疲勞性能。疲勞因子越大，說明瀝青材料的抗疲勞開裂性能越差，并規定其不應超過5 000 kPa［13］。由于疲勞破壞是在常溫下產生的，故選用了25，22，19℃這3個測試溫度。3種復合改性瀝青疲勞因子的測試結果見表5。可知，當試驗溫度相同時，由于增強劑的添加且隨其摻量的增加，復合改性瀝青的疲勞因子均小于SBS改性瀝青，說明復合改性瀝青具有較為優越的抗疲勞性能。

通過LAS試驗，結合瀝青疲勞模型計算得到復合改性瀝青在不同應變水平下的疲勞壽命。疲勞壽命越大說明瀝青材料的抗疲勞性能越好［14］。3種復合改性瀝青的疲勞壽命測試結果見圖5。

表5 疲勞因子測試結果

圖5 疲勞壽命測試結果

由圖5可知，與SBS改性瀝青相比，在各應變水平下復合改性瀝青具有較高的疲勞壽命，且隨著增強劑摻量的增加，復合改性瀝青的疲勞壽命也呈增加趨勢，LAS測試結果與疲勞因子測試結果一致。

2.4 抗老化性能

瀝青材料的老化會導致其模量和相位角發生變化。故采用RTFOT前后車轍因子的變化率來評價3種復合改性瀝青的抗老化性能。圖6為64℃和70℃下車轍因子的變化率。

圖6 短期老化前后車轍因子變化率

由圖6可知，由于增強劑的添加且隨著增強劑摻量的增加，復合改性瀝青RTFOT前后的車轍因子變化率明顯降低。以測試溫度64℃為例，SBS+4%增強劑和SBS+8%增強劑的改性瀝青車轍因子變化率由未添加增強劑時的142.0%分別降低至63.9%和44.5%，說明增強劑顯著改善了瀝青材料的抗老化性能。

通過FTIR分析了3種復合改性瀝青在不同老化狀態（即未老化、RTFOT短期老化、PAV長期老化）前后的官能團變化。圖7為SBS+8%增強劑的復合改性瀝青在不同老化狀態下的紅外光譜分析結果。

圖7 3種老化狀態下的改性瀝青紅外光譜示意（以SBS+8%增強劑為例）

相關研究成果表明，瀝青材料的老化程度與亞砜基（S==O）和羰基（C==O）的變化關系密切。可采用式（1）和式（2）分別計算亞砜基指數（IS==O）和羰基指數（IC==O），來評價瀝青材料的抗老化性能。亞砜基指數和羰基指數值越大，則瀝青材料的老化程度越嚴重，其抗老化性能越差［15］。

圖7中所示的亞砜基和羰基這兩個特征峰分別處于1 030 cm-1和1 735 cm-1的位置。按式（1）和式（2）計算，得到3種復合改性瀝青的亞砜基指數和羰基指數，計算結果見圖8。

圖8 與瀝青老化相關的官能團指數變化情況

由圖8可知，與SBS改性瀝青相比，復合改性瀝青的亞砜基指數和羰基指數均隨著增強劑摻量的增加而增加，說明增強劑可改善瀝青材料的抗老化性能，這與車轍因子變化率的試驗結果一致。

3 結論

本文圍繞高速鐵路有砟軌道瀝青級配碎石基床選用的復合改性瀝青進行研究，得到以下主要結論：

1）與SBS改性瀝青相比，添加增強劑的復合改性瀝青具有更好的高溫抗變形、中溫抗開裂以及抗老化性能，但其低溫抗開裂性能基本沒有影響。

2）通過DSR，MSCR，BBR，LAS，FTIR等試驗，發現隨著增強劑摻量的增加，復合改性瀝青的高溫抗變形、中溫抗開裂以及抗老化性能均有明顯改善，且復合改性瀝青具有較小的低溫勁度模量，其蠕變速率也較小。

3）為滿足高速鐵路有砟軌道瀝青級配碎石基床的使用要求，推薦采用SBS+8%增強劑的復合改性瀝青方案。