高模量沥青高温流变性能的研究.pdf

Aug.2023年8 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.4第4期（总第2 8 3期山西交通科技高模量沥青高温流变性能的研究王素青（山西省交通运输安全应急保障技术中心（有限公司），山西太原030006)摘要：为探究高模量沥青的高温流变特性，采用动态剪切流变试验（DSR）和多应力蠕变恢复试验（M S C R），在不同温度应力条件下，研究了高模量剂掺量对高模量沥青复数剪切模量、车辙因子、蠕变恢复率R、不可恢复蠕变柔量Jar、应力敏感性指标Jnrdir等高温性能指标的影响。结果表明：随着高模量剂掺量的提高，高模量沥青的复数剪切模量、车辙因子及蠕变恢复率指标随之增大，不可恢复蠕变柔量指标减小，说明高模量改性沥青的弹性行为逐渐变好，抗永久变形性能变强；Jnr-difr指标随之增大，应力敏感性变差。关键词：高模量沥青；复数模量；车辙因子；高温流变性能；蠕变特性中图分类号：U414.75文献标识码：A文章编号：10 0 6-352 8（2 0 2 3）0 4-0 0 0 4-0 4Research on Highsh-modulus AsphaltWANG Suqing(Shanxi Transportation Safety and Emergency Support Technology Center(Co.,Ltd.),Taiyuan,Shanxi 030006,China)Abstract:To explore the high-temperature rheological properties of high-modulus asphalt,in this paper,under different temperature and stress conditions,the dynamic shear rheological(DSR)test and themulti-stress creep recovery(MSCR)test were used to study the influence of the dosage of high-modulusagent on the high-temperature performance indexes such as complex shear modulus,rutting factor,creeprecovery rate R,non-recoverable creep compliance Jar,and stress sensitivity index Jnrdir-The results showedthat as the dosage of the high-modulus agent increased,the complex shear modulus,rutting factor,and Rwere increased,and Jnr was decreased,indicating that the elastic behavior of the high-modulus modifiedasphalt was gradually improved and the resistance to the permanent deformation was getting stronger;theJardir was increased,indicating that the stress sensitivity was getting poor.Key words:high-modulus asphalt;complex modulus;rutting factor;high-temperature rheologicalproperties;creep characteristic0引言随着我国经济社会的迅速发展，公路交通量迅速增长，交通重载问题也日益突出。在高温重载的耦合作用下，沥青路面的车辙病害也愈加严重。针对高温重载条件下引发的路面车辙问题，现已从路面材料、结构设计等方面提出多种处治措施。其中，高模量沥青材料以其优良的抗高温变形能力，在防治沥青路面车辙病害方面得到了广泛的应用!。现阶段，常用的3种高模量实现方式分别为：直接采用硬质沥青；利用天然沥青改性；聚合物改性剂改性。其中高模量改性剂由于改性效果好、工艺简单而得到了广泛的应用。高模量沥青通过改善沥青材料的高温性能指标来提高路面结构的抗车辙能力，因此，对其高温性能指标的研究评价尤为重要。目前，我国评价沥青材料的高温性能以针入度、软化点指标为主，无法全面精确地表征高模量沥青材料的黏弹性特征。因此本文以两种常用的改性剂制备高模量沥青，通过DSR和MSCR试验，以复数模量、车辙因子、蠕变恢复率R、不可恢复变柔量J.及应力敏感性指标Jar-dir作收稿日期：2 0 2 2-12-2 9；修回日期：2 0 2 3-0 2-2 8作者简介：王素青（19 9 4一：），女，山西原平人，工程师，工学硕士，2 0 19 年毕业于长安大学道路与铁道工程专业王素一充变性能的研究2023年第4期为评价指标，对高模量沥青的流变特性及蠕变指标展开分析研究。1原材料性能1.1沥青基质沥青选取A级7 0 号道路石油，技术指标见表1。表1基质沥青技术指标技术指标技术要求测定值试验方法针人度（2 5)/0.1mm608069.0T0604软化点/4646.6T 0606延度（15)/cm100100T0605针人度指数PI-1.5+1.00.22T 06041.2高模量剂为制备合格的高模量沥青，本文采用两种市面上常见的改性剂PRM和XT系列改性剂。根据相关资料，PRM推荐掺量约为7.5%2 0%（以沥青质量为基数），XT-2掺量约为5%15%。技术指标见表2。表2改性剂技术指标技术指标PRMXT-2外观灰黑色固体颗粒黑色固体颗粒直径/mm534熔点/170160170密度/gcm)0.940.900.9391.3制备工艺将基质沥青加热升温至16 0，缓慢掺1/2 高模量剂，边搅拌边加热，当温度升至17 0 18 0 时掺人剩余高模量剂，搅拌均匀并剪切1h。2流变性能指标研究本文试验仪器选用SmartPave102型动态剪切流变仪（DSR）。在一定温度条件下，将样品置于上下板之间，测试时控制应力或应变水平，并控制马达以一定的速度旋转（剪切速率)或是一定的幅度摆动，测出所需要的扭矩，进而得到样品的剪切模量或其他指标。为保证材料处于线性黏弹区，在选定的试验温度和荷载频率条件下，该试验将应变水平控制在0.1%。2.1高模量沥青的复数模量研究研究表明，改性沥青6 0 复数剪切模量指标与混合料的模量指标相关性较好 2-3,因此本文将6 0(10 rad/s，12%）复数剪切模量作为评价高模量沥青流变特性的指标之一。通过DSR试验，对比不同改性剂掺量对60复数剪切模量的影响，试验结果见图1所示，由图1可知，6 0 复数剪切模量指标随高模量剂掺量的增加而增大，这可能是由于高模量剂的掺人在沥青材料中形成了网状结构，提高了其弹性变形能力。25-PRM09XT-22015102.55.07.510.012.5掺量/%图1复数模量试验结果根据美国SHRP评价方法，只有当6 0（10 rad/s，12%）复数模量不小于10 kPa才可称为高模量沥青，因此要求两种高模量剂的掺量均需达到7.5%及以上。同时，从复数模量指标来看，国产高模量改性剂XT-2的改性效果要优于PRM。2.2高模量沥青的车辙因子研究本文提出以高模量沥青材料来应对高温重载条件下导致的车辙问题，故选取7 6、5Hz条件下的车辙因子 4作为评定其在高温重载情况下抗车辙能力的技术指标，车辙因子试验结果如图2 所示20PRMXT-2151052.55.07.510.012.5掺量/%图276车辙因子试验结果由图2 可知，7 6 车辙因子指标的变化趋势同复数模量指标相似，与改性剂掺量呈正相关关系，高温抗车辙能力随之改善增强。在7 6、5Hz模拟高温重载的试验条件下，2.5%PRM和2.5%XT-2改性沥青的车辙因子指标分别为2.6 2 kPa和2.9 2 kPa，均超过了规范1.0 kPa的要求。3蠕变特性研究所谓的车辙病害，即为由于重复的行车荷载作用而导致的不可恢复变形逐步累积的一个结果。同时，也有研究认为，车辙因子指标与实际道路的抗车辙变形能力的相关性不好 5，而重复蠕变累积变形能够更好地反映沥青材料的高温失效特性。因此，本文通过MSCR试验，在不同的温度及应力条件下，对高模量沥青的变性能指标展开试验研究。3.1变恢复率R蠕变恢复率R值越大，材料的弹性变形性能越好，nr6山西交通科技2023年第4期抗永久变形能力也就越好，试验结果如图3所示。100PRM30XT-2PRMXT-22580%/0y.09%y209206015401020512.505.07.510.02.55.07510.012.5掺量/%掺量/%a.60,0.1 k P ab.60,3.2 k P a70r7+-PRM60-PRM6.XT-2XT-250%y.9L5404303202101002.55.07.510.012.52.55.07.510.012.5掺量/%掺量/%c.76,0.1 k P ad.76,3.2 k P a图3蠕变恢复率R试验结果由图3可知，高模量沥青的蠕变恢复率指标R随着改性剂掺量的增加也在逐步增大，延迟弹性恢复性能变好。掺量达到10%以后，指标的增长速度加快，改性效果也就愈加显著。对比不同温度条件下的试验结果发现，温度升高，R值减小，表明高温条件对导致沥青材料的弹性恢复能力变差；温度一定，应力增大时，R值减小，表明重载也不利于沥青的弹性恢复能力；在76，3.2 k P a 试验条件下，低掺量改性沥青的蠕变恢复率已经为0，此时改性沥青结构已经发生破坏，不再具有弹性恢复能力3.2不可恢复变柔量J.永久变形量更多地依赖于不可恢复蠕变柔量值6，因此不可恢复蠕变柔量J.越小，沥青材料抗高温越好，试验结果如图4所示。0.81.0PRM-XT-20.7-PRMXT-20.8+0.6F0.60.40.4H0.30.20.20.10.0F0.052.55.07.510.012.52.55.07.510.012.5掺量/%掺量/%a.60,0.1 k P ab.60,3.2 k P a6-PRM7XT-2-PRM56.XT-254D.9L433221102.55.07.510.012.55.07.510.012.5掺量/%掺量/%c.76,0.1k P ad.76,3.2 k P a图4指标厂试验结果由图4可知，高模量剂掺量的增加会使高模量沥青的J.指标逐渐减小，永久变形量越小，即高温性能也越好。试验中使用的两种高模量剂均为PE类改性剂，这类该改性剂通常是以在沥青材料中形成的交联王素青温流变性能的研究2023年第4期网状结构来改善高温性能的 7 ,在一定程度下，改性剂的掺量增加，交联固化效果也就越好，抗永久变形的能力也就越好3.3应力敏感性指标J-diffJr-difr指标的试验结果见图5所示。7070PRM-PRM-XT-260-XT-2605050404030302010202.55.07.510.012.52.55.07.510.012.5掺量/%掺量/%a.60b.76 图5指标J.r-dim试验结果由图5分析可知，温度一定时，改性剂掺量增加，Jar-dir也随之增大，高模量改性沥青的应力敏感性增大。温度升高，Jmr-difr指标减小，说明温度升高会使高模量沥青材料的应力敏感性增大。同时在试验中发现，7 6 试验下，12.5%掺量的高模量改性沥青的Jrrdfr增大到1000%以上，说明材料此时很可能已经进人了蠕变破坏阶段。4结论a）高模量沥青的6 0 复数模量和7 6 车辙因子指标均随着改性剂掺量的增加而提高；同时，在7 6、5Hz高温重载条件下，2.5%的高模量剂即可实现较为理想的车辙因子指标。b)针对蠕变特性指标，高模量剂掺量的增加会使R值和Jar-dir增大、J.减小，即高模量沥青的抗永久变形能力增强，但应力敏感性也随之变差。高温条件下，改（上接第3页）参考文献：1 再协.废旧轮胎回收利用迫在眉睫 J.中国资源综合利用，2018,36(8):60.2 林景奋，戴熠，黄晓武，等.废旧轮胎处理及资源化现状研究 J工业安全与环保，2 0 19,45（9）：8 4-8 7.3马涛陈，葱琳，张阳，等.胶粉应用于沥青改性技术的发展综述 J.中国公路学报，2 0 2 1,34（10）：1-16.4张红波，陈海涛，徐升，等.橡胶改性沥青混合料路面建设能耗与碳排放评价 J.公路工程，2 0 2 1，46（3）：154-16 4.5冯志强.超薄磨耗层温拌橡胶沥青混合料性能研究 J.公路，2021,66(11):14-20.性剂掺量过高甚至会导致沥青材料直接变破坏。参考文献：1王辉,张肖宁.外掺剂改性高模量沥青混合料高温性能研究 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