雷俊安，鄭南翔，許新權(quán)，吳傳海，呂大偉，呂明敏

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；3.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623)

瀝青溫拌技術(shù)不僅能夠有效降低瀝青混合料在施工過程中的溫度，還減少了有害煙氣的排放，從而減輕對(duì)人體和環(huán)境的危害.目前瀝青溫拌方法主要有4類，即表面活性劑法、有機(jī)添加劑法、泡沫瀝青法及瀝青礦物法[1].溫拌劑因具有降黏作用，因此將其加入瀝青后，對(duì)瀝青的性能尤其是高溫流變特性的影響十分明顯.瀝青的高溫流變特性反應(yīng)了瀝青高溫抗變形能力，抗變形能力強(qiáng)的瀝青及其混合料對(duì)減少路面車轍病害具有十分重要的意義.

目前，瀝青高溫性能的研究多采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)，并采用車轍因子(G*/sinδ)對(duì)瀝青的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià).汪海年等[2-3]、高俊鋒等[4]采用DSR試驗(yàn)，研究了生物瀝青及溫拌生物瀝青結(jié)合料高溫流變性能.高志偉等[5]、宋云連等[6]采用DSR試驗(yàn)，研究了溫拌劑種類、摻量、溫度等對(duì)瀝青流變性能的影響規(guī)律.吳建濤等[7]采用DSR試驗(yàn)，研究了瀝青膜厚度對(duì)流變性的影響.樊亮等[8]進(jìn)一步提出了多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(multi-stress creep reco-very，MSCR)試驗(yàn)也能夠很好地反應(yīng)瀝青的流變學(xué)特性，并可以用蠕變恢復(fù)率、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恳约皯?yīng)力敏感性評(píng)價(jià)高溫性能.丁海波等[9]采用多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)對(duì)瀝青進(jìn)行流變分析，結(jié)果表明多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)的蠕變?nèi)崃靠勺鳛闉r青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo).曾詩(shī)雅等[10]、唐乃膨等[11]、郭詠梅等[12]基于多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，研究了改性瀝青高溫性能.雖然已有研究人員采用MSCR試驗(yàn)研究瀝青的高溫性能，但是由于目前此方法對(duì)溫拌瀝青高溫流變性能的研究尚且不足，尤其是對(duì)短期老化前后差異性研究并不多見，為此，筆者采用MSCR試驗(yàn)，研究不同溫拌劑種類、溫度以及短期老化等因素對(duì)瀝青高溫流變特性的影響，以期為瀝青的工程實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

1)瀝青.瀝青選擇殼牌新粵瀝青有限公司產(chǎn)的SBSI-D改性瀝青以及70#基質(zhì)瀝青.瀝青的基本性能指標(biāo)如表1所示.

表1 瀝青的基本性能指標(biāo)

2)溫拌劑.溫拌劑選擇美德維實(shí)偉克有限公司生產(chǎn)的第3代表面活性類溫拌劑Evotherm3G，以及深圳海川新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的有機(jī)添加劑類溫拌劑EC120.其中Evotherm3G為黃褐色黏稠狀液體，EC120為顆粒狀白色固體.

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1溫拌瀝青制備

將基質(zhì)瀝青加熱至130～140 ℃，改性瀝青加熱至150～160 ℃；待瀝青完全融化后，用攪拌機(jī)高速攪拌10 min；根據(jù)廠家推薦，將溫拌劑Evotherm3G和EC120分別按瀝青質(zhì)量的0.6%和3.0%加入熱瀝青中，然后用攪拌機(jī)高速攪拌10 min即可.

1.2.2短期老化試驗(yàn)

對(duì)基質(zhì)瀝青(BA)、BA+0.6%Evotherm3G、BA+3%EC120、SBS改性瀝青(SBS)、SBS +0.6%Evotherm3G和SBS +3%EC120等6種瀝青試樣進(jìn)行短期老化試驗(yàn)，得到老化后的6種瀝青試樣.試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT)，老化瓶中瀝青質(zhì)量控制為(35.0±0.5)g，老化溫度為(163.0±0.5)℃，老化時(shí)間為85 min.

1.2.3MSCR試驗(yàn)

MSCR試驗(yàn)的設(shè)備為美國(guó)TA公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀，如圖1所示.采用加載-卸載的模式對(duì)老化前、后的6種瀝青試樣進(jìn)行試驗(yàn).首先在0.1 kPa的應(yīng)力水平下，加載1 s，卸載9 s，重復(fù)10個(gè)周期；然后在3.2 kPa的應(yīng)力水平下重復(fù)上述步驟.整個(gè)試驗(yàn)共計(jì)20個(gè)周期，耗時(shí)200 s.圖2為1個(gè)周期的瀝青蠕變和恢復(fù)(加載-卸載)曲線.

圖1 MSCR試驗(yàn)

圖2 瀝青的蠕變和恢復(fù)曲線

加載過程中，瀝青應(yīng)變達(dá)到峰值γp，卸載過程中可恢復(fù)的應(yīng)變?yōu)棣胷，不可恢復(fù)的應(yīng)變?yōu)棣胾.在不同的應(yīng)力水平(p=0.1，3.2 kPa)下作用N個(gè)周期后，每次循環(huán)后的應(yīng)變恢復(fù)率γr(p,N)為

(1)

10個(gè)周期平均應(yīng)變恢復(fù)率(蠕變恢復(fù)率)R(p)為

(2)

每個(gè)循環(huán)中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr計(jì)算公式為

(3)

10個(gè)周期的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr(p)為

(4)

通過以上公式可計(jì)算得到p=0.1,3.2 kPa時(shí)的R(3.2)，R(0.1)，Jnr(3.2)和Jnr(0.1)等4個(gè)參數(shù)，則計(jì)算可得瀝青的蠕變恢復(fù)率應(yīng)力敏感性指標(biāo)Rdiff和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繎?yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff，即

(5)

(6)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 蠕變恢復(fù)曲線

通過MSCR試驗(yàn)可以得到不同應(yīng)力水平和溫度下瀝青的蠕變與恢復(fù)曲線，并據(jù)此可以計(jì)算得到瀝青的蠕變恢復(fù)率、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恳约皯?yīng)力敏感性指標(biāo).圖3為短期老化前后6種瀝青試樣在試樣溫度為64 ℃、應(yīng)力為0.1 kPa時(shí)，第1個(gè)周期的蠕變與恢復(fù)曲線.

圖3 6種瀝青的蠕變與恢復(fù)曲線

由圖3可知：改性瀝青的應(yīng)變曲線有一個(gè)明顯的蠕變恢復(fù)階段，而基質(zhì)瀝青的恢復(fù)曲線并不明顯；當(dāng)加入EC120溫拌劑后，基質(zhì)瀝青才表現(xiàn)出蠕變恢復(fù)，這表明EC120溫拌劑對(duì)瀝青蠕變恢復(fù)性能的提高有一定作用.根據(jù)瀝青的蠕變與恢復(fù)曲線，得到瀝青的最大應(yīng)變值，以及蠕變恢復(fù)后的殘余應(yīng)變值，結(jié)果如表2和3所示.

表2 瀝青峰值應(yīng)變

從圖3和表2可以看出：① EC120溫拌劑無(wú)論加入基質(zhì)瀝青還是改性瀝青中均能降低瀝青的峰值應(yīng)變，而Evotherm3G增加了瀝青的峰值應(yīng)變，表明Evotherm3G能夠提高瀝青的流動(dòng)變形特性.② 短期老化后，瀝青的峰值應(yīng)變均小于老化前，基質(zhì)瀝青平均降低了49.5%，改性瀝青平均降低了15.7%，可見短期老化對(duì)基質(zhì)瀝青影響更加明顯.③ 基質(zhì)瀝青的應(yīng)變遠(yuǎn)大于改性瀝青的應(yīng)變，基質(zhì)瀝青峰值應(yīng)變由大到小依次為BA+Evotherm3G，BA，RTFOT/BA+Evotherm3G，BA+EC120，RTFOT/BA和RTFOT/BA+EC120，改性瀝青峰值應(yīng)變由大到小依次為SBS+Evotherm3G，RTFOT/SBS+Evotherm3G，SBS，RTFOT/SBS，SBS+EC120和RTFOT/SBS+EC120.

從圖3和表3中可以看出：① EC120溫拌劑加入瀝青后降低了殘余應(yīng)變，而Evotherm3G溫拌劑卻增加了瀝青的殘余應(yīng)變，表明EC120能夠提高瀝青的蠕變恢復(fù)性能.② 短期老化降低了基質(zhì)瀝青的殘余應(yīng)變，增大了改性瀝青的殘余應(yīng)變，表明短期老化對(duì)基質(zhì)瀝青的蠕變恢復(fù)性有所提高，而對(duì)改性瀝青有所降低.

表3 瀝青殘余應(yīng)變

2.2 蠕變恢復(fù)率

蠕變恢復(fù)率反應(yīng)了瀝青的變形恢復(fù)能力，其值越大，表明瀝青恢復(fù)變形的能力越強(qiáng).圖4和圖5為分別在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下，不同試驗(yàn)溫度t時(shí)短期老化前后瀝青試樣的蠕變恢復(fù)率.

圖4 0.1 kPa應(yīng)力水平下瀝青的蠕變恢復(fù)率曲線

圖5 3.2 kPa應(yīng)力水平下瀝青的蠕變恢復(fù)率曲線

由圖4可知：0.1 kPa應(yīng)力水平下，瀝青的蠕變恢復(fù)率隨溫度升高而降低；EC120溫拌劑加入瀝青后，瀝青蠕變恢復(fù)率均得到提升，而Evotherm3G溫拌劑卻降低了瀝青的蠕變恢復(fù)率；短期老化對(duì)基質(zhì)瀝青的蠕變恢復(fù)率有所提升，但降低了改性瀝青的蠕變恢復(fù)率.

由圖4和圖5可知：在3.2 kPa應(yīng)力水平下瀝青的蠕變恢復(fù)率較0.1 kPa時(shí)總體上有所降低，表明增大應(yīng)力水平會(huì)降低瀝青的蠕變恢復(fù)率；表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律性與0.1 kPa相同，瀝青的蠕變恢復(fù)率隨溫度升高而降低，且EC120增加了瀝青的蠕變恢復(fù)率，Evotherm3G則降低了瀝青的蠕變恢復(fù)率，兩種溫拌劑對(duì)瀝青蠕變恢復(fù)率的影響表現(xiàn)相反.

2.3 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/h3>

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠从碁r青在不同應(yīng)力水平下的抗永久變形的能力，其值越小，瀝青的抗變形能力越強(qiáng)，高溫性能越好.圖6和圖7為分別在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下，短期老化前后瀝青試樣的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?

圖6 0.1 kPa應(yīng)力水平下瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃壳€

圖7 3.2 kPa應(yīng)力水平下瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃壳€

由圖6可知：0.1 kPa應(yīng)力水平下，瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃烤S溫度的升高而增大，且溫度對(duì)基質(zhì)瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康挠绊懕雀男詾r青更加明顯；EC120總體上降低了瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，表明EC120提升了瀝青高溫性能；Evotherm3G增加了瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，表明Evotherm3G降低了瀝青的高溫性能；短期老化后基質(zhì)瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃拷档兔黠@，表明短期老化提升了基質(zhì)瀝青的高溫性能；短期老化增大了改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，表明短期老化降低了改性瀝青的高溫性能.

由圖6和圖7可知：整體上3.2 kPa應(yīng)力水平下瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃勘?.1 kPa應(yīng)力水平下有所增大，表明應(yīng)力水平也會(huì)影響瀝青的高溫性能，且低應(yīng)力水平下瀝青高溫性能更好.

2.4 應(yīng)力敏感性

應(yīng)力敏感性表征了瀝青對(duì)應(yīng)變變化的敏感程度，恢復(fù)率的應(yīng)力敏感性可用恢復(fù)率差值的變化率Rdiff來(lái)評(píng)價(jià)，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康膽?yīng)力敏感性可用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康南鄬?duì)差異Jnr-diff來(lái)評(píng)價(jià).圖8和圖9分別為計(jì)算得到的瀝青應(yīng)力敏感性指標(biāo)Rdiff和Jnr-diff曲線.

圖8 瀝青的應(yīng)力敏感性指標(biāo)Rdiff曲線

由圖8可知：基質(zhì)瀝青較改性瀝青具有更大的Rdiff，且溫度越高，瀝青恢復(fù)率的應(yīng)力敏感性越大；EC120溫拌劑降低了基質(zhì)瀝青恢復(fù)率的應(yīng)力敏感性，Evotherm3G溫拌劑則對(duì)改性瀝青恢復(fù)率的應(yīng)力敏感性有所提高.

由圖9可知：改性瀝青的Jnr-diff比基質(zhì)瀝青更大；相對(duì)于Evotherm3G，EC120對(duì)瀝青Jnr-diff的影響更為明顯，提高了瀝青的Jnr-diff.

圖9 瀝青的應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff曲線

由于Evotherm3G溫拌劑是一種液態(tài)的表面活性劑產(chǎn)品，主要通過改變?yōu)r青的表面能來(lái)影響其性能；而EC120溫拌劑屬于蠟質(zhì)添加劑，主要是通過其低熔點(diǎn)特性來(lái)影響瀝青性能.因此，兩種溫拌劑對(duì)瀝青的改性結(jié)果和作用機(jī)理有著明顯的區(qū)別.

3 結(jié) 論

1)Evotherm3G溫拌劑增加了瀝青的應(yīng)變，提高了瀝青流動(dòng)變形能力，降低了瀝青的蠕變恢復(fù)率，而EC120溫拌劑降低了瀝青的應(yīng)變，提高了瀝青蠕變恢復(fù)率.

2)Evotherm3G溫拌劑提高了瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，降低了瀝青的高溫性能，而EC120溫拌劑降低了瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，增加了瀝青高溫性能.

3)兩種溫拌劑均能不同程度地提高瀝青的應(yīng)力敏感性，相對(duì)而言，Evotherm3G溫拌劑對(duì)瀝青的Rdiff提高更為明顯，而EC120溫拌劑對(duì)瀝青的Jnr-diff提高更為明顯.

4)短期老化對(duì)瀝青的高溫性能影響明顯，短期老化增大基質(zhì)瀝青的高溫性能，但對(duì)改性瀝青高溫性能有所削弱.