基于MSCR的基質瀝青老化高溫性能

彭紅衛,聶憶華,余沛涵

(1.湖南省交通科學研究院有限公司,湖南 長沙 410015;2.湖南科技大學土木工程學院,湖南 湘潭 411201)

1 試驗材料與方法

1.1 瀝青材料

依托湖南武靖高速項目,基于MSCR進行基質瀝青材料的老化高溫性能研究。選取項目常用的三種基質瀝青:泰州A-50#基質瀝青、中石油A-70#基質瀝青、中石油A-90#基質瀝青。各瀝青按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[1-10]測試,常規性能指標如表1所示。

表1 試驗瀝青技術性能指標

1.2 試驗方案

三種瀝青均采用旋轉薄膜烘箱老化(RTFOT)方法開展模擬老化試驗,老化溫度為163 ℃,老化時間分別為40、85、180、270 min,具體老化試驗步驟見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011,T0610—2011)。

瀝青試樣除了針入度、黏度、軟化點和延度等常規性能參數檢測外,還進行了多應力蠕變恢復試驗(MSCR)。MSCR試驗采用動態剪切流變儀(DSR),型號為Aaton Paar公司的MCR301,其溫控系統為CTD450,如圖1所示。試驗規范參照美標AASHTO T 350—14,選用25 mm的平行板,試樣厚度為1 mm。包括原樣瀝青在內的15組瀝青試樣分別在58、64和70 ℃三個溫度下測試,應力水平取0.1、3.2 kPa;試驗樣品在0.1 kPa下加載1 s,在無應力狀態下恢復9 s,如此重復20個周期,在3.2 kPa下則重復10個周期。由設備自動采集相關的數據,圖2為一個應變恢復循環周期,根據公式1～4計算出基質瀝青的不可恢復蠕變柔量Jnr、變形恢復率R值。

(圖中:ε0為初始應變值;εc為第1 s結束時的應變值;εr為第10 s試驗結束時的應變值)圖1 基質瀝青蠕變恢復周期應變圖

圖2 A-50#瀝青MSCR指標試驗值隨老化時間趨勢圖

ε1=εc-ε0

(1)

ε10=εr-ε0

(2)

Jnr=(εr-ε0)/δ

(3)

(4)

式中:ε0為初始應變值;εc為第1 s結束時的應變值;εr為第10 s試驗結束時的應變值;δ為應力。

分別對0.1 kPa和3.2 kPa應力作用下的10次蠕變恢復周期所求得的Jnr值取平均數,計算出Jnr的平均值,記為Jnr0.1和Jnr3.2;對0.1 kPa和3.2 kPa應力作用下的10次蠕變恢復周期所求得的R值取平均數,計算出R的平均值,記為R0.1和R3.2。

根據公式(5)得到試驗瀝青的變形回復率的應力敏感指標R-diff。

(5)

2 試驗結果與分析

2.1 老化動力學理論

瀝青老化動力學可動態表征瀝青老化行為特征,基于瀝青的技術性能指標,建立了老化動力學方程。路面瀝青的老化遵循下列動力學方程

-dc/dt=kc

(6)

式中:c為瀝青中生成瀝青質的反應物濃度;t為老化時間,min;k為反應速率。

2.2 Jnr老化規律

表2、表3給出了不同測試應力(0.1 kPa、3.2 kPa)、不同測試溫度(58、64、70 ℃)下,A-50#、A-70#、A-90#基質瀝青的四種不同老化時間(40、85、180、270 min)試樣以及原樣瀝青(0 min)的不可恢復蠕變柔量Jnr值與變形恢復率R值,并按公式(6)進行老化動力學擬合,分別得到Jnr和R表征的老化速率k及其擬合相關系數R2。表4給出了三種基質瀝青的變形回復率的應力敏感指標R-diff。分別為A-50#、A-70#、A-90#基質瀝青的不可恢復蠕變柔量Jnr值與變形恢復率R值隨不同老化時間(0、40、85、180、270 min)的變化趨勢圖。

表2 不同老化時間下不可恢復蠕變柔量Jnr值及其表征老化速率k

表3 不同老化時間下變形恢復率R值及其表征老化速率k

表4 不同老化時間下變形恢復率R的應力敏感指標R-diff

瀝青是一種粘彈性材料,瀝青的變形包括彈性變形與塑性變形兩部分。不可恢復蠕變柔量Jnr用來衡量瀝青的殘余變形,Jnr越大,瀝青的殘余變形越大,高溫條件下抗變形能力越弱;反之則越好。表2數據以及趨勢圖表明,在各因素變化下,Jnr值及老化速率k值變化規律明顯。同一測試應力、測試溫度下,三種瀝青的Jnr值均隨老化時間增加而下降,擬合相關系數R2均高于0.98,符合老化動力學規律,老化速率由大到小順序為A-90#>A-70#≈A-50#;同一測試應力下,相同老化時間同一瀝青的Jnr值均隨測試溫度增加而增加,測試溫度越高的Jnr值表征的老化速率越小;同一測試溫度下,相同老化時間同一瀝青的Jnr值均隨測試應力增加而增加,測試應力越高的Jnr值表征的老化速率一般越大。以上分析表明瀝青的老化有利于高溫性能的增強,這是因為瀝青老化的過程是小分子組分向大分子組分遷移,瀝青質增加導致瀝青變硬、模量增大;試驗溫度升高,基質瀝青的彈性成分減少、粘性成分增加,即Jnr值升高;蠕變應力增加,瀝青抗永久變形能力也減小,Jnr值升高,因此溫度、應力是影響基質瀝青抗變形能力的兩個重要因素。

2.3 R老化規律

利用試驗所得到的變形恢復率R能夠很好地評價瀝青彈性變形的強弱,變形恢復率R越大則說明瀝青的彈性變形越大,反之則說明瀝青的彈性變形越弱。

表3數據以及趨勢圖表明:在各因素變化下,變形恢復率R值及老化速率k值變化規律明顯;同一測試應力、測試溫度下,三種瀝青的變形恢復率R值均隨老化時間增加而增加,擬合相關系數R2均高于0.91,符合老化動力學規律,老化速率由大到小順序為A-90#>A-70#≈A-50#,同一測試應力下,相同老化時間同一瀝青的R值均隨測試溫度增加而減小,測試溫度越高的R值表征的老化速率越大;同一測試溫度下,相同老化時間同一瀝青的R值均隨測試應力增加而減小,測試應力越高的R值表征的老化速率越大。以上分析表明,除了不同測試溫度下表征的老化速率外,R值表征的基質瀝青高溫性能變化規律以及老化規律與Jnr值表征基本一致。由表4數據分析表明,三種瀝青變形恢復率的應力敏感指標R-diff與試驗溫度、老化時間之間沒有明顯的規律,且三種瀝青之間的規律也不明顯。

3 結 論

(1)多應力蠕變恢復試驗中三種基質瀝青隨著老化時間的增加Jnr值減小、R值增大,說明三種瀝青隨老化程度變深其彈性成分增加,從而高溫性能增強;相同試驗溫度、蠕變應力下,Jnr值和R值表征的老化速率由大到小順序均為A-90#>A-70#≈A-50#,說明A-90#基質瀝青抗老化性能較差。

(2)相同老化時間同一瀝青的Jnr值均隨測試溫度增加而增加,R值相反;同一測試溫度下,相同老化時間同一瀝青的Jnr值均隨測試應力增加而增加,R值相反;溫度、應力是影響基質瀝青抗變形能力的兩個重要因素,溫度與應力越高,基質瀝青抗變形能力下降。

(3)三種基質瀝青變形恢復率的應力敏感指標R-diff與試驗溫度、老化時間之間沒有明顯的規律,且三種基質瀝青之間的規律也不明顯。