MSCR試驗用于評價瀝青高溫性能適用性研究

李劍新，郝培文，李奕佳，肖卓，李紹輝

（1.中石油燃料油有限責任公司研究院，北京 100195 2.長安大學 道路結構與材料交通行業重點實驗室，西安 710065）

在瀝青高溫性能評價方面，各國評價指標各有優劣。我國現行規范采用軟化點指標（TR&B）、當量軟化點指標（T800）、60 ℃黏度指標、針入度指數（PI）等；澳大利亞采用彈性黏度；歐洲采用零剪切黏度（ZSV）和低剪切黏度（LSV）等指標表征瀝青的高溫性能[1，2]；美國在高溫指標方面經過了一系列探索，從最初的車轍因子到考慮了損傷效應的重復蠕變恢復（RCR）試驗，再進一步改進為多應力重復蠕變恢復試驗（MSCR），該試驗方法是目前和瀝青路面路用性能相關性最緊密、操作較簡便、并且被廣泛認可的瀝青結合料高溫評價方法[3，4]。2015年，MSCR 被納入AASHTO M332 規范，用于確定相應荷載等級情況下的瀝青高溫PG 分級；林江濤[5]、董強[6]對道路石油瀝青、改性瀝青等進行MSCR 試驗，發現改性瀝青不可恢復蠕變柔量差（Jnr-diff）遠大于普通瀝青；郭詠梅發現AASHTO MP19-10 交通分級能夠反映改性瀝青不同溫度應力下的材料響應。以上研究均采用MSCR 試驗測試瀝青混合料高溫性能，但其并未評價MSCR 試驗是否適用于基質瀝青高溫評價，特別是當瀝青標號相同、油源不同時，該測試方法的有效性仍需進一步測試驗證。

本文采用不同油源、不同標號和不同老化程度的瀝青作為研究對象，選取軟化點、布氏黏度及MSCR 試驗測試瀝青高溫性能，評價瀝青油源、標號及其老化程度對瀝青高溫性能指標影響的顯著性，以研究MSCR 試驗對瀝青高溫性能評價的準確性及有效性。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

選取克拉瑪依30 號、50 號、70 號、90號、110 號基質瀝青（簡寫為K30、K50、K70、K90、K110），3 種油源同一標號的90 號基質瀝青（克拉瑪依瀝青90 號，即K90；臨河瀝青90號，即L90；西太瀝青90 號，即X90）。以上瀝青基本性能見表1所示。

對上述7 種瀝青進行旋轉薄膜烘箱老化（RTFOT）及壓力老化（PAV）試驗，研究瀝青短期老化及長期老化對瀝青結合料力學性能的影響。

表1 瀝青常規性能指標

1.2 試驗方案

采用軟化點、布氏黏度和MSCR 試驗相關指標進行上述基質瀝青的高溫性能評價，并檢驗瀝青油源、標號、老化程度對其高溫性能指標影響的顯著性，以研究MSCR 試驗對瀝青高溫性能評價的有效性。

2 瀝青高溫性能評價

參照我國現行規范JTG F40—2004（《公路瀝青路面施工技術規范》）中道路石油瀝青高溫技術指標軟化點，瀝青混合料拌和及壓實溫度選定布氏黏度及MSCR 試驗相關指標，從而評價瀝青的高溫性能。

2.1 軟化點

測試上述7 種基質瀝青及其短期老化、長期老化后試樣的軟化點，分析瀝青油源及瀝青標號對其軟化點的影響，見圖1和圖2所示。

分析圖1、圖2可知，低標號瀝青軟化點較高、高溫性能較好；不同油源90 號瀝青軟化點存在差異，且老化作用使瀝青高溫性能變好。

分析瀝青標號、瀝青油源及其老化程度對瀝青軟化點影響的顯著性，結果見表2所示。

圖1 同一油源瀝青軟化點

圖2 不同油源90 號瀝青軟化點

表2 方差顯著性分析數據

利用F 檢驗進行相關因素方差分析，P 值的大小反映各因素對因變量影響情況的顯著性與否。P ＞0.05，該因素對因變量無顯著影響；P ＜0.01，該因素對因變量有極顯著影響；當0.01 ≤P ≤0.05 時，該因素對因變量有顯著影響。分析表2可知，瀝青標號及其老化程度對瀝青軟化點影響顯著，但油源對軟化點無顯著影響。

2.2 布氏黏度

測試上述7 種瀝青及其短期老化、長期老化后試樣的布氏黏度，分析瀝青標號和瀝青油源對布氏黏度的影響，見圖3和圖4所示。

分析圖3和圖4可知，瀝青標號越低，布氏黏度越大、高溫性能越好；不同油源90 號瀝青布氏黏度測試結果差別較大；短期老化及長期老化將提高瀝青高溫性能。

圖3 同一油源布氏黏度

圖4 不同油源90 號瀝青布氏黏度

分析瀝青標號、瀝青油源及其老化程度對瀝青布氏黏度影響的顯著性，見表3所示。

表3 方差顯著性分析數據

分析表3可知，瀝青油源、瀝青標號及其老化程度對瀝青布氏黏度均無顯著影響；各因素對瀝青布氏黏度的影響程度排序為：瀝青標號＞瀝青老化程度＞瀝青油源。

2.3 MSCR 試驗

采用動態剪切流變儀（DSR）進行MSCR 試驗，試驗儀器見圖5所示。本研究MSCR 試驗選用0.1 kPa、3.2 kPa 兩個應力水平，以模擬輕、重交通兩種載荷狀況；每個應力水平下加載1 s 卸載9 s，重復10 個循環；0.1 kPa 試驗載荷完成后即進行3.2 kPa 應力水平測試；采用不可恢復蠕變柔量（Jnr）、恢復率（R）和應力敏感性指標（Jnr-diff）作為MSCR 試驗評價指標。已有研究表明，Jnr可以反映瀝青在較大應力下的非線性流變響應，且其與瀝青混合料的抗車轍性能相關性較好[4]。

圖5 動態剪切流變儀（DSR）

測試上述7 種基質瀝青及其短期老化、長期老化后瀝青MSCR 試驗力學性能，試驗結果見圖6至圖9。其中，Jnr0.1、Jnr3.2分別代表0.1 kPa和3.2 kPa 應力水平下不可恢復蠕變柔量的平均值（10 次循環）。

分析圖6及圖7可知，隨瀝青標號增大，Jnr0.1和Jnr3.2均增大，表明瀝青抗永久變形的能力隨瀝青標號增大而減小[7]，因而低標號瀝青具有更好的高溫性能；瀝青油源對其不可恢復蠕變柔量存在較大影響。

圖6 64 ℃瀝青老化前后Jnr0.1

圖7 64 ℃瀝青老化前后Jnr3.2

圖8 64 ℃瀝青老化前后R0.1

圖9 64 ℃瀝青老化前后R3.2

分析圖8及圖9可知，同一油源的瀝青，隨瀝青標號增大，R0.1、R3.2減小，表明低標號瀝青高溫性能更好；瀝青油源對其恢復率存在較大影響。旋轉薄膜老化及壓力老化后Jnr值減小且R值增大，均表征瀝青高溫性能的提高，表明瀝青老化使其高溫性能變好。

檢驗瀝青標號、油源及其老化程度對瀝青不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率影響的顯著性，見表4所示。

分析表4可知，瀝青標號、油源及老化程度對其不可恢復蠕變柔量的影響在不同應力水平下表現出不同規律：低應力水平下，瀝青油源和其老化程度對Jnr0.1影響顯著；高應力水平下，瀝青標號和其老化程度對Jnr3.2影響顯著；瀝青標號對其恢復率影響顯著。

表4 影響因素顯著性檢驗

3 瀝青高溫性能對比研究

綜合以上分析可知，同一油源瀝青，隨瀝青標號增大，其軟化點和布氏黏度均逐漸減小，但其不可恢復蠕變柔量增大，表明瀝青高溫性能變差，因而不同評價指標對瀝青高溫性能評價結果規律一致。

不同油源、同一標號瀝青，其高溫性能存在差異：K90 瀝青軟化點較高、布氏黏度較大、不可恢復蠕變柔量較小，其高溫性能最好；X90 高溫性能次之，L90 瀝青高溫性能最差；不同試驗方法對瀝青高溫性能評價存在一致性。

對軟化點、布氏黏度和MSCR 試驗相關指標從高溫性能、老化程度、油源、瀝青標號四個方面的影響進行評價，見表5所示。

分析表5可知，上述3 個指標均可有效評價瀝青的高溫性能；油源及標號對軟化點影響更顯著；老化程度、標號、油源對MSCR 試驗指標的影響均顯著，對布氏黏度均不顯著。因此，建議采用MSCR 試驗評價瀝青高溫性能，從而有效區分瀝青油源、標號、老化程度對瀝青高溫性能的差異。

4 結語

a）瀝青標號及其老化程度對瀝青軟化點影響顯著，瀝青油源對軟化點影響不顯著；

表5 高溫指標評價

b）無法采用瀝青布氏黏度試驗區分瀝青油源、標號及老化程度的影響；

c）在低應力水平下，瀝青油源和老化程度對不可恢復蠕變柔量Jnr0.1影響顯著；高應力水平下，瀝青標號和老化程度對不可恢復蠕變柔量Jnr3.2影響顯著；不同應力水平下瀝青恢復率規律相同，標號對恢復率有極顯著影響。

d）建議采用MSCR 試驗評價瀝青高溫性能，以有效區分瀝青油源、標號及其老化程度對其高溫性能的影響。