室内老化对应力吸收层高粘高弹沥青性能的影响.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 4.0 0 2室内老化对应力吸收层高粘高弹沥青性能的影响来 羽1,石学文2,李 想3,杨延召4,林振华3,磨炼同3(1.湖北交投双柳长江大桥有限公司,武汉4 3 0 0 0 0;2.河南省豫南高速投资有限公司,信阳4 6 5 5 5 0;3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉4 3 0 0 7 0;4.河南万里交通科技集团股份有限公司,许昌4 6 1 0 0 0)摘 要:为了分析应力吸收层高粘高弹改性沥青在短期和长期老化条件下的性能变化,通过旋转薄膜加热试验(R T F O T)和压力老化试验(P AV)进行室内老化模拟,进行不同老化程度的沥青针入度、延度和软化点对比试验,同时开展沥青老化后的动态剪切流变试验和低温弯曲蠕变试验。试验结果表明短期和长期老化对高粘高弹改性沥青性能有重大影响,沥青分级应按不低于P G 7 6-2 8进行控制。现场沥青应按短期老化后软化点不低于8 0,5 延度不低于4 0c m,且老化后延度残留率不小于8 0%进行控制。关键词:应力吸收层;高粘高弹改性沥青;沥青老化;性能分级E f f e c t so fL a b o r a t o r yA g i n go nP e r f o r m a n c eo fB i t u m e nw i t hH i g hV i s c o s i t ya n dE l a s t i cR e c o v e r yf o rS t r e s sA b s o r b i n gM e m b r a n e I n t e r l a y e rL A IY u1,SH IX u e-w e n2,L IX i a n g3,Y ANGY a n-z h a o4,L I NZ h e n-h u a3,MOL i a n-t o n g3(1.H u b e iC o mm u n i c a t i o n s l n v e s t m e n tS h u a n g l i uY a n g t z eR i v e rB r i d g eC o,L t d,W u h a n4 3 0 0 0 0,C h i n a;2.H e n a nP r o v i n c eY u n a nF r e e w a yI n v e s t m e n tC o,L t d,X i n y a n g4 6 5 5 5 0,C h i n a;3.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS i l i c a t eM a t e r i a l s f o rA r c h i t e c t u r e s,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 7 0,C h i n a;4.H e n a nW a n l iT r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yG r o u pC o,L t d,X u c h a n g4 6 1 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep e r f o r m a n c ec h a n g e so fb i t u m e nw i t hh i g hv i s c o s i t ya n de l a s t i cr e c o v e r yf o rs t r e s sa b s o r b i n gm e m-b r a n e i n t e r l a y e r a f t e r s h o r t-t e r ma n d l o n g-t e r ma g i n gw a s i n v e s t i g a t e d.R o l l i n g t h i n-f i l mo v e n t e s t(R T F OT)a n dp r e s-s u r ea g i n gv e s s e l t e s t(P AV)w e r e c a r r i e do u t f o r l a b o r a t o r ya g i n gs i m u l a t i o n.P e n e t r a t i o n,d u c t i l i t ya n ds o f t e n i n gp o i n tt e s t sw e r ec o n d u c t e do nv a r i o u s a g e da s p h a l t b i n d e r s.D y n a m i c s h e a r r h e o l o g i c a l t e s t(D S R)a n db e n d i n gb e a mr h e o l o g-i c a l t e s t(B B R)w e r ea l s oc o n d u c t e d.T e s t r e s u l t s i n d i c a t e dt h a t s h o r t-t e r ma n d l o n g-t e r ma g i n gh a das i g n i f i c a n t e f f e c to nb i t u m e nw i t hh i g hv i s c o s i t ya n de l a s t i cr e c o v e r yf o rs t r e s sa b s o r b i n gm e m b r a n e i n t e r l a y e r.T h ep e r f o r m a n c eg r a d es h o u l db ec o n t r o l l e da sP G 7 6-2 8a t l e s s.T h eb i t u m e ni ns i t es h o u l db ec o n t r o l l e da ss o f t e n i n gp o i n tn o ts m a l l e rt h a n8 0a n dd u c t i l i t ya t5 n o ts m a l l e rt h a n4 0c ma f t e rR T F OT.F u r t h e r m o r e,t h er e s i d u er a t i oo fd u c t i l i t ya f t e rR T F O Ts h o u l dn o t l e s s t h a n8 0%.K e yw o r d s:s t r e s sa b s o r b i n gm e m b r a n ei n t e r l a y e r;b i t u m e nw i t hh i g hv i s c o s i t ya n de l a s t i cr e c o v e r y;b i t u m e na g i n g;p e r f o r m a n c eg r a d e收稿日期:2 0 2 3-0 7-2 1.作者简介:来 羽(1 9 8 8-),工程师.E-m a i l:2 9 6 8 2 3 6 7 7q q.c o m应力吸收层设计是旧水泥混凝土路面加铺沥青面层的有效防治反射裂缝措施,其要求应力吸收层具有优异的抗疲劳性能、抗剪切性能和抗变形能力等优异的力学性能。为了达到上述力学性能要求,应力吸收层沥青混合料由高粘高弹改性沥青、填料和细集料组成,其中高粘高弹改性沥青是关键材料。高粘高弹改性沥青要求具有优异的抗疲劳性能和低温变形能力,同时还应具有良好的储存稳定性、耐老化性和良好的高温性能等优异性能1。沥青混合料施工过程的短期老化和使用过程中长期老化会使应力吸收层沥青混合料的抗疲劳和低温抗裂等性能衰减,直接影响沥青加铺层的使用耐久性。高粘高弹改性沥青的老化主要是基质沥7建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期青老化和聚合物改性剂降解共同作用的结果,老化后对沥青低温性能和抗疲劳性能影响最为不利。李艳等2研究发现S B S改性沥青在不同老化方式作用下,老化后的性能指标变化均呈现针入度减小、5延度减小和1 3 5运动粘度增大的变化规律,表明老化作用对S B S改性沥青的高、低温性能影响较大。翟金陵等3研究发现改性沥青短期老化后软化点增量指标与D S R的流变指标相关性较好,改性沥青的高温性能指标随老化时间増加变化较明显,提出将软化点增量作为改性沥青质量控制的关键指标。熊奎元等4研究发现随着老化程度增加,改性沥青的软化点呈先增加后减小趋势,劲度模量呈先减小后增加的趋势,S B S改性沥青的低温性能先增加后降低。Y i等5分析了紫外光老化时间对沥青疲劳性能的影响,发现随着老化时间的增加,沥青对应的动态剪切疲劳寿命减小。李超等6通过5延度实验和B B R低温弯曲流变试验发现聚合物改性沥青经R T F OT和P AV后低温抗裂性能下降,并且经P AV后低温性能最差;聚合物改性沥青在-1 2-3 0温度区间内,随温度降低,劲度模量S增大,m值减小,说明聚合物改性沥青随温度的降低,柔性、应力松弛性能和抗裂性能变差。高粘高弹改性沥青老化后的性能可直接影响应力吸收层长期使用耐久性。为了深入了解短期和长期老化对高粘高弹改性沥青性能的影响,通过R T F OT短期老化和P AV长期老化试验对沥青进行室内老化处理,并进行老化前后针入度、软化点和延度试验,同时采用D S R动态剪切流变试验和B B R低温弯曲流变试验对高粘高弹沥青进行P G分级以评价高粘高弹沥青耐老化特性,提出现场沥青质量控制关键指标。1 原材料与试验方法沥青采用豫南高速路面专项工程路面1标和2标提供的特种高粘高弹改性沥青样品,分别编号为1#和2#,其沥青针入度、软化点和延度检测结果见表1。表1 沥青三大指标试验结果试验项目针入度(2 5,1 0 0g,5s,)/(0.1mm)软化点(环球法)/延度(5c m/m i n,5)/c m1#原样沥青8 48 6.56 71#短期老化沥青7 78 2.06 21#长期老化沥青5 57 5.02 02#原样沥青8 28 3.05 12#短期老化沥青6 67 5.54 12#长期老化沥青4 17 1.58 为分析沥青耐老化性能,先对2种高粘高弹改性沥青进行旋转薄膜加热试验以模拟沥青混合料施工过程的短期老化,试验条件为:烘箱加热温度为1 6 3 0.5,环形架以1 5r/m i n 0.2r/m i n速度转动,吹入热空气的流速为40 0 0m L/m i n 2 0 0m L/m i n,老化时间为8 5m i n。对短期老化后的沥青再采用沥青压力老化仪进行长期老化模拟试验,试验条件为:容器内气压为2.1M P a 0.1M P a,温度为1 0 0,老化时间为2 0h。根据美国S u p e r p a v e沥青胶结料分级要求7,利用D S R动态剪切流变仪检测短期和长期老化沥青的车辙因子G*/s i n以确定沥青高温等级,其试验条件为:加载频率为1 0r a d/s,施工应变为1 0%,温度扫描模式,试验温度为3 09 0;检测疲劳因子G*s i n的试验条件为:加载频率1 0r a d/s,温度扫描模式,试验温度为1 84 2。利用小梁弯曲流变仪检测老化前后沥青弯曲蠕变劲度和m值以确定沥青低温等级,试验条件为:接触载荷为3 5mN5mN,试验载荷为9 8 0mN5mN,试验时间为2 4 0s。2 结果与讨论2.1 老化对沥青三大指标的影响1#和2#高粘高弹改性沥青不同老化程度后的三大指标试验结果见表1。1#和2#原样沥青的针入度与软化点指标相差不大,说明二者软硬程度与高温性能方面相似。2#沥青延度明显较低,说明其低温性能较差。短期老化后,1#和2#沥青针入度和延度均降低,但下降幅度小,表明沥青仍然保持良好的性能。短期老化后,1#和2#沥青的软化点均下降,但2#沥青软化点下降程度较大,1#沥青的软化点仍保持在8 0 以上,表明1#沥青具有很好的高温稳定性和耐老化性能。长期老化后,1#和2#沥青针入度和延度下降明显,8建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期同时1#和2#沥青的软化点均下降到8 0以下,表明沥青性能下降明显。另外,随着老化程度的加大,两种沥青软化点下降趋于7 07 5,说明短期老化后软化点能够有效地反映出沥青高温性能的稳定性。为了评估2种高粘高弹沥青耐老化性能,采用残留率(残留率=沥青老化后性能/原样沥青性能1 0 0%)进行分析。2种沥青老化后各项性能残留率见图1。由图1的试验结果可知:1#短期老化沥青的针入度、延度和软化点残留率为9 2.1%、9 3.2%和9 4.5%,而2#长期老化沥青的针入度、延度和软化点残留率为6 5%、2 9.8%和8 6.3%,相比于1#短期老化沥青的三大指标残留率分别降低了2 7.1%、6 3.4%和8.2%。1#长期老化沥青的针入度、延度和软化点残留率为8 0.5%、8 0.4%和9 0.9%,而2#长期老化沥青的针入度、延度和软化点残留率为4 9.9%、1 5.6%和8 5.9%,相比于1#长期老化沥青的三大指标残留率分别降低了3 0.6%、6 4.8%和5%。整体上,沥青延度残留率随老化程度加深而下降最为显著,因此可以将延度残留率作为沥青低温性能的控制指标。考虑到应力吸收层所处层位深,其老化主要以施工过程的短期老化为主,宜按短期老化后延度不低于4 0c m,且短期老化后延度残留率不低8 0%为低温性能的双控指标。由表1中2种沥青的老化前后软化点分析结果表明,短期老化后软化点应大于8 0,长期老化后软化点应大于7 0,上述二者可作为沥青高温性能的双控指标。2.2 老化对动态流变性能的影响车辙因子G*/s i n可用来评价沥青的高温抗变形能力。原样沥青和短期老化沥青的7 0、7 6 和8 2的车辙因子试验结果见图2。1#原样沥青的7 0、7 6 和8 2 车辙因子为3.0 3k P a、1.8 7k P a和1.1 6k P a,而2#原样沥青的7 0、7 6和8 2车辙因子为3.6 2k P a、2.1 7k P a和1.3 0k P a。1#短期老化沥青的7 0、7 6和8 2车辙因子为3.6 9k P a、2.2 9k P a和1.5 3k P a,而2#短期老化沥青的7 0、7 6和8 2车辙因子为3.8 0k P a、2.2 2k P a和1.3 3k P a。1#和2#原样沥青7 0、7 6和8 2车辙因子均大于1.0k P a;1#和2#短期老化沥青7 0和7 6车辙因子均大于2.2k P a,而8 2车辙因子小于2.2k P a,根据美国S u p e r p a v e沥青混合料中沥青分级要求,可判定1#和2#沥青的P G高温等级为P G 7 6。沥青的车辙因子随温度升高而下降。为评价同一高温等级沥青的高温敏感性,可以分析沥青车辙因子的下降程度,计算公式为:下降程度=(较低温度的车辙因子-较高温度的车辙因子)/较低温度的车辙因子1 0 0%)。温度从7 0 升高至7 6 时,1#原样与短期老化沥青的车辙因子下降程度为6 1.7 2%和6 2.0 6%,而2#原样与短期老化沥青的车辙因子下降程度为5 9.9 4%和5 8.4 2%;当温度从7 6 升高至8 2,1#原样与短期老化沥青的车辙因子下降程度为6 2.0 3%和6 6.8 1%,而2#原样与短期老化沥青的车辙因子下降程度为5 9.9 1%和5 9.9 2%。上述试验结果说明,短期老化后两种沥青的G*/s i n值均上升,说明老化有利于沥青高温性能,但老化后沥青的弹性减小而黏性增加,耐疲劳性能变差;随着温度的升高,沥青的G*/s i n值下降,但下降趋势减弱,短期老化作用对下降趋势的影响小。整体上,1#原样和短期老化沥青G*/s i n值下降程度比2#原样和短期老化沥青小,说明1#原样沥青性能与短期老化后高温性能均强于2#原样沥青和短期老化沥青。沥青疲劳因子G*s i n可用来评价沥青的抗疲劳性能,其试验结果见图3。1#长期老化沥青2 8的疲劳因子为4 3 0.2 6k P a,2#长期老化沥青2 8的疲劳因子为7 0 0.8 9k P a,均小于50 0 0k P a,说明1#和2#沥青均满足P G-2 8的低温等级;从图3来看2#长期老化沥青的疲劳因子在1 84 2范围内均大于1#长期老化沥青,说明2#沥青抗疲劳性能相对较差。整体上两种沥青在1 84 2 范围的疲劳因子均小于50 0 0k P a,表明高粘高弹改性沥青抗疲劳性能优异。9建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期2.3 老化对沥青低温性能的影响原样沥青和长期老化沥青的弯曲蠕变劲度模量和m值见表2。美国S u p e r p a v e沥青P G分级要求沥青在某一温度等级下弯曲蠕变试验6 0s时m值大于0.3且蠕变劲度模量小于3 0 0MP a。从表2中看出两种沥青在-2 4时的m值均小于0.3,不符合P G-3 4的低温等级;两种沥青在-1 8时的m值均大于0.3且蠕变劲度均小于3 0 0MP a,符合P G-2 8的低温等级。相同温度下,1#原样沥青和长期老化沥青的蠕变劲度模量比2#原样沥青和长期老化沥青小,说明1#沥青的低温抗开裂性能相对较好。长期老化后,沥青的蠕变劲度模量增大,m值降低,说明老化后沥青的低温抗开裂性能降低。2#沥青在-2 4 时的m值下降幅度明显大于1#沥青,表明2#沥青低温性能受老化作用影响相对较大。整体上在m值大于0.3和蠕变劲度模量小于3 0 0MP a二个指标要求中,m值大于0.3更为苛刻,是老化后沥青低温性能的关键控制指标。表2 沥青低温弯曲蠕变试验结果试验项目-1 8蠕变劲度模量/MP a-1 8m值-2 4蠕变劲度/MP a-2 4m值1#原样沥青7 9.60.3 4 01 8 80.2 5 61#长期老化沥青1 5 10.3 1 02 6 60.2 4 52#原样沥青1 0 20.3 4 02 5 60.2 6 42#长期老化沥青1 9 70.3 1 83 6 60.2 1 63 结 论a.根据S u p e r p a v e沥青混合料中沥青分级要求,应力吸收层沥青混合料所用高粘高弹改性沥青的分级等级为P G 7 6-2 8。因应力吸收层对耐疲劳性能要求高,对沥青低温等级宜按不低于P G-2 8进行控制。b.室内短期和长期老化对高粘高弹改性沥青性能的影响大,表现为老化后针入度、延度和软化点均明显下降,其5延度长期老化后损失最大。c.高粘高弹改性沥青短期老化后软化点应不低于8 0,长期老化后软化点应不低于7 0,二者应作为双控指标。d.实际工程中应重视高粘高弹改性沥青进场后的老化性能的检测,不应以检测三大指标合格为现场验收标准。结合现场工地试验室检测条件,应按短期老化后软化点不低于8 0,5延度不低于4 0c m,且老化后延度残留率不小于8 0%进行控制。参考文献1 廖卫东,刘洪海,张昌波,等.S T R A T A应力吸收层的级配特征与施工控制技术J.公路,2 0 0 5(5):1 3-1 8.2 李 艳,邱业绩,张 娟,等.不同老化方式对S B S改性沥青的性能影响J.公路交通科技(应用技术版),2 0 1 9,1 5(9):6-9.3 翟金陵,崔传炜.S B S改性沥青施工老化的评价体系研究J.石油沥青,2 0 2 1,3 5(5):2 2-3 0,4 5.4 熊奎元,侯剑楠,韦畅明,等.基质沥青与S B S改性沥青老化行为研究J.西部交通科技,2 0 2 2(1):2 0-2 2,3 0.5 Y iW M,D e l e h e i,W a n gCJ,e t a l.E f f e c t o fU l t r a v i o l e tL i g h tA g i n go nF a t i g u eP r o p e r t i e so fA s p h a l tJ.K e yE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s,2 0 1 4,3 0 1 9(5 9 9):1 2 5-1 2 9.6 李 超,王 岚,冯 蕾.聚合物改性沥青结合料老化前后低温流变性能研究J.功能材料,2 0 1 6,4 7(2):2 2 0 6-2 2 1 1.7 美国沥青协会,贾 渝,曹荣吉,等.高性能沥青路面(S u p e r p a v e)基础参考手册M.北京:人民交通出版社,2 0 0 5.01建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期