SBS改性沥青及其混合料高温性能试验对比分析_庄恢将.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目（）作者简介 庄恢将（），男，广东广州人，工程师，研究方向：道路沥青及沥青混合料性能。通信作者：钟皓白，：.引文格式 庄恢将，钟皓白，王嘉琪，等 改性沥青及其混合料高温性能试验对比分析 公路工程，（）：，（）：改性沥青及其混合料高温性能试验对比分析庄恢将，钟皓白，王嘉琪，冼丽丽，李大为（.广州市高速公路有限公司 营运分公司，广东 广州；.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海；.广州大象超薄路面技术开发有限公司，广东 广州）摘 要 为了研究不同 种类与其掺量对 改性沥青和其混合料高温性能的影响，从多个维度对其高温性能进行敏感性分析。采用动态剪切流变试验（）、车辙试验、汉堡浸水车辙试验对不同 掺量的星型、线型 改性沥青和混合料进行研究分析。试验表明，改性沥青的 与 对 掺量的敏感度随掺量的增加而提高，对改性剂类型的敏感度随 掺量的增加而降低。对 掺量的敏感度随掺量的提高而下降，而对 类型的敏感度随 掺量的升高而增加。改性沥青混合料的动稳定度随着 掺量增加而增加，并且其对 改性剂类型更为敏感。数据归一化结果展现了 振荡试验对 掺量较为敏感；车辙试验和汉堡浸水车辙试验表明混合料对 改性剂的类型更为敏感，星型 改性沥青的高温性能更加优异。关键词 改性沥青；汉堡浸水车辙试验；数据归一化中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（.，.，；.，；.，.，），.，.，.，.，.，.；第 期庄恢将，等：改性沥青及其混合料高温性能试验对比分析 引言近年来沥青路面的大规模铺设，尤其是改性沥青中的 改性沥青（）因具有优异的高温和低温性能而得到了大量的使用，然而，现阶段 改性沥青高温性能的评价具有多种测试指标，这就对 改性沥青研究发展有了阻碍作用。高温稳定性不足会导致沥青路面在高温、重载下，出现车辙、推移、拥包等病害。研究表明在同一级配下，沥青性能的优劣是路面高温性能的最主要的影响因素。（）改性剂吸收沥青中的轻组分（饱和分和芳香分）后发生溶胀，当掺量达到一定程度后，会在沥青中形成网络结构，改变沥青的微观结构从而提高沥青混合料的高温性能和耐久性。改性剂分为星型和线型，星型 分子通过四氯化硅偶联，单元相互缠绕，形成三维网状结构，而线型 分子内没有交联，微观呈带状分布，。因此，的掺量和种类会直接影响沥青微观结构，进而产生不同的沥青宏观物理性能变化。对于沥青的性能测试，不同的高温性能试验评价结果之间也存在差异性。研究人员对 改性沥青高温性能的研究大多通过单一分析方法、三大指标、或沥青混合料的动稳定度，缺乏多维度和系统性分析 改性剂类型和掺量对沥青和混合料高温稳定性的影响研 究。本 文 采 用 动 态 剪 切 流 变 试 验（）、车辙试验、汉堡浸水车辙试验测试不同掺量的星型、线型 改性沥青和混合料的高温性能指标。各自独立分析其试验数据，并通过数据归一化法对不同评价方法的数据进行多维度比较分析，探究影响高温性能评价结果的敏感性因素，并研究不同高温性能评价指标的侧重点。最终为 改性沥青提供高温性能研究的科学依据和生产加工的指导。试验材料与方法.沥青与制备工艺基质沥青采用埃索沥青（简称）。试验使用星型、线型两种 改性剂，其中星型 为独山子石化分公司的 ，嵌段比 为，线型 为岳阳巴陵石化有限公司的 （），嵌段比 为。掺量分别为.、.，采用硫磺类稳定剂。沥青加热到 ，加入线型或星型 （.，.，.）高速剪切，再加入.硫磺类稳定剂继续剪切 制备出 改性沥青，试验所用沥青指标如表 所示。表 沥青基本性能指标 沥青代号针入度（）（.）软化点延度（）黏度（）（）.线型.星型.集料与配合比设计粗集料（粒径.）采用玄武岩碎石，细集料（粒径.）采用石灰岩碎石，填料使用矿粉。集料各项指标符合 公路沥青路面施工技术规范 要求。沥青混合料油石比采用.，级配采用 ，设计级配如表 所示。表 沥青混合料设计级配 筛孔尺寸 通过率.试验方法.动态剪切流变试验车辙因子 和不可回复蠕变柔量可以反映改性沥青的非线性黏弹性质，并与沥青的抗车辙性能呈现良好的相关性。本文使用 公司生产的 型号的动态剪切流变仪进行振荡试验（）和多应力蠕变回复试验（，），沥青样品在 下进行测试得复数模量（）与相位角（）和不可回复蠕变柔量（）。振荡试验 公路工程 卷规程参照 ，选用 转子，间隙为，振荡应变水平为 。多应力蠕变回复试验参照 。.应力条件下实施 次蠕变回复循环周期，对.应力 个周期内数据取平均值可得到.；紧接着在.应力下实施 次蠕变回复循环周期，对.应力 个周期内数据取平均值可得到.。计算方法依据式（）计算：（）式中：为每个周期内，处未恢复应变；为蠕变应力。.车辙试验车辙试验采用轮碾法成型试件，目标空隙率为（），空气浴加热，标准试验温度为 ，高温条件下可采用 ，车辙试验采用试验规范。在试验过程中，试验轮在试件上往返行走，时间约 ，或最大变形达到 时试验结束，记录仪会自动记录变形曲线，并计算得到沥青混合试件的动稳定度（，）。.汉堡浸水车辙试验在试验方法上，根据国外的大量研究和实践认为，汉堡车辙试验与公路实际路用性能相关性很好。试验环境为空气或水浴中，试验温度可调，仪器精确性较高，能够测定混合料的蠕变斜率、车辙深度等指标，用以评价混合料的高温性能。汉堡浸水车辙试验是评价沥青混合料在水热综合作用下的高温性能的方法，试验规范为。采用旋转压实成型试件，目标空隙率为（），采用意大利 公司生产的双轮汉堡车辙试验仪，水浴加热 。汉堡浸水车辙曲线一般分 个阶段：后压实阶段、蠕变阶段、剥落阶段。其中蠕变阶段代表混合料在高温情况下发生的永久变形，碾压次数的变化值与对应的车辙深度的变化值成正比例，比值称为抗蠕变速率（，）代表产生 车辙深度所需的碾压次数，如式（）所示。抗蠕变速率是从材料性能和混合料设计的角度评价混合料高温性能的重要指标。总变形速率（，）是总车辙深度与试验时长的比值，如式（）所示，表征混合料在水 热综合作用下的试验全过程变形积累，在一定程度上体现混合料的试验全过程抗车辙能力。（）式中：为抗蠕变速率，次；和 为蠕变阶段开始和结束时的轮碾次数，次；和 为蠕变阶段开始和结束时的车辙深度，。总总（）式中：为总变形速率，次；总为轮碾总次数，次；和 总为轮碾开始和结束时的车辙深度，。试验结果与分析.动态剪切流变试验结果和分析图 和图 为 条件下 改性沥青复数模量、车辙因子 和蠕变柔量 随 改性剂掺量的变化曲线图。由图 和图 可知：线型和星型 改性沥青的 和 随着 掺量的增加而升高，随之下降，表明 改性沥青的高温性能随 掺量的提高而增强。线型和星型 改性沥青在、和 时的 个数据的变化曲线是相似的，因此以线型 改性沥青的量化数据为例进行规律分析，掺量从 提高到.时，改性沥青的与 提高了 和 ，当掺量从.提高到.时，提高了 和。表明了 与 对 掺量的敏感度随掺量的提高而增加。然而，掺量从 提高到.时，.和.降低了 和 ，当掺量从.提高到.时，降低了 和 。展示了不可回复蠕变柔量对 掺量的敏感度随掺量的提高而下降。在.掺量时，星型的 改性沥青的 与 比线型高 和；在.掺量时，星型的比线型的高 和 。表明了模量与车辙因子对改性剂类型的敏感度随 掺量的提高而降低。但是在.掺量时，星型 改性沥青的.和.比线型高 和；在.掺量时，星型比线型高 和 。不可回复蠕变柔量对 的敏感度随 掺量的提高而升高。这是因为随着 掺量的增加，改性剂逐渐在沥青中形成更加完整的三维网络结构，改性沥青的储能模量比例增加。并且相比于线型 改性剂，星型 改性剂具有更高的分子质量和星型分子第 期庄恢将，等：改性沥青及其混合料高温性能试验对比分析 图 与 随 掺量的变化曲线图 图 .和.随 掺量的变化曲线图 .结构更容易构建出网络结构，致使随着 掺量增加，改性沥青的 与 随之增加，敏感度上升，随之降低，敏感度下降，。而且随着 掺量的增加，引起 分子和沥青分子相互作用的提高，改性沥青的黏度随之升高，也促进了复数模量的升高。.车辙试验结果和分析由图 可知：随着 掺量的增加，沥青混合料动稳定度值呈明显上升趋势。掺量从 提高到.时，下线型和星型 改性沥青混合料的动稳定度分别提高了 和 ，下，分别提高了 和 。当掺量从.提高到.时，下线型和星型 改性沥青混合料的动稳定度分别提高了 和 ，下，分别提高了 和.。动稳定度对 掺量的敏感度随掺量的增加而升高。动稳定度与 与 表现出相似变化规律。相同 掺量和 下，星型 改性沥青混合料的动稳定度要高于线型；相对于 ，图 动稳定度随 掺量的的变化曲线图 公路工程 卷 下不同 掺量的线型和星型 改性沥青混合料动稳定度数值减小的比例均处于 。因此在一定的动稳定度值范围内，改性沥青混合料在两种试验温度条件下的动稳定度值具有一定线性相关性。在比较高性能改性沥青混合料的抗车辙性能时，提高车辙试验温度也是可行的方法。.汉堡浸水车辙试验结果和分析图 是 改性沥青混合料在 水浴条件下汉堡浸水车辙试验中，车辙深度随行驶次数的曲线图。由图 可知：随着轮碾次数的增加，沥青混合料的车辙深度逐渐增加，曲线呈现出先快，再缓慢，最后是快增长的现象，对应了后压实阶段、蠕变阶段、剥落阶段。相同轮碾次数下，随着 掺量的增加，沥青混合料的车辙深度逐渐减小，沥青混合料抗车辙能力逐渐提高，表明 改性剂能够有效地提高沥青混合料的汉堡浸水车辙试验表现。这是因为 的加入使沥青中形成弹性网络进而提高了沥青的黏度与劲度，从而改善了混合料在车载作用下的弹性响应并限制沥青膜的移动。星型 比线型 对沥青混合料性能提升的效果更为明显，相同轮碾次数下，.星型 改性沥青混合料要比.线型 改性沥青混合料的汉堡浸水车辙深度低，这与空气中进行的车辙试验中得到的结论有差异。这是因为相对于线型，星型 在沥青中能够更好地形成空间网络，从而改善沥青在有水条件下的抗水老化损害性能。汉堡浸水车辙试验更加贴近实际路面承载情况，展现出相对于线型 改性沥青混合料，星 图 不同掺量 改性沥青汉堡浸水车辙曲线图 型 改性沥青混合料在更加接近现实路面条件下，具有更高的抗车辙性能和高温稳定性。由图 可得，随着 掺量增高，抗蠕变速率的变化趋势是在上升的，说明在 改性沥青混合料的抵抗不可回复蠕变变形能力随之增加。不可回复蠕变柔量.和.的随 掺量和类型变化规律也表明了，随着 掺量增加，.和.逐渐升高，星型 改性沥青不可回复蠕变柔量高于线型 改性沥青。相同掺量下，星型 改性沥青混合料总变形速率值均小于线型，数值差在 以上。从抗蠕变速率和总变形速率指标可见，.掺量星型 沥青混合料的性能可以接近.掺量线型 沥青混合料的抗车辙性能。因此在有水 热综合环境下，采用较少掺量的星型 改性剂就可以显著提高沥青混合料的高温性能。图 抗蠕变速率和总变形速率随 掺量的变化曲线图 基于数据归一化方法的试验分析数据归一化方法是将样本的特征值转换到同一量纲下并映射到，区间内，由于归一化方法实质第 期庄恢将，等：改性沥青及其混合料高温性能试验对比分析 是线性变化，因此不会使数据失效。归一化处理是形式上的表达变化，本质上是为了不同维度之间的特征在数值上有一定的比较性。为了对比不同试验方法对 改性沥青和混合料高温性能的评价结果，将各个试验得到的试验结果进行归一化处理，将结果值映射到，区间内，为了方便比较，对于测试结果越小，性能越好的指标（.、.、）依据式（）计算，其余指标依据式（）计算：(，)(，)(，)（）(，)(，)(，)（）其中，为 试 验 结 果；（，）为样本数据的最大值；(，)为样本数据的最小值；为归一化值。数据归一化后，基质沥青指标为，.星型 改性沥青指标为。由图 可知：不同 掺量的、数据差距较为明显，即 振荡试验结果对 掺量较为敏感；所有 改性沥青的.、.的标准数据值均大于.，明显高于基质沥青，试验结果会突出基质沥青与改性沥青之间高温性能的差异；线型 改性剂含量逐渐增加，和 归一化值逐渐增加。但是，相同 掺量下，星型 的 归一化值数据均远高于的线型，因此不同改性剂类型是影响汉堡浸水车辙