丁子豪, 倪富健, 李 松, 蔣繼望, 陸永強
(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南京211189; 2.浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司, 浙江 紹興 312000)
與同一地區(qū)的路面相比,鋼橋面鋪裝層高溫作用時間較長,溫度場變化更為劇烈[1],更容易出現(xiàn)車轍、推移和脫空等熱穩(wěn)定型病害,不利于車輛舒適安全地行駛[2].隨著重載車輛的日益增多,早期橋面鋪裝工程中常用的SBS改性瀝青已經(jīng)顯得力不能及.在此背景之下,越來越多的高性能改性瀝青應(yīng)運而生.
南京長江二橋曾大規(guī)模使用環(huán)氧瀝青,其良好的服役狀態(tài)是國內(nèi)大跨徑鋼橋面鋪裝工程的標(biāo)桿[3].高彈瀝青可以適應(yīng)鋼橋面變形量大的特點,疲勞性能突出[4],已被成功地應(yīng)用到南京棲霞山長江大橋[5].高黏瀝青對集料具有極強的黏附性,在排水性路面中良好的使用效果迅速引起了橋面鋪裝研究人員的關(guān)注[6],并在濟南市橋面鋪裝維修工程中得到了良好的反饋[7].重載改性瀝青具有抗永久變形能力強、耐久性好等諸多優(yōu)勢[8],曾被應(yīng)用到滬寧高速公路鋼橋面鋪裝工程,鋪裝層通車1a后仍未出現(xiàn)病害[9].聚氨酯改性瀝青具有良好的高低溫性能及耐疲勞性能,可有效應(yīng)對鋼橋面鋪裝工程中的病害[10].
為了評價瀝青膠結(jié)料的高溫性能,美國SHRP計劃提出瀝青車轍因子(G*/sinδ)指標(biāo),但該指標(biāo)是在線性黏彈性范圍內(nèi)測試得到的,與路面實際受力情況差別較大,難以真實地反映改性瀝青的高溫性能[11].研究人員發(fā)現(xiàn),基于黏彈性理論的多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗,在評價改性瀝青高溫性能方面存在著顯著的優(yōu)勢[12].然而,隨著改性瀝青高溫性能的增強,標(biāo)準(zhǔn)MSCR試驗在反映改性瀝青高溫性能方面也顯現(xiàn)出一定的局限性.針對此弊端,部分學(xué)者指出在MSCR試驗中使用較大應(yīng)力得到的參數(shù),以便更加有效地反映改性瀝青的高溫抗車轍性能[13-14].
鑒于此,本文在標(biāo)準(zhǔn)MSCR試驗的基礎(chǔ)上適當(dāng)擴大應(yīng)力施加范圍,并采用改進(jìn)后的MSCR試驗,定量評價鋼橋面鋪裝常用改性瀝青的高溫黏彈性性能.此外,對不同改性瀝青及其混合料的高溫性能試驗結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析,確定了能夠表征混合料高溫性能優(yōu)劣的瀝青評價指標(biāo),為其在鋼橋面鋪裝領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ).
本文選取鋼橋面鋪裝工程中使用過的3種高性能改性瀝青(以下簡稱A、B、C瀝青)及SBS改性瀝青(以下簡稱D瀝青)作為研究對象.4種改性瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)見表1.
表1 改性瀝青常規(guī)性能指標(biāo)
本文選用鋼橋面鋪裝磨耗層常用級配SMA-13作為瀝青混合料的級配類型,且通過僅改變?yōu)r青膠結(jié)料的類型,來分析不同改性瀝青對其瀝青混合料高溫抗車轍性能的影響.表2給出了SMA-13瀝青混合料的設(shè)計級配,其中粗、細(xì)集料均采用玄武巖,填料使用石灰?guī)r礦粉,且技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》.纖維為短切玄武巖纖維,其用量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%.
表2 SMA-13瀝青混合料設(shè)計級配
不同改性瀝青混合料的最佳瀝青用量通過馬歇爾試驗來確定,A~D瀝青混合料的最佳油石比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為6.0%、6.1%、6.0%、5.9%.
本次研究采用室內(nèi)車轍試驗及動態(tài)蠕變試驗來評價改性瀝青混合料的高溫性能.室內(nèi)車轍試驗中,根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》,碾壓成型尺寸為300mm×300mm×50mm 的混合料試件,每種改性瀝青成型3塊.動態(tài)蠕變試驗中,首先使用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型尺寸為φ150×180mm的改性瀝青混合料,再經(jīng)過鉆芯與切割得到尺寸為φ100×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試件.
AASHTO TP 70《Standard method of test for multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》中的MSCR試驗使用了2級應(yīng)力,分別為0.1、3.2kPa.為了更好地反映改性瀝青的非線性黏彈性能,本次研究額外增加了6.4、12.8、25.6kPa 3級應(yīng)力.因此,本文使用5級應(yīng)力下的MSCR試驗來定量評價不同改性瀝青的高溫性能.MSCR試驗樣本均為經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱短期老化后的瀝青.
本次研究使用安東帕公司生產(chǎn)的MCR-102流變儀進(jìn)行MSCR試驗,試驗溫度設(shè)置為64℃,每級應(yīng)力進(jìn)行10次加載循環(huán),每個加載循環(huán)包括1s的加載階段及9s的卸載階段.
MSCR試驗獲得的主要評價指標(biāo)包括不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr及蠕變恢復(fù)率(R).其中,Jnr通常用來評價瀝青的高溫抗變形能力,且數(shù)值越小,高溫性能越好;R可有效反映瀝青高溫下的彈性恢復(fù)性能,一般情況下,R值越大,瀝青的彈性恢復(fù)性能越好[15].Jnr與R的計算過程如式(1)~(6)所示.
ε1=εc-ε0
(1)
ε10=εr-ε0
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
式中:ε0為每個周期蠕變階段的初始應(yīng)變值,%;εc為每個周期蠕變階段的最終應(yīng)變值,%;εr為每個周期恢復(fù)階段的最終應(yīng)變值,%;τ為施加的剪切應(yīng)力,分別為0.1、3.2、6.4、12.8、25.6kPa;N為相應(yīng)的蠕變恢復(fù)周期數(shù),每級應(yīng)力下取1~10.
AASHTO規(guī)范基于Jnr和R指標(biāo)的結(jié)果,同樣定義了瀝青應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr diff和Rdiff,它反映了應(yīng)力在τ1~τ2(τ1<τ2)變化過程中Jnr和R指標(biāo)的變化情況.一般情況下,瀝青的Jnr diff值越大,其對應(yīng)力的變化越敏感,高溫穩(wěn)定性能也就越差.而Rdiff指標(biāo)可以反映瀝青蠕變恢復(fù)率對應(yīng)力的敏感程度,且瀝青的Rdiff值越小,其彈性恢復(fù)性能受力的變化影響就越小.Jnr diff和Rdiff指標(biāo)的計算見式(7)~(8).
(7)
(8)
室內(nèi)車轍試驗參照J(rèn)TG E20—2011中T0719的方法進(jìn)行,試驗儀器為國產(chǎn)SYD-0719C-2自動車轍儀,試驗溫度為60℃.車轍試驗結(jié)束之后,可在車轍儀的數(shù)字顯示屏上直接讀取試件在45min時的車轍變形d1、60min 時的車轍變形d2以及混合料的動穩(wěn)定度DS,最終取同一改性瀝青3塊車轍板試件的均值作為各參數(shù)的結(jié)果.
動態(tài)蠕變試驗是基于文獻(xiàn)[16]中的相關(guān)方法進(jìn)行的,試驗裝置為UTM萬能試驗機,由加載系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)及控制系統(tǒng)3個部分組成.溫控系統(tǒng)可保證試驗溫度控制在(60±0.5)℃范圍內(nèi).動態(tài)蠕變試驗中軸向壓力設(shè)置為700kPa,且不設(shè)圍壓,加載波形為半正弦波,加載0.1s后卸載0.9s,即1個蠕變恢復(fù)周期為1s.試驗的終止條件為豎向累計應(yīng)變達(dá)到50000μm/m或者重復(fù)加載次數(shù)達(dá)到10000次.
圖1為4種改性瀝青的MSCR試驗曲線圖.由圖1可見:4種改性瀝青的累計應(yīng)變均隨著時間的推移呈增大趨勢,其中D瀝青的累計應(yīng)變最大,B瀝青次之,A、C瀝青相對前兩者較小,且相差不大;對于0.1、3.2kPa 2級較小應(yīng)力,4種改性瀝青的應(yīng)變率都比較小;當(dāng)施加應(yīng)力為6.4kPa時,B、D瀝青的應(yīng)變率開始有明顯的增長趨勢,并在25.6kPa時達(dá)到峰值;A、C瀝青在6.4、12.8kPa下的應(yīng)變率仍處于較低的水平,直至25.6kPa才出現(xiàn)一定的增長趨勢.從累計應(yīng)變的角度分析,A、C瀝青的高溫抗變形能力要明顯強于B、D瀝青,尤其是在應(yīng)力較大的情況之下.
圖1 4種改性瀝青的MSCR試驗曲線Fig.1 MSCR curves of four modified asphalts
進(jìn)一步,對4種改性瀝青在12.8、25.6kPa下的應(yīng)變情況進(jìn)行單獨分析.圖2為4種改性瀝青在12.8k、25.6kPa下的MSCR曲線.由圖2可見:當(dāng)應(yīng)力為12.8kPa時,A、C瀝青仍具有較強的蠕變恢復(fù)能力,B、D瀝青的蠕變恢復(fù)能力顯著降低;當(dāng)應(yīng)力為25.6kPa時,B、D瀝青在第1個周期的卸載階段就出現(xiàn)了累計應(yīng)變不減反增的現(xiàn)象,這說明瀝青在此大應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生了明顯的內(nèi)部破壞,出現(xiàn)了較大的損傷累計,蠕變恢復(fù)能力基本喪失;C瀝青在第6個周期時也開始發(fā)生破壞,但其仍具備一定的蠕變恢復(fù)能力,隨著加載時間的推移,其內(nèi)部損傷會不斷累積,在第10個周期的末端蠕變恢復(fù)能力已經(jīng)較弱;A瀝青在25.6kPa的10個周期內(nèi)一直沒有出現(xiàn)損傷,蠕變恢復(fù)能力仍處于較高的水準(zhǔn).
圖2 4種改性瀝青在12.8、25.6kPa下的MSCR曲線Fig.2 MSCR curves of four modified asphalts at 12.8, 25.6kPa
3.2.1不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>
根據(jù)3.1的分析,當(dāng)應(yīng)力為25.6kPa時,B、C、D 3種改性瀝青均產(chǎn)生了不同程度的內(nèi)部破壞,εr值已經(jīng)不是僅依靠瀝青的彈性恢復(fù)能力而產(chǎn)生的累計應(yīng)變,故本文不討論25.6kPa下各瀝青的Jnr及R值.
4種改性瀝青在0.1~12.8kPa下Jnr值變化情況如圖3所示.由圖3可見,在各級應(yīng)力條件下,不同改性瀝青的Jnr值按照從大到小的順序為D瀝青>B瀝青>A瀝青>C瀝青.從不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康慕嵌确治隹芍?C瀝青的高溫性能最好,A瀝青次之,然后是B瀝青,D瀝青高溫性能最差.
圖3 4種改性瀝青在不同應(yīng)力下的Jnr值Fig.3 Jnr values of four modified asphalts at different stresses
3.2.2不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繎?yīng)力敏感性指標(biāo)
4種改性瀝青的Jnr diff值如圖4所示.由圖4可見:A、C瀝青的Jnr diff(0.1, 3.2)及Jnr diff(0.1, 6.4)均小于0,說明A、C瀝青對較小的應(yīng)力變化非常不敏感;B、D瀝青的Jnr diff(0.1, 3.2)均大于50%,Jnr diff(0.1,6.4)均大于100%,且前者要略大于后者,故B瀝青對較小的應(yīng)力變化最為敏感;當(dāng)施加應(yīng)力在0.1~12.8kPa之間變化時,A、C瀝青的Jnr diff(0.1,12.8)值開始增大,但仍明顯小于B、D瀝青,B、D瀝青對較大的應(yīng)力變化非常敏感,從而解釋了前文中提到的這2種瀝青在25.6kPa下第1個蠕變恢復(fù)周期即出現(xiàn)內(nèi)部損壞的原因;C瀝青對較大應(yīng)力的敏感程度低于B、D瀝青,但要明顯高于A瀝青,所以其在25.6kPa下的第6個周期才出現(xiàn)了一定的破壞;A瀝青的Jnr diff(0.1,12.8)值最小,故其對較大的應(yīng)力變化敏感程度最低,保障了其能夠在25.6kPa下仍保持良好的蠕變恢復(fù)性能.
圖4 4種改性瀝青的Jnr diff值Fig.4 Jnr diff values of four modified asphalts
3.2.3蠕變恢復(fù)率
4種改性瀝青不同應(yīng)力下的蠕變恢復(fù)率如圖5所示.由圖5可見:B、D瀝青的R值隨著應(yīng)力的提高而顯著減小,說明其彈性恢復(fù)性能隨著應(yīng)力的提高而迅速衰減;對于A、C瀝青,當(dāng)應(yīng)力在0.1~3.2kPa 之間變化時,其R值反而呈增大趨勢,這是由于較小的應(yīng)力還沒有達(dá)到它們內(nèi)部改性劑的最佳工作狀態(tài),隨著應(yīng)力的提高,改性劑的潛能才被逐漸激發(fā),改性瀝青的彈性性能因此會有所提高;當(dāng)應(yīng)力大于3.2kPa時,A、C瀝青的彈性性能也開始隨著應(yīng)力的變大而逐漸降低.顯然,若MSCR試驗中應(yīng)力水平過低,部分改性瀝青的黏彈性性能就不能被較好地表征.綜上,C瀝青在0.1~12.8kPa之間的彈性恢復(fù)性能最佳,A瀝青次之,B瀝青在較大應(yīng)力狀態(tài)下弱于A瀝青,而D瀝青的彈性恢復(fù)性能最差.
圖5 4種改性瀝青在不同應(yīng)力下的R值Fig.5 R values of four modified asphalts at different stresses
3.2.4蠕變恢復(fù)率應(yīng)力敏感性指標(biāo)
圖6為4種改性瀝青蠕變恢復(fù)率應(yīng)力敏感性指標(biāo)Rdiff的計算結(jié)果.由圖6可見:A、C瀝青的Rdiff(0.1,3.2)及Rdiff(0.1,6.4)均小于0,這與3.2.3提到的改性劑尚未達(dá)到最佳工作狀態(tài)有關(guān).B、D瀝青的Rdiff(0.1,3.2)及Rdiff(0.1,6.4)均大于0,且D瀝青的值要明顯大于B瀝青,這表明較小的應(yīng)力變化就會引起D瀝青彈性性能的降低;當(dāng)應(yīng)力在0.1~12.8kPa之間變化時,A、C瀝青的Rdiff(0.1,12.8)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于B、D瀝青,這表明較大的應(yīng)力變化對A、C瀝青彈性性能的衰減影響較小;D瀝青的Rdiff值要明顯大于其余3種改性瀝青,這表明D瀝青的彈性性能對應(yīng)力的變化最為敏感,更容易在應(yīng)力增大的過程中失去其彈性恢復(fù)性能.
圖6 4種改性瀝青的Rdiff值Fig.6 Rdiff values of four modified asphalts
4種改性瀝青混合料車轍試驗結(jié)果見表3.由表3可見:A瀝青混合料60min時的總變形量最小,C瀝青混合料略大于A瀝青混合料,D、B瀝青混合料的總變形量明顯大于前兩者,且B瀝青混合料的變形量最大;在動穩(wěn)定度方面,A瀝青混合料最大,C瀝青混合料略小于A瀝青,D瀝青混合料位列第3,而B瀝青混合料的動穩(wěn)定度最小.根據(jù)車轍試驗的結(jié)果可知,4種改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能強弱順序為:A瀝青混合料>C瀝青混合料>D瀝青混合料>B瀝青混合料.
表3 車轍試驗結(jié)果
瀝青混合料的典型動態(tài)蠕變試驗由初始階段、第2階段及第3階段組成.4種改性瀝青混合料的動態(tài)蠕變曲線見圖7.由圖7可見:B、D瀝青混合料已經(jīng)進(jìn)入到第3階段,D瀝青混合料豎向累計變形達(dá)到50000μm/m時的加載次數(shù)要明顯小于B瀝青混合料;A、C瀝青混合料仍穩(wěn)定處于第2階段,相同時間內(nèi)A瀝青混合料的豎向累計變形更小.
圖7 4種改性瀝青混合料的蠕變曲線Fig.7 Creep curves of dynamic creep test of four modified asphalt mixtures
對蠕變曲線作進(jìn)一步的分析,使用相關(guān)方法確定初始階段與第2階段的臨界點及流變次數(shù)[17],并對初始階段和第2階段的曲線進(jìn)行了函數(shù)擬合,結(jié)果見表4.相關(guān)研究表明,瀝青混合料蠕變試驗第2階段曲線的斜率(第2階段的應(yīng)變率)及流變次數(shù)指標(biāo)可以較好地評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能[18].一般情況下,瀝青混合料第2階段的應(yīng)變率越小,流動次數(shù)越大,其高溫穩(wěn)定性能就越強.根據(jù)表4第2階段的應(yīng)變率及流變次數(shù)2項指標(biāo),可以得到4種改性瀝青混合料高溫抗永久變形能力的強弱順序為:A瀝青混合料>C瀝青混合料>B瀝青混合料>D瀝青混合料.
表4 4種改性瀝青混合料動態(tài)蠕變曲線的相關(guān)參數(shù)
為了研究改性瀝青對瀝青混合料高溫性能的影響,進(jìn)一步對改性瀝青高溫性能評價指標(biāo)與混合料高溫性能評價指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析.對于瀝青膠結(jié)料,選取MSCR試驗中可以直接反映瀝青高溫性能的Jnr及R;對于瀝青混合料,選取室內(nèi)車轍試驗得到的動穩(wěn)定度指標(biāo)及動態(tài)蠕變試驗得到的第2階段應(yīng)變率指標(biāo).
圖8為改性瀝青混合料高溫性能評價指標(biāo)與Jnr指標(biāo)擬合曲線.由圖8可見:Jnr與動穩(wěn)定度之間的回歸曲線呈單調(diào)遞減,表明隨著改性瀝青Jnr的提高,其混合料的動穩(wěn)定度有減小的趨勢,混合料的抗車轍性能會逐步降低;而Jnr與第2階段應(yīng)變率之間存在較好的單調(diào)遞增線性關(guān)系,也就是說,改性瀝青Jnr值越大,其混合料動態(tài)蠕變試驗第2階段的應(yīng)變率就越大,混合料會更快地進(jìn)入到蠕變第3階段,最終發(fā)生流動破壞;與動穩(wěn)定度指標(biāo)相比,第2階段應(yīng)變率指標(biāo)與Jnr之間的相關(guān)系數(shù)更大,4個加載應(yīng)力下R2均大于0.85,表明第2階段應(yīng)變率與Jnr之間的相關(guān)性較好.
圖8 改性瀝青混合料高溫性能評價指標(biāo)與Jnr指標(biāo)擬合曲線Fig.8 Fitting curves of high-temperature evaluation parameters of modified asphalt mixtures and Jnr of modified asphalts
圖9為改性瀝青混合料高溫性能評價指標(biāo)與R指標(biāo)擬合曲線.由圖9可見:當(dāng)應(yīng)力為0.1kPa時,R與動穩(wěn)定度及第2階段應(yīng)變率之間的相關(guān)性均較差,R2分別僅為0.1346與0.5768,這表明改性瀝青在0.1kPa下的蠕變恢復(fù)能力難以真實反映其混合料的高溫性能;隨著應(yīng)力水平的提高,R與第2階段應(yīng)變率之間的相關(guān)系數(shù)明顯增大,介于0.93~0.95之間,表明兩者之間具有良好的相關(guān)性;R與第2階段應(yīng)變率之間的擬合函數(shù)均為單調(diào)遞減函數(shù).因此,隨著改性瀝青高溫下彈性恢復(fù)性能的增強,其混合料蠕變試驗第2階段的應(yīng)變率就會越小,混合料的高溫抗永久變形能力也就越強.
圖9 改性瀝青混合料高溫性能評價指標(biāo)與R指標(biāo)擬合曲線Fig.9 Fitting curves of high-temperature evaluation parameters of modified asphalt mixtures and R of modified asphalts
綜合上述相關(guān)性分析結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:Jnr及R指標(biāo)與動態(tài)蠕變試驗第2階段應(yīng)變率之間的相關(guān)性要優(yōu)于動穩(wěn)定度.因此,動態(tài)加載下的蠕變試驗要比室內(nèi)車轍試驗更能體現(xiàn)改性瀝青的高溫黏彈性性能.此外,當(dāng)應(yīng)力為0.1kPa時,Jnr及R指標(biāo)與混合料高溫性能評價指標(biāo)之間的相關(guān)性均較差,故使用較大應(yīng)力下MSCR試驗的結(jié)果評價瀝青混合料的高溫性能更為可靠.
(1)MSCR試驗中,3種高性能改性瀝青的累計應(yīng)變均小于普通SBS改性瀝青;當(dāng)應(yīng)力在0.1~12.8kPa范圍內(nèi)時,Jnr值大小順序為:D瀝青>B瀝青>A瀝青>C瀝青;A、C瀝青的R值要遠(yuǎn)大于B、D瀝青;A瀝青的Jnr值對較大的應(yīng)力變化最不敏感,D瀝青的蠕變恢復(fù)率應(yīng)力敏感程度最高.
(2)室內(nèi)車轍試驗中,A、C瀝青混合料的抗車轍性能明顯優(yōu)于D瀝青混合料,B瀝青混合料要略差;動態(tài)蠕變試驗中,A、B、C瀝青混合料的抗永久變形能力均要優(yōu)于D瀝青混合料.
(3)相較于室內(nèi)車轍試驗,混合料動態(tài)蠕變試驗的結(jié)果與改性瀝青的Jnr、R值之間的相關(guān)性更好,使用應(yīng)力為3.2、6.4、12.8kPa下的Jnr、R值來評價改性瀝青混合料的高溫性能更為合理.
(4)根據(jù)瀝青及瀝青混合料高溫性能試驗結(jié)果,A、C瀝青的高溫性能要明顯優(yōu)于B、D瀝青.因此,在重載交通較多的鋼橋面上,為了減少高溫車轍病害,將A、C瀝青作為鋪裝結(jié)構(gòu)磨耗層的膠結(jié)料具有更為顯著的優(yōu)勢.