基于多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗的納米SiO2改性瀝青高溫性能研究

易志斌

(湖南省益婁高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 長沙 413099)

0 引言

永久變形(車轍)是瀝青路面最主要的問題之一，是由重載交通的反復(fù)荷載引起，在胎壓的反復(fù)作用下累積形成永久變形。車轍嚴(yán)重影響路面的使用性能，降低路面的使用壽命[1]。瀝青路面的抗車轍性能取決于多種因素，其中一個重要因素是瀝青膠結(jié)料的剛度。因此，有必要對瀝青膠結(jié)料進行改性，以提高膠結(jié)料的剛度，已有研究表明諸如納米SiO2等納米材料用于改性瀝青膠結(jié)料可大幅度提高膠結(jié)料的剛度[2]。

早在1978年，美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHRP)采用動態(tài)剪切流變儀測試瀝青的黏彈性參數(shù)，以車轍因子(G*/sinδ)作為指標(biāo)評估瀝青膠結(jié)料的抗車轍性能。但該試驗采用的應(yīng)力水平較低，從而低估了改性膠結(jié)料的抗車轍性能。為替代這個指標(biāo)，修訂Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范時引入了多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(Multiple Stress Creep and Recovery，MSCR)評估瀝青膠結(jié)料的抗車轍性能。2007年，D'Angelo等[3]開發(fā)多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗來評價瀝青膠結(jié)料的高溫性能。與車轍因子相比，MSCR試驗中用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr來表征瀝青膠結(jié)料的抗車轍性能，其具有更高的相關(guān)性[4]。目前MSCR試驗已正式納入AASHTO TP 70-10規(guī)范[5]中，試驗包括10個蠕變和恢復(fù)周期。每個周期包括在2個不同應(yīng)力水平下(低應(yīng)力水平100 Pa與高應(yīng)力水平3 200 Pa)的1 s蠕變階段和9 s恢復(fù)階段，其中不同應(yīng)力水平表示實際路面的交通荷載等級。

本研究主要利用MSCR評估納米SiO2改性瀝青膠結(jié)料(Nanosilica Modified Asphalt Binder，NSMB)的高溫性能，并探討納米SiO2的摻入對瀝青膠結(jié)料蠕變?nèi)崃縅nr和應(yīng)變恢復(fù)率R的影響，以此評估瀝青膠結(jié)料的抗車轍性能，并確定納米SiO2瀝青膠結(jié)料中改性劑的最佳摻量。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料與試樣制備

采用粒徑10～15 nm之間的納米SiO2對70#道路石油瀝青進行改性，材料的基本技術(shù)性能指標(biāo)見表1、表2。采用高速剪切儀制備納米SiO2摻量分別為1%、2%、3%、4%和5%的NSMB試樣，其中瀝青質(zhì)量為400 g，試驗溫度為150 ℃，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，剪切時長為1 h。

表1 70#道路石油瀝青的基本性能指標(biāo)對比項目軟化點/℃針入度/0.1 mm延度(10 ℃,5 m/min)/cm閃點/℃試驗結(jié)果526731331技術(shù)要求≥4660～80≥15≥230

表2 納米SiO2的基本性能指標(biāo)外觀SiO2含量/%Na2O含量/%pH值(20 ℃)密度(20 ℃)/(g·cm-3)顆粒尺寸/nm乳白色透明液體30±10.59.51.2010～15

1.2 試驗方案

1.2.1短期老化

根據(jù)ASTM D2872規(guī)范，使用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)設(shè)備模擬短期老化。試驗過程中，每個盛樣瓶裝有35 g的納米SiO2改性瀝青，并將流速4 000 m L/min的熱空氣噴入動著的盛樣瓶試樣中，之后在163 ℃的烘箱中以15 r/min的速度轉(zhuǎn)動85 min。

1.2.2多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗

參照AASHTO TP 70規(guī)范，MSCR試驗通過采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)對經(jīng)RTFO老化的試樣進行試驗，試驗溫度為64 ℃，選用100 Pa和3 200 Pa兩種應(yīng)力水平進行連續(xù)測試，每個應(yīng)力水平進行10個周期，每個周期10 s，分為1 s的加載蠕變階段和9 s的卸載恢復(fù)階段。MSCR試驗得到的主要指標(biāo)為平均應(yīng)變恢復(fù)率R和平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr。R值表示膠結(jié)料的彈性響應(yīng)和應(yīng)力依賴性，而Jnr定義為MSCR試驗期間不可恢復(fù)應(yīng)變與施加應(yīng)力的比值，其計算公式如下。

(1)

(2)

式中：εp為應(yīng)變峰值，εu為不可恢復(fù)應(yīng)變，σ表示應(yīng)力水平。

此外，還計算了100 Pa和3 200 Pa下10個周期的平均R和平均Jnr，分別表示為R100、R3 200和Jnr100、Jnr3 200。應(yīng)力敏感參數(shù)Rdiff和Jnr-diff的計算公式如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變

圖1為64 ℃下NSMB在2種應(yīng)力水平下MSCR試驗的典型應(yīng)變歷時曲線，前100 s為低應(yīng)力水平(100 Pa)，后100 s為高應(yīng)力水平(3 200 Pa)。圖1顯示了瀝青膠結(jié)料在低應(yīng)力水平下的累積應(yīng)變明顯低于高應(yīng)力水平下的累積應(yīng)變，表明累積應(yīng)變隨應(yīng)力水平提高而增加。與基質(zhì)瀝青相比，NSMB的累積應(yīng)變明顯更小，其中NSMB 2%的累積應(yīng)變最低，表明納米SiO2的摻入提高了瀝青膠結(jié)料在高溫下的剛度。圖2為100 Pa時NSMB的一個MSCR試驗周期，包括蠕變和恢復(fù)2個階段。由圖2可知，在蠕變階段，應(yīng)變在荷載作用下快速增大；在恢復(fù)階段，應(yīng)變在初始階段恢復(fù)較快，但隨著時間延長，恢復(fù)率逐漸降低。MSCR試驗結(jié)果反映了瀝青膠結(jié)料的黏-彈-塑性，卸載階段中彈性應(yīng)變恢復(fù)較快，而黏性應(yīng)變恢復(fù)較慢[6]。

圖1 MSCR試驗應(yīng)變歷時曲線

圖2 100 Pa應(yīng)力水平下MSCR試驗一個周期的應(yīng)變歷時曲線

2.2 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

Jnr可以用來評價瀝青膠結(jié)料抗車轍性能，Jnr值越低，抗車轍性能越好。表3和圖3顯示了2種應(yīng)力水平試驗下不同摻量NSMB的Jnr值。由圖3可知，2種應(yīng)力水平的Jnr值柱狀圖變化趨勢相似。當(dāng)應(yīng)力水平從100 Pa增加到3 200 Pa，Jnr略有增加，基質(zhì)瀝青的Jnr變化最為明顯，且納米SiO2的摻入明顯降低了瀝青膠結(jié)料的Jnr值。當(dāng)應(yīng)力水平為100 Pa時，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的Jnr值較基質(zhì)瀝青膠結(jié)料分別降低了87.0%、93.4%、91.0%、87.0%和82.5%。在3 200 Pa應(yīng)力水平下NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的Jnr較基質(zhì)瀝青膠結(jié)料分別降低了86.8%、93.1%、90.9%、86.6%和83.6%。因此，納米SiO2的摻入可提高瀝青膠結(jié)料的抗車轍性能。

表3 不同摻量下NSMB的Jnr值納米SiO2摻量/%100 Pa下的Jnr值/Pa-13 200 Pa下的Jnr值/Pa-100.001 550.001 7210.000 200.000 2320.000 100.000 1230.000 140.000 1640.000 200.000 2350.000 270.000 28

圖3 不同摻量下NSMB的Jnr值對比

2.3 應(yīng)變恢復(fù)率R

應(yīng)變恢復(fù)率R指標(biāo)用來評價瀝青膠結(jié)料在荷載作用下的彈性性能，R值越高，瀝青膠結(jié)料的抗變形能力越強。圖4顯示了2種應(yīng)力水平下NSMB的R值，與基質(zhì)瀝青膠結(jié)料相比，NSMB的R值更高，當(dāng)應(yīng)力水平為100 Pa時，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的R值較基質(zhì)瀝青膠結(jié)料分別提高了80.6%、89.0%、85.0%、78.8%和77.9%；在3 200 Pa應(yīng)力水平下，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的R值較基質(zhì)瀝青膠結(jié)料分別提高了94.1%、96.8%、95.6%、92.6%和92.2%，這表明摻入少量的納米SiO2可提高瀝青膠結(jié)料的彈性應(yīng)變恢復(fù)率，從而提高其抗變形性能。此外，對比2種應(yīng)力水平下的R值可得，3 200 Pa時的R值比100 Pa時略有下降。有關(guān)研究[7]表明在任意應(yīng)力水平或試驗溫度下，如果瀝青膠結(jié)料至少有20%的應(yīng)變恢復(fù)率，則表明其存在延遲彈性響應(yīng)，通過試驗數(shù)據(jù)可知，摻量為2%的NSMB滿足該最小應(yīng)變恢復(fù)率。

表4 不同摻量下NSMB的R值%納米SiO2摻量100 Pa下的R值3 200 Pa下的R值02.370.65112.2211.02221.5520.31315.8014.77411.188.78510.728.33

圖4 不同摻量下NSMB的R值對比

2.4 應(yīng)力敏感性

蠕變?nèi)崃肯鄬Σ町怞nr-diff和恢復(fù)率差值變化率Rdiff可用來評價瀝青膠結(jié)料在不同應(yīng)力水平下的蠕變?nèi)崃亢突謴?fù)率的應(yīng)力敏感性。Jnr-diff和Rdiff值越低，表明瀝青膠結(jié)料的應(yīng)力敏感性越低。表5和圖5為NSMB的Jnr-diff和Rdiff計算結(jié)果。根據(jù)Superpave-MSCR試驗規(guī)定，Jnr-diff的最大值不能超過75%，從圖5可以看出，所有摻量的NSMB均符合規(guī)范要求，與低摻量NSMB相比，高摻量NSMB具有更高的應(yīng)力敏感性。其中，NSMB 2%的Jnr在高溫下應(yīng)力敏感性最高，但其R的應(yīng)力敏感性最低。

表5 不同摻量下NSMB的Jnr和R值應(yīng)力敏感性納米SiO2摻量/%RdiffJnr-diff072.5710.9719.8212.6725.7216.0136.5012.20421.4314.38522.293.99

圖5 不同摻量下NSMB的Jnr和R值應(yīng)力敏感性對比

2.5 Jnr與R的關(guān)系探討

圖6顯示不同應(yīng)力水平下NSMB的R和Jnr之間的關(guān)系。AASHTO TP 70規(guī)范中規(guī)定4個交通荷載等級：中等、輕交通Jnr<0.004 5 Pa，重交通Jnr<0.002 Pa，特重交通Jnr<0.001 Pa,極重交通Jnr<0.000 5 Pa。從圖中可以看出，70#基質(zhì)瀝青膠結(jié)料適用于重交通荷載等級與中等、輕交通荷載等級，而NSMB適用于所有交通荷載等級。證明NSMB的應(yīng)用可提高瀝青路面的抗車轍性能，從而適用于特重、極重交通荷載等級。

圖6 不同應(yīng)力水平下NSMB的R和Jnr之間的關(guān)系

3 結(jié)論

通過多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗評價指標(biāo)對摻加納米SiO2的瀝青膠結(jié)料進行高溫評價，得到以下結(jié)論：

1) 相比基質(zhì)瀝青膠結(jié)料，納米SiO2改性瀝青膠結(jié)料中的累積應(yīng)變值更低，其高溫條件下剛度更高。此外，納米SiO2改性瀝青膠結(jié)料的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr更低及恢復(fù)率R更高，表明摻入納米SiO2改善了瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性和彈性性能。

2)與其他摻量相比，摻量為2%的納米SiO2改性瀝青膠結(jié)料的抗車轍能力最優(yōu)。

3)納米SiO2改性瀝青膠結(jié)料適用于極重交通荷載，大大提高了普通瀝青膠結(jié)料所適用的交通荷載等級。