基于多应力重复蠕变恢复试验的纳米SiO2改性沥青高温性能研究

易志斌

(湖南省益娄高速公路建设开发有限公司， 湖南 长沙 413099)

0 引言

永久变形(车辙)是沥青路面最主要的问题之一，是由重载交通的反复荷载引起，在胎压的反复作用下累积形成永久变形。车辙严重影响路面的使用性能，降低路面的使用寿命[1]。沥青路面的抗车辙性能取决于多种因素，其中一个重要因素是沥青胶结料的刚度。因此，有必要对沥青胶结料进行改性，以提高胶结料的刚度，已有研究表明诸如纳米SiO2等纳米材料用于改性沥青胶结料可大幅度提高胶结料的刚度[2]。

早在1978年，美国公路战略研究计划(SHRP)采用动态剪切流变仪测试沥青的黏弹性参数，以车辙因子(G*/sinδ)作为指标评估沥青胶结料的抗车辙性能。但该试验采用的应力水平较低，从而低估了改性胶结料的抗车辙性能。为替代这个指标，修订Superpave沥青胶结料规范时引入了多应力重复蠕变恢复试验(Multiple Stress Creep and Recovery，MSCR)评估沥青胶结料的抗车辙性能。2007年，D'Angelo等[3]开发多应力蠕变恢复试验来评价沥青胶结料的高温性能。与车辙因子相比，MSCR试验中用不可恢复蠕变柔量Jnr来表征沥青胶结料的抗车辙性能，其具有更高的相关性[4]。目前MSCR试验已正式纳入AASHTO TP 70-10规范[5]中，试验包括10个蠕变和恢复周期。每个周期包括在2个不同应力水平下(低应力水平100 Pa与高应力水平3 200 Pa)的1 s蠕变阶段和9 s恢复阶段，其中不同应力水平表示实际路面的交通荷载等级。

本研究主要利用MSCR评估纳米SiO2改性沥青胶结料(Nanosilica Modified Asphalt Binder，NSMB)的高温性能，并探讨纳米SiO2的掺入对沥青胶结料蠕变柔量Jnr和应变恢复率R的影响，以此评估沥青胶结料的抗车辙性能，并确定纳米SiO2沥青胶结料中改性剂的最佳掺量。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料与试样制备

采用粒径10～15 nm之间的纳米SiO2对70#道路石油沥青进行改性，材料的基本技术性能指标见表1、表2。采用高速剪切仪制备纳米SiO2掺量分别为1%、2%、3%、4%和5%的NSMB试样，其中沥青质量为400 g，试验温度为150 ℃，转速为3 000 r/min，剪切时长为1 h。

表1 70#道路石油沥青的基本性能指标对比项目软化点/℃针入度/0.1 mm延度(10 ℃,5 m/min)/cm闪点/℃试验结果526731331技术要求≥4660～80≥15≥230

表2 纳米SiO2的基本性能指标外观SiO2含量/%Na2O含量/%pH值(20 ℃)密度(20 ℃)/(g·cm-3)颗粒尺寸/nm乳白色透明液体30±10.59.51.2010～15

1.2 试验方案

1.2.1短期老化

根据ASTM D2872规范，使用旋转薄膜烘箱(RTFO)设备模拟短期老化。试验过程中，每个盛样瓶装有35 g的纳米SiO2改性沥青，并将流速4 000 m L/min的热空气喷入动着的盛样瓶试样中，之后在163 ℃的烘箱中以15 r/min的速度转动85 min。

1.2.2多应力重复蠕变恢复试验

参照AASHTO TP 70规范，MSCR试验通过采用动态剪切流变仪(DSR)对经RTFO老化的试样进行试验，试验温度为64 ℃，选用100 Pa和3 200 Pa两种应力水平进行连续测试，每个应力水平进行10个周期，每个周期10 s，分为1 s的加载蠕变阶段和9 s的卸载恢复阶段。MSCR试验得到的主要指标为平均应变恢复率R和平均不可恢复蠕变柔量Jnr。R值表示胶结料的弹性响应和应力依赖性，而Jnr定义为MSCR试验期间不可恢复应变与施加应力的比值，其计算公式如下。

(1)

(2)

式中：εp为应变峰值，εu为不可恢复应变，σ表示应力水平。

此外，还计算了100 Pa和3 200 Pa下10个周期的平均R和平均Jnr，分别表示为R100、R3 200和Jnr100、Jnr3 200。应力敏感参数Rdiff和Jnr-diff的计算公式如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

2 试验结果与分析

2.1 应变

图1为64 ℃下NSMB在2种应力水平下MSCR试验的典型应变历时曲线，前100 s为低应力水平(100 Pa)，后100 s为高应力水平(3 200 Pa)。图1显示了沥青胶结料在低应力水平下的累积应变明显低于高应力水平下的累积应变，表明累积应变随应力水平提高而增加。与基质沥青相比，NSMB的累积应变明显更小，其中NSMB 2%的累积应变最低，表明纳米SiO2的掺入提高了沥青胶结料在高温下的刚度。图2为100 Pa时NSMB的一个MSCR试验周期，包括蠕变和恢复2个阶段。由图2可知，在蠕变阶段，应变在荷载作用下快速增大；在恢复阶段，应变在初始阶段恢复较快，但随着时间延长，恢复率逐渐降低。MSCR试验结果反映了沥青胶结料的黏-弹-塑性，卸载阶段中弹性应变恢复较快，而黏性应变恢复较慢[6]。

图1 MSCR试验应变历时曲线

图2 100 Pa应力水平下MSCR试验一个周期的应变历时曲线

2.2 不可恢复蠕变柔量Jnr

Jnr可以用来评价沥青胶结料抗车辙性能，Jnr值越低，抗车辙性能越好。表3和图3显示了2种应力水平试验下不同掺量NSMB的Jnr值。由图3可知，2种应力水平的Jnr值柱状图变化趋势相似。当应力水平从100 Pa增加到3 200 Pa，Jnr略有增加，基质沥青的Jnr变化最为明显，且纳米SiO2的掺入明显降低了沥青胶结料的Jnr值。当应力水平为100 Pa时，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的Jnr值较基质沥青胶结料分别降低了87.0%、93.4%、91.0%、87.0%和82.5%。在3 200 Pa应力水平下NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的Jnr较基质沥青胶结料分别降低了86.8%、93.1%、90.9%、86.6%和83.6%。因此，纳米SiO2的掺入可提高沥青胶结料的抗车辙性能。

表3 不同掺量下NSMB的Jnr值纳米SiO2掺量/%100 Pa下的Jnr值/Pa-13 200 Pa下的Jnr值/Pa-100.001 550.001 7210.000 200.000 2320.000 100.000 1230.000 140.000 1640.000 200.000 2350.000 270.000 28

图3 不同掺量下NSMB的Jnr值对比

2.3 应变恢复率R

应变恢复率R指标用来评价沥青胶结料在荷载作用下的弹性性能，R值越高，沥青胶结料的抗变形能力越强。图4显示了2种应力水平下NSMB的R值，与基质沥青胶结料相比，NSMB的R值更高，当应力水平为100 Pa时，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的R值较基质沥青胶结料分别提高了80.6%、89.0%、85.0%、78.8%和77.9%；在3 200 Pa应力水平下，NSMB 1%、NSMB 2%、NSMB 3%、NSMB 4%和NSMB 5%的R值较基质沥青胶结料分别提高了94.1%、96.8%、95.6%、92.6%和92.2%，这表明掺入少量的纳米SiO2可提高沥青胶结料的弹性应变恢复率，从而提高其抗变形性能。此外，对比2种应力水平下的R值可得，3 200 Pa时的R值比100 Pa时略有下降。有关研究[7]表明在任意应力水平或试验温度下，如果沥青胶结料至少有20%的应变恢复率，则表明其存在延迟弹性响应，通过试验数据可知，掺量为2%的NSMB满足该最小应变恢复率。

表4 不同掺量下NSMB的R值%纳米SiO2掺量100 Pa下的R值3 200 Pa下的R值02.370.65112.2211.02221.5520.31315.8014.77411.188.78510.728.33

图4 不同掺量下NSMB的R值对比

2.4 应力敏感性

蠕变柔量相对差异Jnr-diff和恢复率差值变化率Rdiff可用来评价沥青胶结料在不同应力水平下的蠕变柔量和恢复率的应力敏感性。Jnr-diff和Rdiff值越低，表明沥青胶结料的应力敏感性越低。表5和图5为NSMB的Jnr-diff和Rdiff计算结果。根据Superpave-MSCR试验规定，Jnr-diff的最大值不能超过75%，从图5可以看出，所有掺量的NSMB均符合规范要求，与低掺量NSMB相比，高掺量NSMB具有更高的应力敏感性。其中，NSMB 2%的Jnr在高温下应力敏感性最高，但其R的应力敏感性最低。

表5 不同掺量下NSMB的Jnr和R值应力敏感性纳米SiO2掺量/%RdiffJnr-diff072.5710.9719.8212.6725.7216.0136.5012.20421.4314.38522.293.99

图5 不同掺量下NSMB的Jnr和R值应力敏感性对比

2.5 Jnr与R的关系探讨

图6显示不同应力水平下NSMB的R和Jnr之间的关系。AASHTO TP 70规范中规定4个交通荷载等级：中等、轻交通Jnr<0.004 5 Pa，重交通Jnr<0.002 Pa，特重交通Jnr<0.001 Pa,极重交通Jnr<0.000 5 Pa。从图中可以看出，70#基质沥青胶结料适用于重交通荷载等级与中等、轻交通荷载等级，而NSMB适用于所有交通荷载等级。证明NSMB的应用可提高沥青路面的抗车辙性能，从而适用于特重、极重交通荷载等级。

图6 不同应力水平下NSMB的R和Jnr之间的关系

3 结论

通过多应力重复蠕变恢复试验评价指标对掺加纳米SiO2的沥青胶结料进行高温评价，得到以下结论：

1) 相比基质沥青胶结料，纳米SiO2改性沥青胶结料中的累积应变值更低，其高温条件下刚度更高。此外，纳米SiO2改性沥青胶结料的不可恢复蠕变柔量Jnr更低及恢复率R更高，表明掺入纳米SiO2改善了沥青胶结料的高温稳定性和弹性性能。

2)与其他掺量相比，掺量为2%的纳米SiO2改性沥青胶结料的抗车辙能力最优。

3)纳米SiO2改性沥青胶结料适用于极重交通荷载，大大提高了普通沥青胶结料所适用的交通荷载等级。