无缝伸缩缝沥青胶结料高温性能指标区分评价

任东亚, 梅煜康, 张家康, 冯凌宇, 艾长发

(1.西南交通大学 土木工程学院, 四川 成都 610031; 2.西南交通大学 道路工程四川省重点实验室, 四川 成都 610031)

无缝伸缩缝由高分子改性沥青胶结料和单粒径粗集料结合形成的弹塑体以及底部支撑钢板所组成,具有良好的整体性和耐久性,目前在中小跨径桥梁中受到越来越多的关注及应用,尤其适宜于伸缩变形量小于50mm的桥梁[1-5].现有实践中无缝伸缩缝弹塑体通常位于桥面层,直接与车辆轮胎及外界环境接触,并未形成真正的无缝桥面构造,因此存在行车不平顺、易老化、高温季节弹塑体易推移变形等问题[4-5].为进一步改善行驶舒适性以及提高无缝伸缩缝长期路用性能,2012年,四川成自泸(成都—自贡—泸州)高速成仁(成都—仁寿)高架路段采用了一种新型的无缝伸缩缝装置——EPSE伸缩缝.该结构将伸缩缝布置于桥梁结构的混凝土铺装层,上层沥青混凝土全程贯通铺装,形成了真正的无缝桥面[6],其构造示意图如图1所示.EPSE伸缩缝与桥面铺装连接平顺,行车舒适平稳,同时由于其中的弹塑体避免了与外界直接接触,老化问题也得到了显著改善.ESPE伸缩缝室内足尺试验结果显示,该新型伸缩缝满足最大拉伸位移量要求,且最大拉位移控制因素为上层沥青混凝土与弹塑体伸缩缝材料黏结面开裂[7].成自泸高速成仁高架桥路段共铺装ESPE伸缩缝441条,2018年无缝伸缩缝性能现场检测结果显示,经过7a的使用,ESPE伸缩缝整体路用效果优异,无明显结构性破坏现象.但部分伸缩缝面层存在不同程度的凹陷及凸起,伸缩缝表层沥青混凝土局部产生横桥向裂缝.现场车辙与裂缝分布数据揭示，无缝伸缩缝弹塑体高温稳定性不足是影响其耐久性的主要原因.在伸缩缝处,面层沥青混凝土与下层伸缩缝弹塑体的模量差异较大.由于模量不匹配,在温度应力或车辆荷载的作用下,易使面层沥青混凝土底部弯拉应变过大,从而产生疲劳裂缝.无缝伸缩缝的沥青胶结料质量占整个弹塑体质量的20%～30%,因此弹塑体在高温下的稳定性主要取决于其中沥青胶结料的高温性能和抗变形性能.国内外工程实践表明,弹塑体中沥青胶结料在达到现有沥青高温评价指标的情况下,仍不能满足伸缩缝对弹塑体中沥青胶结料的路用需求[8-10].

图1 EPSE伸缩缝结构构造形式示意图Fig.1 Schematic diagram of the elastic-plastic seamless expansion joint structure(size:cm)

无缝伸缩缝沥青胶结料多为聚合物改性沥青,且加入的聚合物含量较大,约为普通沥青路面的2倍以上.对于无缝伸缩缝沥青胶结料,各国规范采用的高温稳定性评价指标包括软化点、135℃黏度、针入度、弹性恢复率及流动值.此外,国内外学者从流变学的角度,采用动态剪切流变的车辙因子以及蠕变劲度作为无缝伸缩缝沥青胶结料高温性能的辅助评价指标[11].软化点对高黏弹沥青胶结料特性的敏感程度低于黏度指标,常作为这种胶结料高温性能的辅助评价指标[12].车辙因子主要适宜于评价基质沥青的高温性能,然而受弹塑体中沥青胶结料高延迟弹性恢复能力的影响,该指标并不能有效评价改性沥青的高温性能[13].综上所述,无缝伸缩缝沥青胶结料作为一种特殊的高黏弹性材料,上述几种评价指标均存在一定局限性,不能很好地指导实际施工.

近年来,国内外部分研究针对如何适应改性沥青性能评价问题,提出了重复蠕变恢复试验(RCRT),用蠕变柔量来表征改性沥青抵抗变形的能力,随后在RCRT方法的基础上提出了使用多应力蠕变恢复(MSCR)试验来评价沥青胶结料的高温性能,AASHTO MP19—2010《Standard specification for performance-graded asphalt binder using multiple stress creep recovery(MSCR) test》也将MSCR试验得出的平均不可恢复蠕变柔量作为改性沥青的交通分级新指标.曾诗雅等[14]、唐乃膨等[15]、郭咏梅等[16-17]的研究结果表明,MSCR试验得出的平均恢复率、平均不可恢复蠕变柔量等指标与改性沥青车辙性能具有较好的相关性,对改性沥青高温性能具有较好的区分度.但目前对于无缝伸缩缝沥青胶结料高温黏弹特性的研究不够深入,受弹塑体中沥青胶结料聚合物掺量高及其高延迟弹性恢复能力的影响,对控制其高温性能的关键评价指标尚不明确.因此,本文针对国内外3种无缝伸缩缝弹塑体中的沥青胶结料,进行了基本性能指标、动态剪切温度扫描试验以及多应力蠕变恢复试验,以测试分析其在不同温度和应力状态下黏弹特性的变化规律,同时根据试验结果,对软化点、车辙因子、相位角、蠕变恢复率和不可恢复蠕变柔量等高温性能评价指标进行一致性和区分度分析,并结合混合料车辙试验验证,推荐更准确的无缝伸缩缝高温性能关键控制指标,为优选沥青胶结料类型提供参考.

1 试验设计

1.1 试验介绍

多应力蠕变恢复(MSCR)试验是美国联邦公路局最新推广使用的试验方法,评价指标与足尺加载试验测得的沥青混合料车辙深度相关性较高[18-19].其中低应力状态下的试验反映了沥青在线性黏弹状态下的性能,高应力状态则反映了沥青在非线性黏弹状态下的性能.MSCR试验加载与卸载原理见图2.试验首先采用0.1kPa的剪应力加载1s,卸载9s,重复10个周期;接着采用3.2kPa的剪应力重复以上步骤.每个应力周期沥青胶结料都经历1个蠕变-恢复过程,在蠕变阶段末应变达到周期峰值γc,周期末恢复的应变为γr,不可恢复的应变为γu,不可恢复的应变将会继续累积到下一个周期.每10个蠕变和恢复周期后可测得平均应变恢复率R和平均不可恢复蠕变柔量Jnr,其中平均应变恢复率R可以反映改性沥青的弹性恢复能力,Jnr可以反映改性沥青在较大应力下的非线性流变响应.

图2 MSCR试验加载与卸载原理图Fig.2 Schematic diagram of MSCR test loading and unloading

1.2 原材料及试验仪器

1.2.1沥青胶结料

本研究选用3种无缝伸缩缝沥青胶结料作为测试用沥青样品,分别为国产HN型改性热塑高弹性体沥青胶结料、国产DY型高弹性体沥青胶结料、英国BJ型高分子聚合体改性沥青胶结料.根据JT/T 1129—2017《桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料》要求,沥青胶结料相关基本性能测试结果见表1.

表1 无缝伸缩缝沥青胶结料基本性能

按照AASHTO TP70—2012《Standard method of test for multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》,用动态剪切流变仪(DSR)测试改性沥青高温性能指标时,需要先对沥青试样进行旋转薄膜烘箱(RTFOT)短期老化处理.由于该伸缩缝结构采用“EPSE”结构,实际结构中不与外界相接处的老化问题并不明显,且无缝伸缩缝沥青胶结料中聚合物改性剂含量高、流动性差,在163℃下进行沥青的老化试验时,样品在盛样瓶中受热不均,部分呈干裂的碎片状,无法从盛样瓶中倒出,也难以用于后续试验.由于无缝伸缩缝沥青胶结料的自身特性,在国内外相关技术性能评价标准体系中都较少含有其老化后的评价指标[20].综合考虑,采用原样沥青胶结料开展高温性能测试更符合胶结料的实际工作状态.试验仪器采用美国TA公司生产的DHR-3动态剪切流变仪.

1.2.2沥青混合料

无缝伸缩缝的材料主要由沥青胶结料和集料组成,其中的沥青胶结料采用高度改性过的改性沥青,对于集料的选择则与普通的路用沥青混合料存在很大区别,其粒径和级配的选择要保证集料具有足够的间隙.集料之间的大间隙可以保证沥青混合料中具有足够的沥青胶结料,而沥青胶结料是整个沥青混合料中承担伸缩变形的主要部分.本文所使用的集料为粒径9.5～13.2mm的玄武岩,油石比(质量比)采用1∶4.沥青混合料级配如表2所示.

表2 无缝伸缩缝沥青混合料级配

1.3 试验方案

1.3.1沥青胶结料试验

采用动态剪切流变仪(DSR)对3种沥青胶结料进行温度扫描试验和多应力蠕变恢复(MSCR)试验.所用样品均为普通型伸缩缝沥青胶结料,使用地区夏季路面最高温度为55～75℃.考虑到路面温度场的分布规律,在夏季高温状态下位于路表以下10cm 的伸缩缝温度低于路表温度,参考AASHTO M320《Standard specification for performance-graded asphalt binder》的分级温度选择试验温度.温度扫描试验使用25mm 的转子,试件厚度2mm,应变水平0.5%,频率10rad/s,采用58、64、70、76、82℃这5种温度.MSCR试验时,首先采用0.1kPa的剪应力加载1s,卸载9s,重复10个周期,接着采用3.2kPa的剪应力重复以上步骤,总共20个周期,共200s;使用25mm的转子,试件厚度2mm,试验采用64、70、76、82℃这4种温度.温度扫描试验和MSCR试验中,58、64、70℃这3种温度反映了伸缩缝在该地区工作状态下的温度;76、82℃作为试验延伸温度,用于测试极端状态下的材料性能.

1.3.2沥青混合料车辙试验

依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行车辙试验.

2 测试结果

2.1 温度扫描试验指标

车辙因子G*/sinδ可以用来表征沥青胶结料的高温性能,其中G*为复合模量,是最大剪切应力与最大剪切应变的比值,表征材料的抗变形能力;相位角δ是黏性材料由于应变滞后,在测试过程中从施加剪切应力到材料产生应变的相位差,表征材料中黏性成分和弹性成分的大小,纯黏性材料和纯弹性材料的相位角分别为90°和0°,介于两者之间的材料具有不同程度的黏弹性性质.

图3是3种沥青胶结料的复合模量和相位角随温度变化曲线.由图3可以看出：3种沥青胶结料的复合模量均随着温度的升高而降低,表明随着温度的上升,沥青胶结料抗变形能力降低;相位角在试验温度范围内变化幅度较小,这是由于无缝伸缩缝沥青胶结料在高温状态下具有较高的模量,相位角受温度变化影响较小.相位角大小反映了3种沥青胶结料的弹性成分含量,其中DY型沥青胶结料的弹性成分含量最低,HN型沥青胶结料略低于BJ型沥青胶结料.图4是3种沥青胶结料的车辙因子随温度变化曲线.由图4可见：3条曲线基本平行,车辙因子均随着温度的上升而下降,变化趋势相同;在试验温度条件下,3种沥青胶结料的车辙因子大小排序为：HN型>BJ型>DY型.根据试验结果计算可得,3种沥青胶结料的车辙因子等于1kPa时所对应的温度分别为163、145、148℃.车辙因子和高温PG分级结果显示,3种沥青胶结料的高温性能大小排序为：HN型>BJ型>DY型.

图3 沥青胶结料在不同温度下的复合模量和相位角Fig.3 Composite modulus and phase angle of asphalt binder at different temperatures

图4 沥青胶结料在不同温度下的车辙因子Fig.4 Rutting factor of asphalt binder at different temperatures

2.2 MSCR试验指标

无缝伸缩缝沥青胶结料具有一定的延迟弹性恢复性能,在一定时间内,恢复的变形量越大,则不可恢复应变量越少,表明沥青胶结料抵抗高温车辙变形的能力越好.在0.1、3.2kPa 2种应力加载模式下,多应力蠕变恢复试验10个循环周期的平均应变恢复率分别为R0.1和R3.2,2种应变恢复率相对差值为Rdiff.平均应变恢复率反映了沥青的弹性恢复能力,应变恢复率相对差值反映了沥青恢复率对应力的敏感性.试验结果见图5～7.

图6 沥青胶结料在不同温度下的平均应变恢复率R3.2 Fig.6 Average strain recovery rate R3.2 of asphalt binder at different temperatures

图7 沥青胶结料在不同温度下应变恢复率的相对差值Rdiff Fig.7 Relative difference in strain recovery rate Rdiff of asphalt binder at different temperatures

由图5、6可见：在0.1kPa应力作用下,3种沥青胶结料在试验温度下的平均应变恢复率均大于95%,说明无缝伸缩缝沥青胶结料在线弹性范围内具有很好的回弹性能,其R0.1的大小排序为：BJ型>HN型>DY型；在3.2kPa应力作用下,HN型沥青胶结料的平均应变恢复率与DY型沥青胶结料相近,BJ型沥青胶结料则大于前两者；相较于低应力状态,高应力状态下3种沥青胶结料的平均应变恢复率均随着温度的增大而减小,当试验温度超过76℃时,R3.2下降速度变快,原因可能是在高应力作用下,沥青胶结料进入非线性流变区域,因此对温度变化更为敏感.对比相位角测试结果可知,沥青平均应变恢复率大小与沥青弹性成分含量存在相关性.图7结果表明：3种沥青胶结料应变恢复率相对差值Rdiff大小排序为：HN型>DY型>BJ型,BJ型沥青胶结料在试验温度条件下对应力变化最不敏感.

沥青胶结料在应力作用后不可恢复的形变逐渐累积会形成车辙变形,因此不可恢复应变也是评价沥青胶结料高温抗车辙能力的重要指标.2种应力加载模式下,10个循环周期的平均不可恢复蠕变柔量分别为Jnr0.1和Jnr3.2,不可恢复蠕变柔量的相对差值为Jnr-diff.试验结果见图8～10.由图8～10可见：当试验温度在76℃以下时,3种沥青胶结料的不可恢复蠕变柔量随着温度变化而变化缓慢;当试验温度超过76℃ 后,2种应力状态下的不可恢复蠕变柔量均增长明显,且其大小排序与高应力状态下平均应变恢复率的大小排序相反.原因可能是当温度达到一定程度时,沥青胶结料内部结构遭到破坏,使其高温性能下降,这点尚有待进一步研究.另外,由图10可看到：3种沥青胶结料由于应力增加导致的不可恢复蠕变柔量均有上升,在高温状态下的应力敏感度较高,BJ型沥青胶结料由于应力变化导致的不可恢复蠕变柔量大于HN型沥青胶结料和DY型沥青胶结料.结合沥青黏弹性成分含量的大小发现,沥青胶结料弹性性质越强,其平均应变恢复率越高,不可恢复蠕变柔量越小,应力敏感性也越高.综合试验结果可知,3种沥青胶结料适用于最高温度在76℃以下的路面,BJ型沥青胶结料在高温条件下的弹性恢复能力和抵抗车辙变形的能力更强,适合重或特重交通量路段.

图8 沥青胶结料在不同温度下的平均不可恢复蠕变柔量Jnr0.1Fig.8 Average unrecoverable creep compliance Jnr0.1 of asphalt binder at different temperatures

图9 沥青胶结料在不同温度下的平均不可恢复蠕变柔量Jnr3.2Fig.9 Average unrecoverable creep compliance Jnr3.2 of asphalt binder at different temperatures

图10 沥青胶结料在不同温度下不可恢复蠕变柔量的相对差值Jnr-diffFig.10 Relative difference in unrecoverable creep compliance Jnr-diff of asphalt binder at different temperatures

2.3 车辙试验结果

车辙试验是评价沥青混合料在规定温度条件下抵抗塑性流动变形能力的方法,在试验过程中测定试件变形与时间或车轮通过次数之间的关系,以此来计算沥青混合料的动稳定度(DS值).车辙试验结果与实际路面有极好的相关性,可用于检测弹塑体混合料的抗车辙能力.3种沥青混合料的车辙试验结果见图11.由图11可见：3种沥青混合料的抗车辙能力为：BJ型>HN型>DY型.弹塑体混合料高温性能测试所得结果与MSCR试验结果一致,证明用MSCR试验来评估无缝伸缩缝沥青胶结料的高温性能结果可靠.3种沥青混合料车辙因子大小排序为：HN型>BJ型>DY型,从车辙因子试验结果来看,HN型沥青胶结料的高温性能更好.但由于无缝伸缩缝沥青胶结料不能进行短期老化试验,使得温度扫描试验不能完全符合规范要求,测试结果只能反映相同试验条件下的沥青胶结料相对性能表现.同时动态剪切流变试验没有考虑改性沥青的高延迟弹性恢复能力,测试结果存在局限性,对无缝伸缩缝沥青胶结料的高温性能评价只能作为参考之用,无法对其进行准确评价.另外的原因还可能是动态剪切流变试验的加载应力相对于MSCR试验更低,在不同试验状态下,沥青处于不同的黏弹状态,但对于处于重载交通下的沥青,MSCR试验的加载应力模式显然更接近实际使用状态.

图11 弹塑体混合料动稳定度Fig.11 Dynamic stability of the elastomer mixture(60℃)

3 结论

(1)在试验温度条件下,HN型沥青胶结料的车辙因子G*/sinδ最大;BJ型沥青胶结料的平均应变恢复率最大,不可恢复蠕变柔量最小,在高温条件下弹性恢复能力和抵抗车辙变形的能力更强,在工作温度状态下,其高温变形恢复能力更好.经车辙试验结果验证可知,BJ型沥青胶结料的高温抵抗车辙性能相对较好,证明用MSCR试验来评价无缝伸缩缝沥青胶结料高温性能相对更准确.

(2)规范指标对沥青性能区分度较小,且相关指标不能有效反映沥青高温性能.温度扫描试验所得的车辙因子不能够较好地反映沥青高温抵抗变形能力,而MSCR试验考虑了沥青线性和非线性黏弹状态,能够较全面地评价无缝伸缩缝沥青胶结料的高温性能和弹性恢复性能,且其试验指标区分度明显,试验方法相对简单,可以考虑用该试验指标代替相关规范指标.

(3)无缝伸缩缝沥青胶结料作为一种黏弹性材料,其黏弹性成分含量对其高温性能有一定的影响.初步对比显示,沥青弹性成分含量越高,其平均应变恢复率越高,不可恢复蠕变柔量越小,应力敏感性也越高.对于沥青胶结料黏弹性成分含量与性能的具体关系,需要通过更多的材料对比试验才能确定.