高黏高弹道路沥青高温评价指标研究.pdf
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1、第41 卷第9 期2023年9 月文章编号:1 0 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 9-0 0 50-0 6Vol.41,No.9Journal of Municipal TechnologySep.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.09.050高黏高弹道路沥青高温评价指标研究胡敏乐*,杨龙飞,王云,李健,张博,陈江(西安市政设计研究院有限公司,陕西西安7 1 0 0 6 8)摘要:为明确高黏高弹道路沥青高温流变性能评价指标,选择4种高黏高弹道路沥青作为研究对象,采用动态剪切流变仪分别进行温度扫描、频率扫描和多重应力蠕变恢复等试验,以研究其高温流变
2、性能,并以大孔隙开级配排水式沥青混合料(PA-13)动稳定度为参考序列,以动力黏度、改进型车辙因子、零剪切黏度、不可恢复蠕变柔量以及蠕变恢复率为比较序列进行灰色关联分析,确定了高黏高弹道路沥青高温流变性能的主要评价指标。研究结果表明:对于高弹高黏改性沥青,可以选用零剪切黏度作为评价高黏高弹道路沥青的主要高温性能指标,其次为改进型车辙因子;若以多重应力变恢复试验方法评价高黏高弹道路沥青的高温性能时,应以蠕变恢复率为主。关键词:道路工程;高黏高弹道路沥青;高温性能;评价指标;灰色关联分析中图分类号:U414.1Study on High Temperature Evaluation Index o
3、f Bitumen withHighViscosity&ElasticityRecoveryforPavementHu Minle*,Yang Longfei,Wang Yun,Li Jian,Zhang Bo,Chen Jiang(Xian Municipal Design and Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710068,China)Abstract:In order to clarify the evaluation index of high temperature rheological properties of bitumen with hi
4、ghviscosity and elasticity recovery for pavement(BHVERP),four kinds were selected as the researched object.The dy-namic shear rheometer was used to carry out temperature scanning test,frequency scanning test and multiple stresscreep recovery test respectively to study the high temperature rheologica
5、l properties.Taking the dynamic stability ofmicroporous open graded drainage asphalt mixture(PA-13)as the reference sequence,the dynamic viscosity,im-proved rutting factor,zero shear viscosity,unrecoverable creep compliance and creep recovery rate as the compari-son sequence,the grey correlation ana
6、lysis is carried out to determine the main evaluation indexes of high-tempera-ture rheological properties of BHVERP.The results show that the zero shear viscosity is the main high temperatureperformance index for evaluating BHVERP,followed by the improved rutting factor;The creep recovery rate is th
7、emain factor if the multiple stress creep recovery test is applied.Key words:road engineering;bitumen with high viscosity and elasticity recovery for pavement(BHVERP);hightemperature performance;evaluation index;grey correlation analysis文献标志码:A排水沥青路面具有优良的功能特性,如抗滑性好、雨天安全性高、噪声低、行车舒适,同时可在雨天减少水漂、水溅、水雾、炫
8、光等,因此在许多国家都得到了广泛地应用。近年来,随着我国城镇化的发收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 4作者简介:胡敏乐,男,工程师,硕士,主要研究方向为路基路面工程及其新技术。引文格式:胡敏乐,杨龙飞,王云,等.高黏高弹道路沥青高温评价指标研究 J.市政技术,2 0 2 3,41(9):50-54,2 1 2.(HUML,YA NG L F,WA NGY,et al.Study on high temperature evaluation index of bitumen with high viscosity&elasticity recovery for pavement.Journa
9、l of munici-pal technology,2023,41(9):50-54,212.)第9 期展,为了解决城市内涝、地下水枯竭等突出问题,我国也大力推动了排水沥青路面的建设。排水沥青路面一般具有空隙率在1 8%以上、厚度为45 cm的路面表层结构,其可以快速、有效地消除路面雨水径流。排水沥青路面一般采用高黏高弹道路沥青制备得到。高黏高弹沥青是指黏度(6 0)大于2 0 0 0 0 Pas、弹性恢复(2 5)大于8 5%的沥青1 1。近年来,研究者针对高黏高弹改性沥青的相关性能进行了较多研究。如:袁东东等 2 1 比较了SBS、橡胶和高黏改性沥青流变性能,结果表明SBS、橡胶和高黏改
10、性沥青在低频状态下复数剪切模量相差较大,在高频状态下复数剪切模量相差较小,高黏改性沥青的抗永久变形能力优于橡胶和SBS改性沥青,且低温抗裂性较优;黄卫东等 3 研究了稳定剂含量对SBS改性沥青流变性能的影响,结果表明添加稳定剂可大幅提升SBS改性沥青的流变性能,但是在已有稳定剂的基础上二次添加稳定剂对其性能的提升幅度有限;胡松山等 4研究了橡胶沥青零剪切黏度与其四组分的关系,结果表明芳香分对橡胶沥青的零剪切黏度敏感程度最高;Tang等 5 从流变学的角度分析了橡胶改性沥青的降解过程,结果表明采用多重应力蠕变恢复试验方法,在0.1 kPa下的蠕变恢复率评价橡胶改性沥青的降解程度比3.2 kPa下
11、的更好;李立寒等 6 采用真空减压毛细管试验和动态剪切速率扫描试验研究了高黏改性沥青的毛细管黏度和零剪切黏度,结果表明对于黏度大于3 0 0 0 0 Pas的高黏度沥青,零剪切黏度可以较合理地表征沥青的粘结特征;Qin等 7 采用DSR方法研究了3 种高黏改性沥青的流变性能,并以基质沥青作对比,发现高黏改性沥青在高温下具有较好的温度稳定性和变形恢复能力。综上,研究者主要针对高黏高弹道路沥青的高温流变性能进行研究,提出了较多的评价指标,但是并没有明确高黏高弹道路沥青高温性能的关键评价指标。因此笔者选择4种高黏高弹道路沥青(以下简称“4种沥青”)作为研究对象,进行动态剪切流变试验,并基于流变学研究
12、高黏高弹道路沥青的高温评价指标。1试验材料与方法1.1试验材料4种沥青被分别命名为A、B、C、D,制备4种沥胡敏乐等:高黏高弹道路沥青高温评价指标研究针入度(2 5,沥青5 s,100g)/类型0.1 mmA54.0B53.2C54.3D56.1排水沥青混合料采用PA-13级配,4种沥青采用相同的级配,设计级配见图1。100.090.080.070.0%率60.050.040.030.020.010.00.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075图1 PA-13排水沥青混合料设计级配Fig.1 Design gradation of PA-13 porou
13、s asphalt mixture排水沥青混合料粗集料选用闪长岩,细集料选用石灰岩,同时选用石灰岩矿粉和木质素纤维。其中木质素纤维掺量为排水沥青混合料质量的3%o。1.2试验方法1.2.1温度扫描试验采用应变控制模式,扫描温度为40、46、5 2、5 8、64、7 0、7 6,角频率为1 0 rad/s,25mm平行板间距为1 mm。1.2.2频率扫描试验扫描频率为0.1 1 0 0 rad/s,试验温度为6 4,25mm平行板间距为1 mm。1.2.3多重应力蠕变恢复试验采用0.1 kPa和3.2 kPa变应力水平进行连续51青的改性剂均以热塑性橡胶为主要成分,同时在改性剂合成过程中掺加了黏
14、结性树脂、软化剂、抗老化剂和其他助剂。4种高黏高弹改性剂的热塑性橡胶、黏结性树脂、软化剂、抗老化剂和其他助剂的比例分别为5 0:3 0:1 5:4:1、5 5:2 5:1 5:4:1、40:3 3:1 9:6:2、60:25:11:2:2,制备4种沥青时改性剂与基质沥青的比例均为8 8:1 2。其主要技术指标见表1。表1 高黏高弹道路沥青技术指标Tab.1 Technical properties of BHVERP延度动力黏度弹性恢复率软化点/(5)/(60)/cm84.155.683.253.484.354.185.958.7一一级配上限-级配下限一级配中值一米设计级配筛孔尺寸/mm(25
15、)/(Pas)%34 258.289.031 761.790.038 686.695.031 425.192.052测试。其中在0.1 kPa应力水平下运行2 0 个周期,然后在3.2 kPa应力水平下运行1 0 个周期,每个周期又分为1 s的应力加载阶段和9 s的零应力恢复阶段,总持续时间3 0 0 s8-9。试验温度为6 4,8 mm平行板间距为2 mm。1.2.4车辙试验采用4种沥青成型PA-13试件进行车辙试验。试验温度为6 0,轮压为0.7 MPa。2结果与分析2.1改改进型车辙因子美国战略公路研究计划(StrategicHighwayResearchProgram,SHRP)以车辙
16、因子来评价沥青结合料的高温性能,但是有关研究 1 0 表明车辙因子并不能全面反映改性沥青的高温性能,而改进型车辙因子G*/(sin8)9则可以更好地评价其高温性能。因此,笔者用温度扫描试验得到的复数剪切模量和相位角分别计算4种沥青的G*/(s in 8)并进行多项式拟合,计算结果见图2。A900 000rAD800000一C拟合曲线一:D拟合曲线700000y=-21.895+4744.52343082x+8x106ed/s(gus)/*)600000500000本400000300000200.000个100000040图2 改进型车辙因子随温度的变化Fig.2 The improved r
17、utting factor varies with temperature由图2 可以看出,4种沥青的G*/(sinS)均随着温度的升高而呈降低的趋势,说明温度升高将会导致4种沥青的抗车辙能力降低;4种沥青的G*/(sin8)与温度具有三次多项式关系,且拟合程度较高(R0.99)。笔者选择6 4下的G*/(sin8)(见图3)作为高黏高弹道路沥青高温性能评价指标。由图3 可以看出,在6 4下,4种沥青的G*/(sinS)由大到小的顺序为C、D、B、A,说明C在6 4下的高温性能最好,其余依次为D、B和A,即高温状Journal of Municipal Technology4000035.00
18、0Bd/(qus)/*)3000025.00020000150001000050000态下C的抗车辙能力最好,A的抗车辙能力最差。2.2零剪切黏度在实际使用过程中沥青在大多情况下表现为伪塑性非牛顿流体。伪塑性非牛顿流体的黏度在剪切速率极低或极高的情况下基本不再变化,接近于常数,在第一牛顿流区域时黏度达到最大值,该值被称为零剪切黏度(ZeroShearViscosity,Z S V)。有研究表明,ZSV可以有效表征沥青的高温抗变形能力 1 0 。因此,可以采用频率扫描试验得到的结果通过Cross。B口C.A拟合曲线一-B拟合曲线R2=0.9984y=-11.796+2643.1x2-197000
19、 x+5106R2=0.9979y=-5.6531x*+1387.9元2 1 1 2 3 6 3 x+3106R2=0.997 1y=-3.2418c*+783.18x262447x+2106R2=0.997 14550第41 卷45000A图 3 6 4下的 G*/(sin8)9Fig.3 G*/(sin)values at 64 模型或Carreau模型来拟合,从而计算ZSV。刘红瑛等 1 认为采用Carreau模型拟合的ZSV评价高黏高弹道路沥青的高温性能更有意义,因此笔者选择Carreau模型来拟合4种沥青的ZSV,其计算方法为:m=n+-(1)1+(h0)%式中:n为沥青的黏度,Pa
20、s;。为第二牛顿流区域黏一5560温度/B沥青类型mo-n6570C7580D度,Pas;no为零剪切黏度,Pas;w为剪切速率,s;k、m 为材料的特征参数。根据式(1)采用频率扫描结果对4种沥青的动态频率扫描试验结果进行拟合,结果见表2。表2 4种沥青的零剪切黏度Tab.2ZSV of four types asphalt沥青类型ABCD由表2 可以看出,Carreau模型拟合ZSV的程度较高(R0.95)。4种沥青在6 4下的ZSV由大到小的顺序为C、D、B、A,这与前文改进型车辙因子所体现的4种沥青高温性能的排序相同。ZSV/(Pas)12351136291839415728相关系数(
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