巖瀝青改性瀝青的流變特性試驗(yàn)研究

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(1.衡陽(yáng)公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

巖瀝青改性瀝青的流變特性試驗(yàn)研究

雷勇1,梅朝陽(yáng)2

(1.衡陽(yáng)公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

為了研究巖瀝青在不同摻量情況下對(duì)瀝青流變特性的影響，通過(guò)對(duì)巖瀝青摻量為9%、12%、15%和18%的改性瀝青及基質(zhì)瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了不同摻量巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青的高溫及低溫性能的影響。研究表明： 摻入巖瀝青后，隨掃描溫度的升高，同一溫度下改性瀝青的復(fù)數(shù)模量、車轍因子減小，相位角及損失正切增大，動(dòng)粘度減小，但以上參數(shù)均高于基質(zhì)瀝青，能有效改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。蠕變勁度增大，蠕變速率減小，改性瀝青的脆性增大，低溫性能有所降低。將巖瀝青摻量控制在一定范圍，不會(huì)對(duì)其低溫性能產(chǎn)生大的影響。建議巖瀝青的最佳摻量為12%～15%。

道路工程； 巖瀝青； 摻量； 改性瀝青； 流變特性

0 引言

近年來(lái)，交通量的不斷增長(zhǎng)和交通荷載的變化，以及廣泛采用的基質(zhì)瀝青本身特性的局限，車轍依然是瀝青路面出現(xiàn)破壞的形式，特別是對(duì)于高溫重載地區(qū)。天然巖瀝青作為一種改性劑，由于其與瀝青相溶性較好，耐久性和穩(wěn)定性高[1-3]，能夠改善瀝青的高溫和低溫性能[4-6]，故越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。由于不同產(chǎn)地的巖瀝青的組分和結(jié)構(gòu)不同，所以對(duì)瀝青的改善效果也各有差異。因此，需要對(duì)不同地區(qū)的巖瀝青的改性性能做完整測(cè)試才能加以推廣。

本文通過(guò)對(duì)不同摻量巖瀝青的改性瀝青開展室內(nèi)試驗(yàn)，研究巖瀝青摻量對(duì)改性瀝青高溫和低溫工況下流變性能的影響，對(duì)比不同摻量巖瀝青改性瀝青與基質(zhì)瀝青實(shí)驗(yàn)前后試驗(yàn)指標(biāo)的變化，研究巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青的改性行為，以為巖瀝青的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用作指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用基質(zhì)瀝青為AH — 70號(hào)基質(zhì)瀝青，巖瀝青為產(chǎn)自四川廣安的天然巖瀝青塊，粉碎后得到巖瀝青。在基質(zhì)瀝青中分別摻入9%、12%、15%和18%的巖瀝青，對(duì)比分析不同摻量巖瀝青改性瀝青與基質(zhì)瀝青流變特性的變化?；|(zhì)瀝青及巖瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～表3。

本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)各類型瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)流變特性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見(jiàn)表4。對(duì)RTFOT和RAP老化后的基質(zhì)瀝青和不同摻量巖瀝青改性瀝青進(jìn)行彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)。

表3 不同摻量巖瀝青改性瀝青技術(shù)指標(biāo)巖瀝青摻量/%針入度/(0．1mm)30℃25℃15℃針入度指數(shù)PI相關(guān)系數(shù)軟化點(diǎn)/℃當(dāng)量軟化點(diǎn)T800當(dāng)量脆點(diǎn)T1．215℃延度135℃運(yùn)動(dòng)粘度/(Pa·s)殘留針入度比/%0112．567．621-1．3030．99948．247．3-10．3>1000．40869．4956．635．611．2-1．1230．997355．854-5．39．50．93468．61245．329．89．1-1．110．993761．555．9-3．67．31．43567．91540．927．98．5-0．990．990464．757．3-3．35．11．61567．21828．818．96．6-0．5350．997371．563．1-1．94．42．53066．7

表4 動(dòng)態(tài)流變?cè)囼?yàn)條件試樣直徑/mm試驗(yàn)溫度/℃間距/mm試驗(yàn)頻率/(rad·s-1)控制應(yīng)變/%2534～801105

2 動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖瀝青對(duì)瀝青車轍因子的影響

由圖1可知: 基質(zhì)瀝青及摻加巖瀝青改性瀝青的復(fù)數(shù)模量均隨著溫度的升高而減小，不同摻量巖瀝青的復(fù)數(shù)模量隨著巖瀝青摻量的增大而增大，并且沒(méi)有摻加巖瀝青基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量值最小。瀝青的復(fù)數(shù)模量值越使得瀝青混合料內(nèi)的膠結(jié)料越硬，瀝青混合料的抗車轍性能隨之提高。另外改性瀝青在巖瀝青摻量增加的過(guò)程中，其復(fù)數(shù)模量的增大幅度有所放緩。由此說(shuō)明，巖瀝青的摻加使得瀝青的熱穩(wěn)定性提高，且隨著摻量的增大而增大。

圖1 不同摻量巖瀝青對(duì)復(fù)數(shù)模量G*的影響

車轍因子G*/sinδ表征瀝青混合料中膠結(jié)成分的勁度的高溫黏性，循環(huán)荷載下每次周期荷載所消耗的功由式(1)所示：

(1)

式中：Wc為每個(gè)荷載周期消耗的功；σ0為周期荷載中的應(yīng)力；G*為復(fù)數(shù)模量；sinδ為相位角。

由式(1)可以看出，Wc隨著G*/sinδ的增大而減小。Wc越小表征瀝青在高溫狀態(tài)下其流動(dòng)變形越小，其抗車轍能力就越強(qiáng)[7]。不同溫度下?lián)搅坎煌膸r瀝青的車轍因子G*/sinδ的變化如圖2所示。

圖2 不同摻量巖瀝青對(duì)車轍因子G*/sinδ的影響

由圖可知: 溫度的不斷升高，基質(zhì)瀝青及摻加巖瀝青的改性瀝青的的車轍因子均在不斷降低，說(shuō)明高溫使得瀝青的抗車轍能力下降。摻加了巖瀝青的改性瀝青的車轍因子均比基質(zhì)瀝青的車轍因子要高，且摻量越高其車轍因子的值就越大。摻加18%巖瀝青的改性瀝青的車轍因子是基質(zhì)瀝青的4倍之多，可見(jiàn)巖瀝青能夠使瀝青的車轍因子得到顯著提高，耗散能減小，其抗車轍性能也越高。隨著巖瀝青摻量的不斷增大，改性瀝青的車轍因子的值的增大幅度在減小，巖瀝青摻量從0提高到12%時(shí)車轍因子的增大幅度要高于從15%到18%的區(qū)間，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，巖瀝青摻量的建議值為12%～15%。

2.2 巖瀝青對(duì)損失正切的影響

不同摻量巖瀝青對(duì)相位角隨溫度的變化如圖3所示。

圖3 不同摻量巖瀝青對(duì)相位角的影響

由圖可知: 各類型瀝青的相位角均隨著溫度的升高而增大。在相同溫度下，摻加巖瀝青的改性瀝青的相位角均小于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明巖瀝青能有效提高瀝青的彈性部分，且隨著摻量的不斷增大，瀝青的彈性增強(qiáng)越明顯。當(dāng)巖瀝青摻量為15%及18%時(shí)，改性瀝青的相位角在減小，即瀝青的彈性在降低。δ值減小，瀝青膠漿的彈性能增強(qiáng)，即在荷載作用次數(shù)相同情況下其發(fā)生變形的恢復(fù)量增多，有效增強(qiáng)其抗車轍性能。

瀝青具有粘彈性，循環(huán)加載下，由于應(yīng)變的峰值要比應(yīng)力的峰值滯后，所以形成了相位角，且隨著溫度的升高，滯后性就越明顯。不同摻量巖瀝青對(duì)損失正切隨溫度的變化如圖4所示。

圖4 不同摻量巖瀝青對(duì)損失正切的影響

由圖可知: 溫度升高各類型瀝青的損失正切值tanδ均在增大，但基質(zhì)瀝青的損失正切值增加的速率更快，巖瀝青改性瀝青損失正切增福較緩。相同溫度下，摻加巖瀝青的改性瀝青的相位角均比基質(zhì)瀝青的相位角要小，說(shuō)明巖瀝青能夠降低瀝青膠漿的粘性，高溫流動(dòng)性變?nèi)?，彈性性能增大，從而增大其抗變形能力。巖瀝青摻量從9%到12%，相位角在減小，但摻量增加到15%至18%后，相位角的值有所增大，即瀝青膠漿的彈性性能反而減弱，由此說(shuō)明巖瀝青摻量為12%時(shí)較為經(jīng)濟(jì)。

2.3 巖瀝青對(duì)瀝青動(dòng)粘度的影響

不同溫度下不同摻量巖瀝青對(duì)動(dòng)粘度的影響變化如圖5所示。

圖5 不同摻量巖瀝青對(duì)動(dòng)粘度的影響

由圖可知: 隨著溫度的升高，基質(zhì)瀝青和巖瀝青改性瀝青的動(dòng)粘度η′均在降低，各類型瀝青對(duì)溫度都較為敏感。相同溫度下，巖瀝青改性瀝青的動(dòng)粘度值均比基質(zhì)瀝青的動(dòng)粘度要高，說(shuō)明巖瀝青能夠使基質(zhì)瀝青的高溫抗變形能力得到有效改善。巖瀝青摻量越大，動(dòng)粘度越大，摻量從9%到12%動(dòng)粘度的增長(zhǎng)幅度比摻量從12%到15%動(dòng)粘度的增長(zhǎng)幅度要大，且摻量12%和摻量15%時(shí)的動(dòng)粘度變化曲線十分接近，由此可以確定12%～15%為巖瀝青的合適摻量。

2.4 巖瀝青對(duì)瀝青PG分級(jí)的影響

不同摻量巖瀝青的PG分級(jí)的影響如圖6所示。

圖6 不同摻量巖瀝青改性瀝青老化前后PG分級(jí)溫度

由圖可知: 摻加巖瀝青后的改性瀝青的PG高溫等級(jí)均在提高。巖瀝青摻量為9%時(shí)的高溫等級(jí)(PG70)要比基質(zhì)瀝青的高溫等級(jí)(PG58)高出2個(gè)高溫等級(jí)。巖瀝青摻量為18%時(shí)高溫等級(jí)升高至PG82。按3%逐級(jí)添加巖瀝青其改性瀝青的高溫等級(jí)均要提高1個(gè)等級(jí)，SHRP對(duì)于高溫分級(jí)由于分級(jí)區(qū)間較大，故巖瀝青摻量為12%時(shí)和摻量為15%時(shí)高溫分級(jí)數(shù)同一等級(jí)，由此巖瀝青摻量為12%～15%時(shí)較為合適。

3 彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

SHRP規(guī)范推薦的BBR試驗(yàn)規(guī)定，60 s時(shí)蠕變勁度S≤300 MPa，蠕變速率不小于0.3時(shí)的試驗(yàn)溫度為合格溫度。本試驗(yàn)采用RTFOT和PAV老化后的產(chǎn)物進(jìn)行試驗(yàn)。見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 -12 ℃時(shí)蠕變勁度隨摻量的變化

圖8 -12 ℃時(shí)蠕變速率隨摻量的變化

圖9 PG分級(jí)隨摻量的變化

由圖7和圖8可以看出: 隨著巖瀝青摻量的增大，蠕變勁度S的值不斷增大，而蠕變速率m值在不斷減小，說(shuō)明巖瀝青的摻入使得改性瀝青硬度有所增大，降低了其松弛能力，低溫性能有所降低。

由圖9可以看出: 巖瀝青改性瀝青隨著摻量的增大PG低溫等級(jí)溫度反而減小，但變化范圍不大。摻加了巖瀝青的改性瀝青的低溫等級(jí)溫度相比基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)降低了一個(gè)低溫等級(jí)，因此只要將巖瀝青的摻量適當(dāng)控制，對(duì)瀝青的低溫性能影響不會(huì)太大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同摻量巖瀝青改性瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)，主要得到以下結(jié)論：

1) 掃描溫度越高，基質(zhì)瀝青及巖瀝青改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*均在減小，巖瀝青改性瀝青的復(fù)數(shù)模量隨摻量的增加而增大，且均高于基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量；各類型瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度的升高的變化規(guī)律與復(fù)數(shù)模量規(guī)律類似G*，說(shuō)明巖瀝青能夠使瀝青的熱穩(wěn)定性得到有效提高，抗車轍能力得到有效改善。

2) 隨著溫度的升高，基質(zhì)瀝青及巖瀝青改性瀝青的相位角δ及損失正切tanδ均在增大，相同溫度下，不同摻量巖瀝青改性瀝青的相位角δ及損失正切tanδ均高于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明巖瀝青能夠提升瀝青膠漿的彈性性能，提高其抗變形能力。巖瀝青摻量從15%增大到18%時(shí)相位角及損失正切的增幅要小于從0%到12%。

3) 溫度升高，基質(zhì)瀝青及巖瀝青改性瀝青的動(dòng)粘度η′均在減小，同一溫度下巖瀝青改性瀝青的動(dòng)粘度均要高于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明巖瀝青能夠提高瀝青的高溫抗變形能力。

4) 摻加巖瀝青的改性瀝青的蠕變勁度S增大，蠕變速率m減小，瀝青的低溫性能降低；將巖瀝青的摻量控制在合適范圍對(duì)瀝青的低溫性能不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

5) 綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，巖瀝青的最佳摻量為12%～15%。

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1008-844X(2017)03-0054-04

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2017-04-21

雷 勇(1979-)，男，工程師，主要從事路橋方面的工作。