無縫伸縮縫瀝青膠結料高溫性能指標區分評價

任東亞, 梅煜康, 張家康, 馮凌宇, 艾長發

(1.西南交通大學 土木工程學院, 四川 成都 610031; 2.西南交通大學 道路工程四川省重點實驗室, 四川 成都 610031)

無縫伸縮縫由高分子改性瀝青膠結料和單粒徑粗集料結合形成的彈塑體以及底部支撐鋼板所組成,具有良好的整體性和耐久性,目前在中小跨徑橋梁中受到越來越多的關注及應用,尤其適宜于伸縮變形量小于50mm的橋梁[1-5].現有實踐中無縫伸縮縫彈塑體通常位于橋面層,直接與車輛輪胎及外界環境接觸,并未形成真正的無縫橋面構造,因此存在行車不平順、易老化、高溫季節彈塑體易推移變形等問題[4-5].為進一步改善行駛舒適性以及提高無縫伸縮縫長期路用性能,2012年,四川成自瀘(成都—自貢—瀘州)高速成仁(成都—仁壽)高架路段采用了一種新型的無縫伸縮縫裝置——EPSE伸縮縫.該結構將伸縮縫布置于橋梁結構的混凝土鋪裝層,上層瀝青混凝土全程貫通鋪裝,形成了真正的無縫橋面[6],其構造示意圖如圖1所示.EPSE伸縮縫與橋面鋪裝連接平順,行車舒適平穩,同時由于其中的彈塑體避免了與外界直接接觸,老化問題也得到了顯著改善.ESPE伸縮縫室內足尺試驗結果顯示,該新型伸縮縫滿足最大拉伸位移量要求,且最大拉位移控制因素為上層瀝青混凝土與彈塑體伸縮縫材料黏結面開裂[7].成自瀘高速成仁高架橋路段共鋪裝ESPE伸縮縫441條,2018年無縫伸縮縫性能現場檢測結果顯示,經過7a的使用,ESPE伸縮縫整體路用效果優異,無明顯結構性破壞現象.但部分伸縮縫面層存在不同程度的凹陷及凸起,伸縮縫表層瀝青混凝土局部產生橫橋向裂縫.現場車轍與裂縫分布數據揭示，無縫伸縮縫彈塑體高溫穩定性不足是影響其耐久性的主要原因.在伸縮縫處,面層瀝青混凝土與下層伸縮縫彈塑體的模量差異較大.由于模量不匹配,在溫度應力或車輛荷載的作用下,易使面層瀝青混凝土底部彎拉應變過大,從而產生疲勞裂縫.無縫伸縮縫的瀝青膠結料質量占整個彈塑體質量的20%～30%,因此彈塑體在高溫下的穩定性主要取決于其中瀝青膠結料的高溫性能和抗變形性能.國內外工程實踐表明,彈塑體中瀝青膠結料在達到現有瀝青高溫評價指標的情況下,仍不能滿足伸縮縫對彈塑體中瀝青膠結料的路用需求[8-10].

圖1 EPSE伸縮縫結構構造形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of the elastic-plastic seamless expansion joint structure(size:cm)

無縫伸縮縫瀝青膠結料多為聚合物改性瀝青,且加入的聚合物含量較大,約為普通瀝青路面的2倍以上.對于無縫伸縮縫瀝青膠結料,各國規范采用的高溫穩定性評價指標包括軟化點、135℃黏度、針入度、彈性恢復率及流動值.此外,國內外學者從流變學的角度,采用動態剪切流變的車轍因子以及蠕變勁度作為無縫伸縮縫瀝青膠結料高溫性能的輔助評價指標[11].軟化點對高黏彈瀝青膠結料特性的敏感程度低于黏度指標,常作為這種膠結料高溫性能的輔助評價指標[12].車轍因子主要適宜于評價基質瀝青的高溫性能,然而受彈塑體中瀝青膠結料高延遲彈性恢復能力的影響,該指標并不能有效評價改性瀝青的高溫性能[13].綜上所述,無縫伸縮縫瀝青膠結料作為一種特殊的高黏彈性材料,上述幾種評價指標均存在一定局限性,不能很好地指導實際施工.

近年來,國內外部分研究針對如何適應改性瀝青性能評價問題,提出了重復蠕變恢復試驗(RCRT),用蠕變柔量來表征改性瀝青抵抗變形的能力,隨后在RCRT方法的基礎上提出了使用多應力蠕變恢復(MSCR)試驗來評價瀝青膠結料的高溫性能,AASHTO MP19—2010《Standard specification for performance-graded asphalt binder using multiple stress creep recovery(MSCR) test》也將MSCR試驗得出的平均不可恢復蠕變柔量作為改性瀝青的交通分級新指標.曾詩雅等[14]、唐乃膨等[15]、郭詠梅等[16-17]的研究結果表明,MSCR試驗得出的平均恢復率、平均不可恢復蠕變柔量等指標與改性瀝青車轍性能具有較好的相關性,對改性瀝青高溫性能具有較好的區分度.但目前對于無縫伸縮縫瀝青膠結料高溫黏彈特性的研究不夠深入,受彈塑體中瀝青膠結料聚合物摻量高及其高延遲彈性恢復能力的影響,對控制其高溫性能的關鍵評價指標尚不明確.因此,本文針對國內外3種無縫伸縮縫彈塑體中的瀝青膠結料,進行了基本性能指標、動態剪切溫度掃描試驗以及多應力蠕變恢復試驗,以測試分析其在不同溫度和應力狀態下黏彈特性的變化規律,同時根據試驗結果,對軟化點、車轍因子、相位角、蠕變恢復率和不可恢復蠕變柔量等高溫性能評價指標進行一致性和區分度分析,并結合混合料車轍試驗驗證,推薦更準確的無縫伸縮縫高溫性能關鍵控制指標,為優選瀝青膠結料類型提供參考.

1 試驗設計

1.1 試驗介紹

多應力蠕變恢復(MSCR)試驗是美國聯邦公路局最新推廣使用的試驗方法,評價指標與足尺加載試驗測得的瀝青混合料車轍深度相關性較高[18-19].其中低應力狀態下的試驗反映了瀝青在線性黏彈狀態下的性能,高應力狀態則反映了瀝青在非線性黏彈狀態下的性能.MSCR試驗加載與卸載原理見圖2.試驗首先采用0.1kPa的剪應力加載1s,卸載9s,重復10個周期;接著采用3.2kPa的剪應力重復以上步驟.每個應力周期瀝青膠結料都經歷1個蠕變-恢復過程,在蠕變階段末應變達到周期峰值γc,周期末恢復的應變為γr,不可恢復的應變為γu,不可恢復的應變將會繼續累積到下一個周期.每10個蠕變和恢復周期后可測得平均應變恢復率R和平均不可恢復蠕變柔量Jnr,其中平均應變恢復率R可以反映改性瀝青的彈性恢復能力,Jnr可以反映改性瀝青在較大應力下的非線性流變響應.

圖2 MSCR試驗加載與卸載原理圖Fig.2 Schematic diagram of MSCR test loading and unloading

1.2 原材料及試驗儀器

1.2.1瀝青膠結料

本研究選用3種無縫伸縮縫瀝青膠結料作為測試用瀝青樣品,分別為國產HN型改性熱塑高彈性體瀝青膠結料、國產DY型高彈性體瀝青膠結料、英國BJ型高分子聚合體改性瀝青膠結料.根據JT/T 1129—2017《橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結料》要求,瀝青膠結料相關基本性能測試結果見表1.

表1 無縫伸縮縫瀝青膠結料基本性能

按照AASHTO TP70—2012《Standard method of test for multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》,用動態剪切流變儀(DSR)測試改性瀝青高溫性能指標時,需要先對瀝青試樣進行旋轉薄膜烘箱(RTFOT)短期老化處理.由于該伸縮縫結構采用“EPSE”結構,實際結構中不與外界相接處的老化問題并不明顯,且無縫伸縮縫瀝青膠結料中聚合物改性劑含量高、流動性差,在163℃下進行瀝青的老化試驗時,樣品在盛樣瓶中受熱不均,部分呈干裂的碎片狀,無法從盛樣瓶中倒出,也難以用于后續試驗.由于無縫伸縮縫瀝青膠結料的自身特性,在國內外相關技術性能評價標準體系中都較少含有其老化后的評價指標[20].綜合考慮,采用原樣瀝青膠結料開展高溫性能測試更符合膠結料的實際工作狀態.試驗儀器采用美國TA公司生產的DHR-3動態剪切流變儀.

1.2.2瀝青混合料

無縫伸縮縫的材料主要由瀝青膠結料和集料組成,其中的瀝青膠結料采用高度改性過的改性瀝青,對于集料的選擇則與普通的路用瀝青混合料存在很大區別,其粒徑和級配的選擇要保證集料具有足夠的間隙.集料之間的大間隙可以保證瀝青混合料中具有足夠的瀝青膠結料,而瀝青膠結料是整個瀝青混合料中承擔伸縮變形的主要部分.本文所使用的集料為粒徑9.5～13.2mm的玄武巖,油石比(質量比)采用1∶4.瀝青混合料級配如表2所示.

表2 無縫伸縮縫瀝青混合料級配

1.3 試驗方案

1.3.1瀝青膠結料試驗

采用動態剪切流變儀(DSR)對3種瀝青膠結料進行溫度掃描試驗和多應力蠕變恢復(MSCR)試驗.所用樣品均為普通型伸縮縫瀝青膠結料,使用地區夏季路面最高溫度為55～75℃.考慮到路面溫度場的分布規律,在夏季高溫狀態下位于路表以下10cm 的伸縮縫溫度低于路表溫度,參考AASHTO M320《Standard specification for performance-graded asphalt binder》的分級溫度選擇試驗溫度.溫度掃描試驗使用25mm 的轉子,試件厚度2mm,應變水平0.5%,頻率10rad/s,采用58、64、70、76、82℃這5種溫度.MSCR試驗時,首先采用0.1kPa的剪應力加載1s,卸載9s,重復10個周期,接著采用3.2kPa的剪應力重復以上步驟,總共20個周期,共200s;使用25mm的轉子,試件厚度2mm,試驗采用64、70、76、82℃這4種溫度.溫度掃描試驗和MSCR試驗中,58、64、70℃這3種溫度反映了伸縮縫在該地區工作狀態下的溫度;76、82℃作為試驗延伸溫度,用于測試極端狀態下的材料性能.

1.3.2瀝青混合料車轍試驗

依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行車轍試驗.

2 測試結果

2.1 溫度掃描試驗指標

車轍因子G*/sinδ可以用來表征瀝青膠結料的高溫性能,其中G*為復合模量,是最大剪切應力與最大剪切應變的比值,表征材料的抗變形能力;相位角δ是黏性材料由于應變滯后,在測試過程中從施加剪切應力到材料產生應變的相位差,表征材料中黏性成分和彈性成分的大小,純黏性材料和純彈性材料的相位角分別為90°和0°,介于兩者之間的材料具有不同程度的黏彈性性質.

圖3是3種瀝青膠結料的復合模量和相位角隨溫度變化曲線.由圖3可以看出：3種瀝青膠結料的復合模量均隨著溫度的升高而降低,表明隨著溫度的上升,瀝青膠結料抗變形能力降低;相位角在試驗溫度范圍內變化幅度較小,這是由于無縫伸縮縫瀝青膠結料在高溫狀態下具有較高的模量,相位角受溫度變化影響較小.相位角大小反映了3種瀝青膠結料的彈性成分含量,其中DY型瀝青膠結料的彈性成分含量最低,HN型瀝青膠結料略低于BJ型瀝青膠結料.圖4是3種瀝青膠結料的車轍因子隨溫度變化曲線.由圖4可見：3條曲線基本平行,車轍因子均隨著溫度的上升而下降,變化趨勢相同;在試驗溫度條件下,3種瀝青膠結料的車轍因子大小排序為：HN型>BJ型>DY型.根據試驗結果計算可得,3種瀝青膠結料的車轍因子等于1kPa時所對應的溫度分別為163、145、148℃.車轍因子和高溫PG分級結果顯示,3種瀝青膠結料的高溫性能大小排序為：HN型>BJ型>DY型.

圖3 瀝青膠結料在不同溫度下的復合模量和相位角Fig.3 Composite modulus and phase angle of asphalt binder at different temperatures

圖4 瀝青膠結料在不同溫度下的車轍因子Fig.4 Rutting factor of asphalt binder at different temperatures

2.2 MSCR試驗指標

無縫伸縮縫瀝青膠結料具有一定的延遲彈性恢復性能,在一定時間內,恢復的變形量越大,則不可恢復應變量越少,表明瀝青膠結料抵抗高溫車轍變形的能力越好.在0.1、3.2kPa 2種應力加載模式下,多應力蠕變恢復試驗10個循環周期的平均應變恢復率分別為R0.1和R3.2,2種應變恢復率相對差值為Rdiff.平均應變恢復率反映了瀝青的彈性恢復能力,應變恢復率相對差值反映了瀝青恢復率對應力的敏感性.試驗結果見圖5～7.

圖6 瀝青膠結料在不同溫度下的平均應變恢復率R3.2 Fig.6 Average strain recovery rate R3.2 of asphalt binder at different temperatures

圖7 瀝青膠結料在不同溫度下應變恢復率的相對差值Rdiff Fig.7 Relative difference in strain recovery rate Rdiff of asphalt binder at different temperatures

由圖5、6可見：在0.1kPa應力作用下,3種瀝青膠結料在試驗溫度下的平均應變恢復率均大于95%,說明無縫伸縮縫瀝青膠結料在線彈性范圍內具有很好的回彈性能,其R0.1的大小排序為：BJ型>HN型>DY型；在3.2kPa應力作用下,HN型瀝青膠結料的平均應變恢復率與DY型瀝青膠結料相近,BJ型瀝青膠結料則大于前兩者；相較于低應力狀態,高應力狀態下3種瀝青膠結料的平均應變恢復率均隨著溫度的增大而減小,當試驗溫度超過76℃時,R3.2下降速度變快,原因可能是在高應力作用下,瀝青膠結料進入非線性流變區域,因此對溫度變化更為敏感.對比相位角測試結果可知,瀝青平均應變恢復率大小與瀝青彈性成分含量存在相關性.圖7結果表明：3種瀝青膠結料應變恢復率相對差值Rdiff大小排序為：HN型>DY型>BJ型,BJ型瀝青膠結料在試驗溫度條件下對應力變化最不敏感.

瀝青膠結料在應力作用后不可恢復的形變逐漸累積會形成車轍變形,因此不可恢復應變也是評價瀝青膠結料高溫抗車轍能力的重要指標.2種應力加載模式下,10個循環周期的平均不可恢復蠕變柔量分別為Jnr0.1和Jnr3.2,不可恢復蠕變柔量的相對差值為Jnr-diff.試驗結果見圖8～10.由圖8～10可見：當試驗溫度在76℃以下時,3種瀝青膠結料的不可恢復蠕變柔量隨著溫度變化而變化緩慢;當試驗溫度超過76℃ 后,2種應力狀態下的不可恢復蠕變柔量均增長明顯,且其大小排序與高應力狀態下平均應變恢復率的大小排序相反.原因可能是當溫度達到一定程度時,瀝青膠結料內部結構遭到破壞,使其高溫性能下降,這點尚有待進一步研究.另外,由圖10可看到：3種瀝青膠結料由于應力增加導致的不可恢復蠕變柔量均有上升,在高溫狀態下的應力敏感度較高,BJ型瀝青膠結料由于應力變化導致的不可恢復蠕變柔量大于HN型瀝青膠結料和DY型瀝青膠結料.結合瀝青黏彈性成分含量的大小發現,瀝青膠結料彈性性質越強,其平均應變恢復率越高,不可恢復蠕變柔量越小,應力敏感性也越高.綜合試驗結果可知,3種瀝青膠結料適用于最高溫度在76℃以下的路面,BJ型瀝青膠結料在高溫條件下的彈性恢復能力和抵抗車轍變形的能力更強,適合重或特重交通量路段.

圖8 瀝青膠結料在不同溫度下的平均不可恢復蠕變柔量Jnr0.1Fig.8 Average unrecoverable creep compliance Jnr0.1 of asphalt binder at different temperatures

圖9 瀝青膠結料在不同溫度下的平均不可恢復蠕變柔量Jnr3.2Fig.9 Average unrecoverable creep compliance Jnr3.2 of asphalt binder at different temperatures

圖10 瀝青膠結料在不同溫度下不可恢復蠕變柔量的相對差值Jnr-diffFig.10 Relative difference in unrecoverable creep compliance Jnr-diff of asphalt binder at different temperatures

2.3 車轍試驗結果

車轍試驗是評價瀝青混合料在規定溫度條件下抵抗塑性流動變形能力的方法,在試驗過程中測定試件變形與時間或車輪通過次數之間的關系,以此來計算瀝青混合料的動穩定度(DS值).車轍試驗結果與實際路面有極好的相關性,可用于檢測彈塑體混合料的抗車轍能力.3種瀝青混合料的車轍試驗結果見圖11.由圖11可見：3種瀝青混合料的抗車轍能力為：BJ型>HN型>DY型.彈塑體混合料高溫性能測試所得結果與MSCR試驗結果一致,證明用MSCR試驗來評估無縫伸縮縫瀝青膠結料的高溫性能結果可靠.3種瀝青混合料車轍因子大小排序為：HN型>BJ型>DY型,從車轍因子試驗結果來看,HN型瀝青膠結料的高溫性能更好.但由于無縫伸縮縫瀝青膠結料不能進行短期老化試驗,使得溫度掃描試驗不能完全符合規范要求,測試結果只能反映相同試驗條件下的瀝青膠結料相對性能表現.同時動態剪切流變試驗沒有考慮改性瀝青的高延遲彈性恢復能力,測試結果存在局限性,對無縫伸縮縫瀝青膠結料的高溫性能評價只能作為參考之用,無法對其進行準確評價.另外的原因還可能是動態剪切流變試驗的加載應力相對于MSCR試驗更低,在不同試驗狀態下,瀝青處于不同的黏彈狀態,但對于處于重載交通下的瀝青,MSCR試驗的加載應力模式顯然更接近實際使用狀態.

圖11 彈塑體混合料動穩定度Fig.11 Dynamic stability of the elastomer mixture(60℃)

3 結論

(1)在試驗溫度條件下,HN型瀝青膠結料的車轍因子G*/sinδ最大;BJ型瀝青膠結料的平均應變恢復率最大,不可恢復蠕變柔量最小,在高溫條件下彈性恢復能力和抵抗車轍變形的能力更強,在工作溫度狀態下,其高溫變形恢復能力更好.經車轍試驗結果驗證可知,BJ型瀝青膠結料的高溫抵抗車轍性能相對較好,證明用MSCR試驗來評價無縫伸縮縫瀝青膠結料高溫性能相對更準確.

(2)規范指標對瀝青性能區分度較小,且相關指標不能有效反映瀝青高溫性能.溫度掃描試驗所得的車轍因子不能夠較好地反映瀝青高溫抵抗變形能力,而MSCR試驗考慮了瀝青線性和非線性黏彈狀態,能夠較全面地評價無縫伸縮縫瀝青膠結料的高溫性能和彈性恢復性能,且其試驗指標區分度明顯,試驗方法相對簡單,可以考慮用該試驗指標代替相關規范指標.

(3)無縫伸縮縫瀝青膠結料作為一種黏彈性材料,其黏彈性成分含量對其高溫性能有一定的影響.初步對比顯示,瀝青彈性成分含量越高,其平均應變恢復率越高,不可恢復蠕變柔量越小,應力敏感性也越高.對于瀝青膠結料黏彈性成分含量與性能的具體關系,需要通過更多的材料對比試驗才能確定.