基于MSCR试验的温拌阻燃沥青高温性能评价与分级_刘圣洁.pdf

，.，.基金项目：国家自然科学基金（）；广西重点研发计划项目（；）；江西省重点研发项目（）；中国博士后科学基金项目（）；中央高校基本科研业务费项目（）（），（，），（），（），（）：.基于 试验的温拌阻燃沥青高温性能评价与分级刘圣洁，林 钰，李梦然，周胜波 河海大学土木与交通学院，南京 华设设计集团股份有限公司，南京 广西交投科技有限公司，南宁 本研究利用 号道路石油沥青和 改性沥青，将温拌剂（）、氢氧化铝（）和有机蒙脱土（）与沥青复配，制备成三种不同阻燃剂掺量（质量分数）的温拌阻燃沥青，采用多应力蠕变恢复（）试验开展对温拌阻燃沥青高温性能的评价。分别对温拌阻燃沥青在 下的应变变化、蠕变恢复率（）、不可恢复蠕变柔量（）及其相应应力敏感性指标（、）进行分析，并依据 标准对不同阻燃剂掺量的温拌阻燃沥青进行交通分级。结果表明：随着阻燃剂掺量的提高，两种类型沥青的应变值减小，值呈减小趋势，值呈增大趋势；阻燃剂掺量较低时，提高其掺量对沥青结合料的高温性能改善效果更加明显；温拌阻燃沥青（道路石油沥青）的 值不满足 标准中“”的要求。温拌阻燃沥青的 值均能满足 标准中“”的要求。温拌阻燃沥青（道路石油沥青）未达到标准交通要求而无法分级，温拌阻燃沥青（改性沥青）在 阻燃剂掺量下达到特重交通的标准，在、掺量下达到极重交通的标准，因此温拌阻燃沥青（改性沥青）的高温性能更好。基于对温拌阻燃沥青蠕变力学指标、高温交通分级和经济性的综合考虑，推荐复配阻燃剂（、的质量比为 ）的最佳掺量为。关键词 温拌剂 阻燃剂 改性沥青 多应力蠕变恢复（）试验 性能分级中图分类号：文献标识码：，（），（）（）（）（），（），（）（，），（）（），（），（），（），引言由于良好的力学性能和行车舒适性，沥青路面成为隧道路面铺装的主要形式。但沥青作为一种高分子化合物，在隧道等封闭性路段发生火灾事故时，易发生热分解和燃烧，释放大量有毒有害烟气，对人体健康、生态环境以及路面性能造成严重危害。同时，常用的热拌沥青混合料在生产与施工过程中不仅消耗大量的能源，还释放大量浓烟以及有害气体，严重影响周边环境和施工人员的身体健康。随着国家对节能减排和健康安全理念的愈加重视，综合利用温拌技术和阻燃技术，降低施工阶段沥青烟气排放、减少运营期间突发火灾时路面受热生烟，具有重要的工程意义。国内外学者对温拌阻燃沥青性能开展了广泛研究，也取得了丰厚的成果，但对沥青高温性能的评价多采用软化点、粘度及动态剪切流变（）试验的车辙因子指标（）。常规的软化点等物理现象学指标作为一种经验性指标缺乏可靠性；流变学指标车辙因子虽然被广泛使用，但是因其无法准确地评价改性沥青的高温性能而受质疑。指标存在以下不足：试验采用可逆连续交变荷载，加载循环次数不足以使沥青结合料达到稳定状态，无法模拟车辙在路面现场产生的机制；基于一个加载周期内的总应变能得到的 仅分析了沥青的粘弹性成分，而体现其变形恢复能力的延迟弹性成分却被忽略。年，作为高性能沥青路面（）技术规范的补充，美国沥青协会提出采用多应力重复蠕变恢复试验（）来评价改性沥青的高温性能，并将其编入 和 标准规范中。试验将 下不可恢复蠕变柔量与沥青混合料车辙性能联系起来，准确地体现沥青材料在不同荷载水平下的蠕变力学特性，反映沥青路面在真实交通荷载作用下的重复加载与卸载的变形情况，其作为评价沥青结合料高温性能的规范方法已被广泛认可。目前，国内外已有部分研究者应用 试验对不同的改性沥青（改性沥青、橡胶改性沥青、生物油改性沥青、聚磷酸改性沥青、再生材料改性沥青）及温拌沥青开展研究与评价，但对温拌阻燃沥青高温流变性能的研究较少。本工作利用温拌剂（）、氢氧化铝（）和有机蒙脱土（）复配制备温拌阻燃沥青，采用 方法对其高温性能进行分级表征和评价分析，为后期温拌阻燃沥青在实际道路工程中的推广应用提供基础性数据。实验 原材料本研究所用沥青为壳牌 号道路石油沥青和 改性沥青，号道路石油沥青的针入度（）为（），软化点为，延度（）大于 ；改性沥青的针入度（）为（），软化点为 ，延度（）为。温拌剂采用，为白色球状颗粒，阻燃剂采用氢氧化铝（）和有机蒙脱土（），试验所用的 是来自扬州帝蓝化工原料有限公司生产的 目细度的白色粉末，有机蒙脱土来自信鸿新材料公司生产的 目细度的白色粉末。样品制备本研究采用高速剪切法制备温拌阻燃沥青。在前期研究的基础上，本次采用的温拌剂 的用量为沥青质量的，采用的 复配阻燃剂总掺量分别为沥青质量的、和，其中、的质量比为 ，共制备六组温拌阻燃沥青。具体制备方法如下：（）首先制备温拌沥青，将道路石油沥青加热至 ，改性沥青加热至 ，而后将 的 投入沥青，采用高速剪切仪剪切，剪切速率为 ，剪切 ，得到两种温拌沥青。（）然后将温拌道路石油沥青放置于烘箱中加热至（），将温拌 改性沥青加热至（），使其完全熔融；称取一定质量的两种温拌沥青，控制各自温度稳定不变，分别加入不同质量分数（、和）的 复合物，以 的转速剪切，使阻燃剂均匀分散到沥青中；最后，将转速调至 ，继续剪切 ，充分排除沥青中的气泡。温拌阻燃沥青制备完成后，按照试验方案制备相应试件。为后续表述方便，将温拌阻燃沥青（道路石油沥青）命名为 型沥青，温拌阻燃沥青（改性沥青）命名为 型沥青。试验方法首先对六种沥青样品进行旋转薄膜烘箱（）短期老化试验，再对短期老化残留物进行 试验，试验选取的温度为 。本试验参考 规范执行，对三种不同阻燃剂掺量下的两类沥青（共六个试样）分别采用两种蠕变应力水平（，）进行连续的“加载卸载”循环测试。每个试样总试验时间为 ，共 个周期，包括前面 下的 个周期和后面 下的 个周期。每个周期包括 的加载蠕变阶段和 的卸载恢复阶段。试验中使用的低应力水平和高应力水平分别表征了沥青结合料在线性粘弹性区域和非线性粘弹性区域的行为。需要说明的是，在 应力下的前 个加载周期仅用于调节试样，是为了确保测试样品能够达到稳定条件，不参与最终的数据分析计算。图 为一个典型 加载周期内沥青的变形情况。图 沥青在一个 加载周期内的应变曲线 通过 仪器自动记录每个加载卸载循环周期内两种不同应力水平下的相关应变数据。根据 计算方法，从 试验中可得到两个主要参数：不可恢复蠕变柔量 和蠕变恢复率。根据两种应力水平（、），可获得六个评价指标，分别是、和。蠕变恢复率 和不可恢复蠕变柔量 的计算如式（）和式（）所示：（）（）式中：为每个加载周期内的峰值应变；为每个加载周期基于 试验的温拌阻燃沥青高温性能评价与分级 刘圣洁等 内的残余变形；为每个加载周期内的初始应变；为每个加载周期内的应力水平。通常，蠕变恢复率 值反映了沥青的变形恢复能力，其值越大表明沥青恢复变形的能力越强；值反映了沥青在较大应力下的非线性流变响应，其与沥青混合料的抗车辙性能相关性较好，可用于表征沥青结合料的抗车辙性，较高的 值表示较低的车辙性能。沥青的应力敏感性可用不可恢复蠕变柔量和蠕变恢复率的相对差异 和 来描述。应力敏感性指标反映了沥青结合料对应力变化（从 到 ）的敏感性，能够评估沥青结合料力学响应的非线性特征，应力敏感性越高，表明材料在应力水平从低到高过渡时的非线性特征越明显。规范将高温下沥青结合料的 值限制在以下，确保沥青结合料在实际应用中遇到比实验室考虑的更高的应力或更高的温度（路面承受意外的重载或路面温度异常升高）时不会失效。和 的应力敏感性参数由式（）和式（）得到：（）（）式中：和 分别为 、应力水平作用下 次蠕变恢复周期内所求得的不可恢复蠕变柔量 值的平均值；和 分别为 、应力水平作用下 次蠕变恢复周期内所求得的变形恢复率 值的平均值。结果与分析 应变变化分析分别绘制三个掺量下两种类型沥青（六组样品）在不同应力水平（、）下的应变曲线，如图 和图 所示。从图 和图 的应变大小关系可以看出，随着阻燃剂掺量的增加，沥青的应变相应减小，说明阻燃剂的加入提升了沥青的抗流动变形特性。魏建国等研究认为阻燃剂作为无机填料可以替代部分矿粉，阻燃剂与沥青吸附后形成结构沥青。郭锰的研究表明，结构沥青与自由沥青有较为明显的力学性质差异，加入沥青中的不同填料则会与沥青发生交互作用，填料的不同会导致这种交互作用不同，从而导致结构沥青和自由沥青的力学性质差异更明显。本工作也发现不同阻燃剂掺量下沥青力学性质存在明显的差异，推测其原因是阻燃剂作为一种粉末外加剂加入到沥青中，与沥青发生吸附后形成结构沥青，从而影响沥青的力学性能。同时，经高速剪切分散于沥青后可能形成了剥离型或插层型纳米复合结构，沥青分子插入到 片层之间，进一步与 改性沥青的轻质组分产生交联，形成了更加完善的空间网状结构，使沥青变得更加硬稠，从而提高了沥青中的弹性成分比例，增强了阻燃沥青的高温抗变形能力。对于 型沥青（见图），三种不同阻燃剂掺量下的沥青在两种应力（、）下都产生较大应变，应变随时间呈阶梯状累积，每一个测试周期内，应力卸载后沥青变图 型沥青的应变变化：（）、（）：（），（）图 型沥青的应变变化：（）、（）：（），（）形几乎无法恢复，其残余变形接近于初始变形，弹性成分几乎缺失，表明 型沥青在加载过程中的蠕变变形类型主要是粘性流动变形。对于 型沥青（见图），在每个周期卸载后的剩余 时间内，沥青的应变逐渐减小，残余变形也减小，这说明改性沥青粘性成分中的延迟弹性成分发挥作用，使得变形部分不断得到恢复，表明 型沥青在加载过程中的蠕变变形类型材料导报，（）：主要是延迟弹性变形。随着“加载卸载”循环作用次数增加，型沥青的延迟弹性变形逐渐累积，从应变曲线的发展趋势来看，其变形恢复的趋势随着时间的推移逐渐趋于稳定。对比图 和图 可以发现，型沥青在各应力下的应变变化都比同应力、同温度条件下的 型沥青的应变小一个数量级，这表明 改性剂成分的存在大幅增强了沥青的高温抗变形能力。两种沥青在每个 试验周期的第 加载阶段具有相似的蠕变变形趋势，但在变形恢复阶段，型沥青表现出线性粘性流体的特性，而 型沥青表现出粘弹性流体的特性。应力水平的提高和荷载循环作用次数的增加都会使得沥青的累积应变相应增大，因此对沥青材料进行 试验时，荷载的应力大小和作用次数都是影响其高温抗变形能力的重要因素。蠕变恢复率 图 为两种应力（、）下温拌阻燃沥青 试验的蠕变恢复率 值。试验采用蠕变恢复率 来评价沥青的延迟弹性，值增加，表明沥青中的弹性组分比例提高，其可恢复应变在总应变的比例也提高，残余应变的比例相应降低，最终沥青的弹性变形能力和高温抵抗车辙变形的能力增强。图 不同阻燃剂掺量下两种沥青的 值：（）、（）：（），（）由图 可以看出，在相同试验温度（）下，两类沥青的弹性恢复率 值均随着阻燃剂掺量的提高有所增大，但不同应力水平下，两类沥青的 值增长幅度各有不同。对 型沥青，在 应力水平下，阻燃剂掺量从 增加到、从 增加到 时，其 值分别对应增加了、；在 应力水平下，其 值随阻燃剂掺量的变化分别对应增加了、。对于 型沥青，在 应力水平下，阻燃剂掺量从 增加到、从 增加到 时，其 值分别对应增加了、；在 应力水平下，其 值随阻燃剂掺量的变化分别对应增加了、。在相同的试验温度、应力水平及阻燃剂掺量时，型沥青的 值明显高于 型沥青。以 应力水平为例，当阻燃剂掺量分别为、时，型沥青的 值比 型沥青的 值分别高、；在 应力水平下，相应掺量下阻燃沥青的 值分别高、。造成两种沥青 值差异的原因可能是 型沥青中的 改性剂在沥青连续相体系发挥了作用，加入沥青后吸收轻质油分发生溶胀，使得沥青稠度增大，同时 能在阻燃沥青中形成更加完善的相互交联的空间网络结构，使得沥青的组分发生了变化。这表明 改性剂可以显著提高沥青 值，增强沥青的弹性变形能力。可用于评估沥青材料的弹性敏感性，值越低，沥青的弹性稳定性越高。通常，较高的弹性稳定性能够确保沥青结合料对高温或者重载有更强的抵抗力和更长的疲劳寿命。由式（）计算得到的 结果如图 所示，从 这一指标来看，一定掺量范围内（）的阻燃剂能够降低沥青的应力敏感性。对于 型沥青，随着阻燃剂掺量的增加，其值呈现减小趋势，但仍然大于，不满足 标准对沥青结合料“”的规定，超过意味着沥青结合料可能处于蠕变破坏阶段，表明 型沥青无法满足高温下抵抗车辙变形的基本要求；而对于 型沥青，值呈现出先减小后增大的趋势，并均满足“”的标准要求。值反映了聚合物网络结构在沥青中的形成程度其值越小说明聚合物网络结构越完整。此外，从图 中可看出，当阻燃剂掺量为 时，型沥青的值最小，表现出较低的应力敏感性，表明沥青结合料具有较高的弹性稳定性来抵抗高温永久变形。而阻燃剂掺量为时，由于掺量较小，阻燃剂与 改性沥青的吸附作用未能充分发挥，仅形成局部网络结构。阻燃剂掺量为 时，由于蒙脱土作为纳米材料，掺量过高导致其在沥青中的分散性差，容易出现团聚现象，使得聚合物网络结构稳定性变差。因此，的阻燃剂可认为是应力敏感性最适宜的掺量。图 值随阻燃剂掺量的变化 （）对比两种沥青可以发现，型沥青的应力敏感性远高于 型沥青。因为由普通道路石油沥青制备而成的温拌阻燃沥青的力学性能和感温性能差，所以其对高温、重载十基于 试验的温拌阻燃沥青高温性能评价与分级 刘圣洁等 分敏感；而由 改性沥青制备而成的温拌阻燃沥青因阻燃剂与 改性沥青产生一定程度的交联作用，形成了更加完整的聚合物网络结构，使沥青结合料变硬，从而改善了沥青的高温性能。不可恢复蠕变柔量 采用不可恢复蠕变柔量 可以评价沥青在重复荷载下的累积应变，并表征沥青的永久变形特性。作为评价高温抗变形能力的指标，其值越高，表明沥青在重复荷载下的永久变形量越大、高温抗变形能力越差。图 为两种沥青在不同应力水平（、）下的 值与阻燃剂掺量的拟合曲线。图 值随沥青阻燃剂掺量的变化：（）、（）（）：（），（）由图 可见，两种沥青的 值与阻燃剂掺量之间均存在良好的幂函数关系，应力水平下拟合优度 大于，应力水平下 均大于。随着阻燃剂掺量的提高，沥青 值逐渐减小，表明阻燃剂的加入能提高沥青的高温性能，增强抗变形能力。以 型沥青为例，在 的应力水平下，当阻燃剂掺量分别从 增加到、从 增加到 时，其对应的 值分别降低了、；同样地，型沥青的 值相应降低了、。可以发现随着阻燃剂掺量进一步提高，沥青的不可恢复蠕变柔量缓慢减小，其 值与阻燃剂掺量关系曲线斜率的绝对值也逐渐减小。这表明当阻燃剂掺量较低时，改变阻燃剂掺量对改性沥青 值有较大影响，当阻燃剂掺量较高（）时，改变阻燃剂掺量对沥青 值的影响较小。在相同的温度、应力水平和阻燃剂掺量时，型沥青的 值远小于 型沥青。以 和 条件为例，当阻燃剂掺量分别为、时，型沥青的 值比 型沥青的 值分别对应降低了 、，这表明 型沥青中 的存在可以极大降低沥青结合料的 值。由式（）计算得到的 结果如图 所示，可以看出，三种掺量下的两种沥青均能满足 标准对值“”的要求。图 值随阻燃剂掺量的变化 （）同时，在较低的阻燃剂掺量（）时，两种沥青的应力敏感性相差无几，而在 和 的掺量下，型沥青 的应力敏感性远小于 型沥青。对 型沥青而言，随着阻燃剂掺量的增加，其 值不断减小，表明阻燃剂掺量的增大能降低 型沥青 的应力敏感性，当阻燃剂掺量为时，其 最小（负数）。值为负数这一现象可以用阻燃剂粉末的硬化效应解释，当阻燃剂掺量较高时，在低应力水平（）下，阻燃剂与 改性沥青形成的聚合物网络结构不能充分发挥作用，沥青仍然承担大部分应力。而随着应力增大到 ，阻燃剂填料开始分担沥青结合料的应力，使得加载结束和恢复阶段的累计应变和残余应变均较小。因此，即沥青的 值为负数。基于 试验的高温分级早期美国公路战略研究计划（）的研究成果 将沥青以 一档进行划分，分为、七个高温等级，并以 短期老化前后沥青车辙因子 分别不小于 和 这一条件对应的临界温度确定沥青的高温等级。但这种等级划分没有充分考虑交通量和车速对永久变形的影响，且不同温度下的测试不能反映路面在设计温度下的实际性能。为了减少低速或静止交通荷载对路面的破坏，以及出于对交通量的考虑，当设计交通等级超过 的当量单轮荷载时，只是简单地将沥青胶结料的高温等级提高一个等级。基于 试验的 分级标准沿用了以车辙因子 为基础的沥青胶结料规范对温度分级的方法，以 为分级新指标，按照对应的交通量情况进一步细分为极重交通（）、特重交通（）、重交通（）、标准交通（）共四个等级，以此考虑交通荷载特性对永久变形的影响。表 为 高温性能分级中对 的试验要求。本工作依据表 对 下的两种沥青类型（共六组样品）进行高温性能和交通分级，结果如表 所示。根据表 的标准，型沥青因为不满足“”的要求，未达到标准交通的要求，所以无法进行交通分级，表材料导报，（）：表 高温性能分级对 试验指标的要求 交通等级交通水平标准交通（）小于 轴次重交通（）轴次特重交通（）大于 轴次或车速小于 极重交通（）大于 轴次且车速小于 表 下沥青的高温性能交通分级 阻燃剂掺量高温性能交通分级 型沥青 型沥青特重（）极重（）极重（）明 型沥青对应力变化的敏感性高，高温抗变形能力较差；而 型沥青在 阻燃剂掺量下达到了特重交通的标准，在和 掺量下达到了极重交通的标准，表明 型沥青具有良好的高温抗变形能力，能承受较高的交通荷载。结论（）随着阻燃剂掺量的提高，沥青的应变相应减小。型沥青表现出线性粘性流体特性，而 型改性沥青表现出粘弹性流体特性。型沥青在各应力下的应变变化都比相同条件下的 型沥青小一个数量级。（）随着阻燃剂掺量的提高，温拌阻燃沥青不可恢复蠕变柔量 值呈减小趋势，蠕变恢复率 值呈增大趋势，阻燃剂的掺入可以适当地提高沥青的高温抗变形能力。（）型沥青的 值远大于 型沥青，值远小于 型沥青，值和 值小于 型沥青（阻燃剂掺量下的 值除外），型沥青的 值和 值均满足 标准中“”的要求，表明 型沥青的高温性能优于 型沥青。（）阻燃剂掺量的提高能够减小沥青的 值，进而提升改性沥青的交通等级，和 阻燃剂掺量下的 型沥青达到了极重交通的标准。（）对于 型沥青，阻燃剂掺量从 增加到 对沥青高温性能的提升效果比从 增加到 更加明显。综合考虑 型沥青的蠕变力学特性、高温交通分级和经济性，推荐复配阻燃剂的最佳掺量为。参考文献 ，（），（），（）任梵，张晓娇，孙海斌，等长安大学学报（自然科学版），（），（），（）王大伟，赫利强，沈鹏中国公路学报，（），（），（）付其林，魏建国，彭文举，等中国公路学报，（），（），（）孙艳娜，李立寒建筑材料学报，（），（），（），（）郭咏梅，许丽，吴亮，等建筑材料学报，（），（），（），（）雷俊安，郑南翔，许新权，等江苏大学学报（自然科学版），（），（），（）余沛涵，聂忆华，孙世恒，等公路工程，（），（），（）魏建国，谢成，付其林中国公路学报，（），（）郭猛 沥青与矿料界面作用机理及多尺度评价方法研究 博士学位论文，哈尔滨工业大学，（），（），（）吴春颖，吕正龙中外公路，（），（责任编辑 赖 丹）刘圣洁，通信作者，河海大学土木与交通学院副教授、硕士研究生导师。年在长安大学公路学院获得道路与铁道工程工学硕士和工学博士学位，年加入河海大学土木与交通学院工作至今，主要从事生态环保型铺面技术与新材料和公路养护技术的研究。以第一作者 通信作者发表学术论文 余篇，其中 余篇。基于 试验的温拌阻燃沥青高温性能评价与分级 刘圣洁等