DSR对改性沥青PG分级的影响与分析

DSR对改性沥青PG分级的影响与分析邵腊庚张明（长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410004）摘要：采用SHRP开发的动态剪切流变仪(DSR)对多组改性沥青和普通石油沥青进行试验,通过测试原样沥青及其短期老化沥青试样的动态流变参数,对比分析了试验条件和技术指标对改性沥青PG分级的影响，针对目前改性沥青短期老化试验存在的不足，提出改进建议。关键词：SHRP；短期老化；DSR；改性沥青InfluenceandanalysisonmodifiedasphaltPerformancesGradedwithDSRSHAOLa-gengZHANGMing(ShcoolofTransportationEngineering,ChangshaUniversityOfScience&Technology,ChangshaHunan410076,China)Abstract:AdopttheDynamicShearRheometerthatSHRPdeveloped(DSR)Carryontesttomanygroupmodifiedasphaltandoriginalasphalt;passandtestthedynamicrheologypropertiesparameteroftheoriginalasphaltandtheshort-termagingasphaltsample,comparingandanalysingtheinfluenceofexperimentalconditionandtechnicalindicatortomodifiedasphaltperformancegrade,armatthedeficiencyexistinginshort-termagingofmodifiedasphaltatpresent,offerthesuggestionofimproving.Keyword:SHRP;short-termaging;DynamicShearRheometer；modifiedasphalt1前言沥青胶结料作为路面主要材料已经越来越多地得到了大家的认可,被广泛地用于公路、机场道面、桥面铺装等。从实践应用上来讲,沥青从生产到使用,必然要经过施工和应用阶段,这两阶段中各种因素的作用使沥青发生变化,并最终体现为沥青路面使用性能,因此如何客观评价沥青老化后的性质显得更重要。SHRP于1987年开始研究测量沥青物理性质的新试验，1993年提出了沥青胶结料规范（AASHTOMP1）和一套相应的新的试验方法[2]，针对改性沥青低温评价的不足，随后提出了新的沥青胶结料规范（AASHTOMP1a）。它是基于性能评价的沥青分级指标体系，已经普通用于研究和评价普通石油沥青，但是否完全适用于改性沥青还受到质疑。本文通过对多组改性沥青和普通沥青短期老化[1]的DSR试验，对比分析短期老化试验条件和技术要求对改性的适用性。2原样及短期老化后沥青DSR试验结果动态剪切流变仪（DSR）是SUPERPAVE体系中用以测定沥青结合料高温稳定性和中等温度条件下疲劳特性的仪器。它属于平板式的流变仪，沥青试样被置于平行金属板之间（如图1），以一定速率旋转剪切，测定结合料的复数剪切模量G*和相位角δ，表征其粘弹性质。G*是材料重复剪切变形时总阻力的度量，它由弹性（可恢复）部分G’和粘性（不可恢复）部分G”组成；而δ是弹性和粘性变形数量的相对指标，δ越小，材料越接近于弹性体[3]（如图2）。2.1试验材料的选用本次试验的采用的普通石油沥青为70-A级加德士沥青，改性沥青为70-A级加德士+3％岳阳SBS，70-A级加德士+4％岳阳SBS，70-A级加德士+5％岳阳SBS。图1DSR沥青试样加载方式图2沥青粘弹性复数模量的极坐标表达式2.2试验条件及其结果为了模拟路用状态对沥青流变性的影响，Superpave规范标准中用旋转薄膜烘箱对原样沥青进行短期老化，模拟生产热拌沥青混合料过程中。本研究中DSR试验采用德国PHYSICAPARR公司生产的DSR4000型动态剪切流变仪。试验采用应变控制模式，应变值γ＝12％，试验频率ω＝10rad/s，约等于1.59Hz。短期老化后沥青与原样沥青在60℃、64℃和70℃，试验直径为25mm，厚度为1mm，试验方法为AASHTO标准TP5。试样分别为原样和短期老化后的试样。各参数的比较见表1～表3。表160℃温度下短期老化后沥青各参数比较值参数加德士沥青加德士+4％岳阳SBS加德士+5％岳阳SBS加德士+6％岳阳SBS原样短期老化原样短期老化原样短期老化原样短期老化G’（KPa）0.060.272.073.642.683.894.344.02G’’（KPa）2.204.909.4111.3310.0211.9710.4311.73*/sinG（KPa）2.214.929.8612.5011.0312.7912.2013.10δ（°）88.5086.9077.6077.2075.0072.0067.4071.10表264℃温度下短期老化后沥青各参数比较值参数加德士沥青加德士+4％岳阳SBS加德士+5％岳阳SBS加德士+6％岳阳SBS原样短期老化原样短期老化原样短期老化原样短期老化G’（KPa）0.030.120.782.051.412.322.472.38G’’（KPa）1.342.844.957.195.977.546.557.54*/sinG（KPa）1.342.845.077.786.308.067.488.29δ（°）88.8087.6081.0074.1076.7072.9069.3072.50表370℃温度下短期老化后沥青各参数比较值参数加德士沥青加德士+4％岳阳SBS加德士+5％岳阳SBS加德士+6％岳阳SBS原样短期老化原样短期老化原样短期老化原样短期老化G’（KPa）0.010.040.260.700.560.941.121.00G’’（KPa）0.671.342.353.052.963.673.193.73*/sinG（KPa）0.671.342.383.213.064.094.064.00δ（°）89.1088.4083.7077.1079.3075.6070.7075.003试验结果分析不同沥青老化前后在不同温度下DSR试验参数之比见表4，从表4可以看出，短期老化后，不管是普通沥青还是改性沥青它们的'G、''G和*/sinG都有不同程度的增加，普通沥青各参数增加的幅度比改性沥青幅度大，各种沥青的相位角增加很小，老化前后基本不变。表4不同沥青老化前后在不同温度下DSR试验参数之比参数加德士沥青加德士+4％岳阳SBS加德士+5％岳阳SBS加德士+6％岳阳SBS60℃64℃70℃60℃64℃70℃60℃64℃70℃60℃64℃70℃G’（KPa）4.504.004.001.762.632.691.451.651.680.930.960.89G’’（KPa）2.232.122.001.201.451.301.191.261.241.121.151.17*/sinG（KPa）2.232.121.991.271.531.351.161.281.341.071.110.99δ（°）0.980.990.990.930.910.920.960.950.951.051.051.06PG规范中用车辙因子G*/Sinδ来表征结合料抗永久变形的能力[4]。在最高路面设计温度下，G*/sinδ越大越好。因抗车辙因子越大，能同时反映出G*较大与δ较小的综合影响。SHRP结合料规范规定：结合料RTFOT[5]前耐高温性能的等级需满足*/sin1.0GKPa的规定，RTFOT后需满足*/sin2.2GKPa的规定。如果*/sinG值小于规定值时则不满足该等级抗车辙高温的性能要求，需降级使用。表5各种沥青的PG高温等级沥青种类温度G*（KPa）δ（°）*/sinG（KPa）沥青状态PG等级德士沥青64℃1.3488.81.34原样64℃64℃70℃0.67289.10.67264℃2.8487.62.84短期老化64℃70℃1.3488.41.34加德士+4％岳阳SBS76℃1.1385.31.14原样76℃70℃82℃0.68087.40.68170℃2.4878.62.53短期老化70℃76℃1.1181.11.12加德士+5％岳阳SBS76℃1.5480.31.56原样76℃70℃82℃0.8981.40.970℃3.9775.64.09短期老化70℃76℃2.0778.62.11加德士+6％岳阳SBS76℃2.1670.92.41原样82℃70℃82℃1.1471.41.2770℃3.86754.00短期老化70℃76℃2.0977.42.14从表5数据可以看出，普通沥青沥青在RTFOT前后均符合一定的规律，即PG分级为同一等级。即老化前满足PG64要求，老化后也基本上满足PG64的标准。但对于改性沥青，测试中基本上表现为RTFOT前适用的PG等级高，RTFOT后适用的PG等级低，有时甚至低2个等级。改性剂剂量越大，等级相差越大。造成这一状况的根本原因在于SHRP规范中RTFOT后残留沥青的分级指标是老化前的2.2倍，而改性沥青由于粘度较大，同样的试验条件下，老化程度不如普通石油沥青，对于普通沥青短期老化前后抗车辙因子比大约为2.2，对于改性沥青老化前后抗车辙因子比小于2.0，对照表4和表5可以看出，老化前后抗车辙因子比越小的沥青，老化后等级相差就越大。改性沥青的抗老化性能[6]明显得到提高是不争的事实，已有许多文献报道。改性沥青的抗老化性能的提高其原因主要有2个方面：一方面改性沥青中沥青的重量比随改性剂剂量的增加而下降；另一方面部分油分在加工贮存工程中逐渐包含于改性剂相中，沥青相的组成结构发生变化，而包含于改性剂相中沥青组分在加工过程中不但析出而且受到改性剂的屏蔽和保护，加之高分子的抗老化能力也强于沥青，因此改性沥青的抗老化能力是基质沥青不能相比的，并且随着改性剂剂量的增加，改性沥青如在PG分级的等级中RTFOT后比RTFOT前下降越多，则表明抗老化性能越高。虽然在PG分级中适应温度等级下降，但不能否认改性沥青抗老化能力提高。正因为改性沥青粘度和和抗老化能力随SBS剂量的增加而增强，改性沥青RTFOT后*/sinG的增量较小，不能像普通石油沥青经RTFOT后*/sinG增加的那么明显，因此PG分级评价中改性沥青RTFOT后*/sinG值增加的量较小，往往不能满足该等级对*/sinG的要求。SHRP规范中RTFOT后残留沥青的分级指标是老化前的2.2倍，同样的试验方法和判别标准直接套用于改性沥青时却出现了问题。由于改性沥青粘稠，流动性不足，造成老化不充分，车辙因子没有显著变化，或者没有达到老化前的2.2倍，为此只能降低温度确定临界值，从而出现老化后PG的降级现象。从改性沥青的RTFOT可以明显看出，旋转后的瓶口仍未粘有沥青，说明在163℃的试验温度下，改性沥青粘度大，无法在瓶中形成均匀薄膜，或者旋转瓶中的改性沥青薄层不流动，无法达到模拟沥青在连续流动的薄膜状态下受到热空气影响的效果，从而原有的RTFOT真实模拟改性沥青在实际拌和过程中所受到的短期老化的效果不理想[7]。由于改性沥青在RTFOT中不易流动，为此有研究在改性沥青RTFOT试验时，考虑添加一根与旋转瓶高度一致的钢棒，这样在瓶子旋转的同时，钢棒依靠自重在瓶中转动，可以产生持续的剪切力帮助沥青薄膜的形成。美国国家合作公路研究项目NCHRP9-10从加钢棒对普通石油沥青分级影响很小和钢棒不会影响改性剂作用的发挥两个方面论证了其可行性。经试验得出，加钢棒后测得的高温连续分级比未加时稍许提高，并且沥青的粘度越大提高的越多，效果越明显，但在试验中发现即使在加棒的情况下，仍然有瓶口局部未粘有沥青的现象，说明钢棒的作用是有限的，添加钢棒的无法彻底解决改性沥青粘稠和老化不足的问题。针对改性沥青RTFOT后PG评价存在的不足，通过上