Superpave改性沥青混合料的抗车辙性能试验研究

1、第30卷第1期2010年2月文章编号:1671-2579(2010)01-0241-06中外公路241Superpave改性沥青混合料的抗车辙性能试验研究田卫群1,陈志伟2,丛菱2,杨军2(1.云南省公路科研所,云南昆明650051;2.东南大学交通学院)摘要:该文采用改进的车辙试验和SPT试验评价SBS、PR、RS和DUROFLEX共4种抗车辙剂对Superpave沥青混合料高温抗车辙性能的改性效果,旨在判定SPT试验区分改性剂对沥青混合料高温抗车辙性能改性效果差异的有效性。采用车辙试验10000次荷载作)评价各种改性沥青混合料的抗车辙性能。结果表明:PR改性沥青混合用下的相对变形率(料的高

2、温抗车辙性能最好,RS次之,再次是SBS和DUROFLEX改性沥青混合料。SPT试验结果表明,流变次数Fn和流变时间Ft能区分SBS、PR、RS和DUROFLEX共4种改性沥青混合料高温抗车辙性能的差异,但与相对变形率的评价结论不完全一致,SBS改性沥青混合料的Fn和Ft值都是最大,表明其具有良好的抗车辙能力;采用动态模量参数E3和,不能有效地区分改性沥青混合料抗车辙性能的差异。E3/sin关键词:Superpave;车辙试验;SPT;Fn;Ft;E3;E3/sinSHRP(TheStrategicHighwayResearchPro2gram)于1993完成项目研究工作,SHRP沥青研究的最

3、终成果是Superpave,1999年,沥青,最终确定了沥青混合料动态模量试验、重复加载永久变形试验和静态蠕变试验这3个试验作为基本性能试验,即SPT(SimplePerformanceTest),主要用于评价混合料的高温稳定性能和抗疲劳性能设计方法在,提出了对该设计方,同时,通过比较室内和现场的大量试验数据,分析了3个简单性能试验参数与混合料路用性能的相关性,结果表明相关性较好。近年来,Superpave方法在中国逐渐得到了推广和应用。该文以云南省蒙(自)-新(街)高速公路为依托工程,设计Sup-20级配,应用车辙试验和SPT试其余各组数据的相对误差均小于14%,满足工程实际应用精度要求。差

4、均小于14%,满足非破损检测精度要求。参考文献:3结论(1)粗骨料粒径对后装拔出法检测混凝土强度的影响是显著的,应充分考虑骨料粒径的影响。(2)单粒级配粗骨料最大粒径越大,相应的拔出1CECS69:94后装拔出法检测混凝土强度技术规程S.2余红发.混凝土非破损测强技术研究M.北京:中国建材工业出版社,1999.3马铭彬.拔出法在混凝土结构非破损检测中的应用J.广西工学院学报,2003(4).4吴历斌,颜志勇,等.高强高性能混凝土中的集料研究J.四川建筑科学研究,2002(8).5张荣成,邱平.后装拔出法检测高强混凝土强度的试验研力有减小趋势;连续级配粗骨料最大粒径越大,拔出力有增大趋势。(3)

5、对于不同粒径的混凝土,引入粗骨料粒径的综合修正系数,对后装拔出法测得的混凝土抗压强度进行修正。试验结果表明,综合修正系数法的相对误收稿日期:2009-04-20究J.施工技术,1999(10).6蔡正咏.数理统计在混凝土试验中的应用M.北京:中国铁道出版社,1987.作者简介:田卫群,女,大学本科,高级工程师.E-mail:twqzpc© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中外公路第30卷242验比较不同抗车辙剂对Sup-20沥青混合料高温性能的改性效果

6、,旨在研究SPT试验能否有效地比较添加不同改性剂的沥青混合料性能的差异,为实际工程选取性价比较高的改性剂提供比选方法与参考。SBS改性剂则先与基质沥青用相应设备混合后,再与石料拌和,最后加矿粉,SBS改性剂与基质沥青的混合比例为595。车辙板试件成型尺寸为300mm×300mm×50mm,空隙率控制在4%左右。SPT试件用旋转压实仪成型,成型前将混合料放入170烘箱中老化2h,成型时空隙率控制在4%左右,成型尺寸为150mm(直径)×170mm(高度),SPT试件要求钻取芯样尺寸为100mm(直径)×150mm(高度)。1混合料设计1.1原材料经检测,试

7、验选用的石灰石集料和矿粉性能符合JTJ058-2000公路工程集料试验规程技术要求。采用埃索70#基质沥青,其性能指标见表1。选用4种目前中国应用较多且对沥青混合料高温性能改善效果较好的改性剂:国产SBS(StyreneButadieneSty2rene),法国PR(PRPLAST.S),德国DUROFLEX和国产车辙王RS(RadSpunrie)。表1埃索70#基质沥青主要技术指标技术指标针入度(25,100g,5s)/0.1mm)/cm延度(5cm/min,152车辙试验中国规范采用车辙试验的动稳定度DS来评价沥青混合料的高温稳定性能,根据荷载作用t1=45min以及t2=60min的永久

8、变形来计算:(1)DS=×C1×C2d2-d1式中:DS(/;d1、d2分别为t1、t2所(轮速度,通常取42/12,动稳定度DS并不能反映试件在整个试验过程中的变形情况,且1h的试验并不能区分改性剂效果的差异,该研究拟进行4h车辙试验,并采用相对变形率来评价混合料抗车辙性能:=×(2)100%L指标值60.91612722.199.8软化点(环球法)/)/(g密度(15-)闪点/含蜡量/%溶解度/%1.2Sup-20级配设计采用Superpave体积设计方法设计Sup-20级配,具体级配组成见表2,进一步试验确定最佳沥青用量为4.2%。表2沥青混合料级配组成孔径

9、/mm25.019.016.012.59.54.75为试件相对变形率(%);L为4h后试件产式中:生的总变形(mm);L为试件厚度(mm)。为比较不同温度与荷载条件下改性剂对混合料高温性能的改性效果,选用5种试验条件(试验温度/轮载):50/0.7MPa;60/0.7MPa;60/0.8MPa;60/0.9MPa;70/0.7MPa。试件与试模在试验温度下气浴保温5h,然后开始试验,试验轮行走距离为230mm,行走速度为42次/min。各试验条件下车辙板的最终变形量及相对变形率的计算结果如表3所示。从表3可以看出,在各试验条件下,PR改性沥青混合料的相对变形率始终是最小的,70高温条件下,0.

10、7MPa轮载作用4h后的最终变形量仅为2.49mm,RS改性沥青混合料的高温性能次之,再次是SBS改性沥青混合料和DU2ROFLEX改性沥青混合料。可见利用相对变形率指标能区分出各种添加剂改性效果的差异。通过率/%100.094.085.770.356.737.9孔径/mm2.361.180.60.30.150.075通过率/%24.416.411.48.15.94.71.3试件成型试验室拌制沥青混合料时,PR、RS和DU2ROFLEX的添加量为沥青混合料总质量的4,先将改性剂与石料干拌,再添加基质沥青,最后加矿粉。© 1994-2010 China Academic Journal

11、 Electronic Publishing House. All rights reserved. 2010年第1期田卫群,等:Superpave改性沥青混合料的抗车辙性能试验研究表3车辙试验结果243温度/50轮载/MPa0.70.7SBS1.8482.2192.5552.9563.278车辙深度/mmPR1.2441.6602.2552.4452.490RS1.5191.9802.5292.9603.065DUROFLEX1.9532.2952.8703.0353.180SBS3.704.445.115.916.56相对变形率/mmPR2.493.324.514.894.98RS3.04

12、3.965.065.926.13DUROFLEX3.914.595.746.076.36600.80.9700.73SPT试验SPT包括3个试验:重复加载永久变形试验、静改性沥青混合料的56倍。图2和图3是Fn随试验温度及荷载变化的关系图,Fn随温度和荷载的提高呈线性减小,其中SBS改性沥青混合料的Fn下降得最快,但始终大于其他沥青混合料。综上可知,各试验条件下,4种改性沥青混合料的Fn值有明显差异,其抗车辙能力的排序为:SBS>PR>RS>DUROFLEX。表4流变次数试验结果测试条件60/800kPa60/900kPa70/700kPa104753490324态蠕变试验和

13、动态模量试验。SPT试验系统有围压加载装置,可以进行单轴试验和三轴试验,还有自带的环境温度箱,试验过程中对试件起保温作用,以减小因试件温度变化引起的试验误差。3.1重复加载永久变形试验在规定的试验温度下对试件施加一轴向重复的半正弦压荷载脉冲,每1.0s荷载加载0.1s,0.9(图1),数Fn(FlowNumber)应变最小变化率所对应的加载次数。流变次数Fn509365235159RS566317197132103DUROFLEX3401811229171)图2Fn与轴向压力关系图(60图1流变次数试验示意图沥青路面抗车辙性能受环境温度与车辆荷载的影响很大,所以试验采用5种不同的温度和轴向压力

14、组合:50/0.7MPa;60/0.7MPa;60/0.8MPa;60/0.9MPa;70/0.7MPa。试验前将试件放入试验温度的空气浴中保温3h,为模拟沥青路面现场使用环境,试验时施加220kPa围压。表4给出的试验结果表明:在各试验条件下,SBS改性沥青混合料的Fn最大,为PR改性沥青混合料的23倍,RS改性沥青混合料的34倍,DUROFLEX图3Fn与温度关系(轴向压力0.7MPa)3.2静态蠕变试验在规定的试验温度下对试件施加一恒定的轴向压© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

15、rights reserved. 中外公路第30卷244力荷载(图4),同时测定相应时间的轴向应变,应变的变化率再次开始增大的点所对应的时间就是流变时间Ft(FlowTime)。流变时间定义为轴向应变最小变化率所对应的时间。异,其抗车辙能力的排序为:SBS>PR>RS>DU2ROFLEX。)图5Ft与轴向压力关系(50图4流变时间试验示意图当试验条件为60/0.9MPa、70/0.7MPa时,即使围压为220kPa,不同改性沥青混合料试件破坏都很快,Ft很小,不能比较出各种添加剂改性效果的差异。故将试验条件更改为:40/0.7MPa,50/0.7MPa,50/0.8MPa,5

16、0/0.9MPa,60/0.7MPa。t(轴向压力0.7MPa)温3h,220kPa围压。3.3动态模量试验表5:在各试验条件下,SBS改性沥青混合料的Ft最大,约为RS和DUROFLEX改性沥青混合料Ft的2倍,PR改性沥青混合料的Ft也明显大于RS和DUROFLEX改性沥青混合料。表5流变时间试验结果测试条件40/700kPa50/700kPa50/800kPa50/900kPa60/700kPa在规定的试验温度下以不同频率对试件施加一正弦轴向压应力,测定相应时间所施加的应力和轴向应变,并根据式(3)和(4)计算动态模量E3和相位角。3(3)E=0=Tp×360(4)流变时间/s

17、SBS1515997690485529PR1200818515396363RS786496353253197DUROFLEX712402302206135式中:E3为动态模量;0为应力峰值;0为应变峰值;为相位角;Ti为应变与应力间的滞后时间;Tp为施加应力的周期。沥青混合料的动态模量主要受试验温度和荷载频率的影响,与荷载大小无关。该文主要是研究沥青混合料的高温性能,因此仅研究2070试验温度范围的动态模量。Witczak等人在研究报告中推荐用加载频率为5Hz时的E3和E3/sin评价沥青混合料的抗车辙性能,周富杰等人的研究结果也表明,10Hz和5Hz时的E3和E3/sin能有效地区分沥青混合

18、料抗车辙性能的优劣,所以该研究加载频率采用10Hz和5Hz。试验前将试件放入试验温度的空气浴中保温3h,为模拟沥青路面现场使用环境,试验时施加220kPa围压。不同试验温度和荷载频率作用下,各改性沥青混图5和图6是Ft随试验温度及荷载变化的关系图,各混合料的Ft随温度和荷载的提高呈线性减小,其中SBS和PR改性沥青混合料的Ft下降较快,但始终大于RS和DUROFLEX改性沥青混合料。RS和DUROFLEX改性沥青混合料Ft相近,且随试验温度及荷载提高的变化曲线斜率基本一致,可认为RS和DUROFLEX的高温改性效果差不多。综上可知,各试验条件下,4种改性沥青混合料的Ft值有明显差©

19、1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2010年第1期田卫群,等:Superpave改性沥青混合料的抗车辙性能试验研究245合料的动态模量及相位角见表6。图710为E3和3E/sin与温度变化的关系图,总体上看,SBS改性沥青混合料的E3和E3/sin最小,其次是PR改性沥青混合料,RS和DUROFLEX改性沥青混合料的E3和E3/sin值都较大,而DUROFLEX改性沥青混合料的E3和E3/sin值最大,但车辙试验结果表明:DUROFLEX改性沥青混合料的抗车辙性能

20、并不是最好,同时,PR改性沥青混合料的E3和E3/sin值小于RS和DUROFLEX改性沥青混合料,但车辙试验、流变次数和流变时间都表明PR改性沥青混合料的其抗车辙性要比RS和DUROFLEX改性沥青混合料好,这与NCHRP9-19中提出的动态模量试验能区表6动态模量试验结果沥青混合料类型温度/2030SBS40506070203040PR502030RS405060702030DUROFLEX40506070E3/MPa)/(°10Hz22.0636.5136.0533.2229.8318.0218.8829.627624.2017.5527.4333.3033.8632.5227

21、.9416.8026.9732.2632.7330.4825.225Hz23.1336.8135.1332.0928.2619.8020.9430.7232.30.24.1423.1119.4229.2133.3832.9530.9327.0218.7130.5232.5531.9428.8124.94(E3/sin)/MPa10Hz3290461403249305618441645422881132359163757174156846721338119641588537981678671383512235022865Hz258264566247623571026113732818920043

22、84243621271429452841219053162684165612774284911740551328282015184010Hz12358365319121674619509136845885298611622272253690188410567441652576133810189911929745Hz10145273614251227486385117294700233115611424759492925146085158014526596229661496971776图7E3与温度关系图(10Hz)图8E3与温度关系图(5Hz)© 1994-2010 China Ac

23、ademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中外公路第30卷246试验结论为准,并坚持更多试验数据的积累与实际路用效果的监测。(5)在动态模量试验中,SBS和PR改性沥青混合料的E3和E3/sin值要小于RS和DUROFLEX改性沥青混合料,而PR改性沥青混合料的抗车辙性能最好,这与NCHRP9-19中提出的动态模量试验能区分沥青混合料抗车辙性能优劣的结论矛盾。鉴于图9E3/sin与温度关系图(10Hz)该研究的局限性,需要进一步深入研究以验证动态模量试验评价改性沥青混合料高温抗车辙性能优劣的有效性。(6)实

24、际施工时,直接将PR颗粒投入拌和楼即可,施工工艺简便。综合其较好的高温抗车辙性能,推荐依托工程采用PR改性剂。参考文献:1NicholasP.Vitillo,ThomasBennert,JosephSmith,Ali图10E3/sin与温度关系图(5Hz)Maher.EvaluationofMixDesignforLowJPresentedatthe85thAn2ResearchBoard,January2006,CDROM06-1277.2BouzidChoubane,SalilGokhale,GregorySholar,How2ardMoseley.EvaluationofCoarsean

25、dFineGradedSu2perpaveMixturesUnderAcceleratedPavementTesting.Presentedatthe85thAnnualMeetingoftheTransporta2tionResearchBoard,WashingtonD.C.,January2006,CDROM06-2252.3PeterE.Sebaaly,AdamJ.T.Hand,W.MartyMcNa2mara,DeanWeitzel,JonA.Epps.FieldandLaboratoryPerformanceofSuperpaveMixtur-EsInNevada.Resen2tedatthe83ndAnnualMeetingoftheTransportationRe2searchBoard,WashingtonD.C.,January2004,CDROM04-1000.4DuShun-cheng,DaiJing-liang.PermanentDeforma2tionEvaluation