多應力蠕變恢復試驗：評估瀝青材料高溫性能的關鍵流變學方法

副標題：原理、流程、核心參數與應用價值詳解

引言
高溫條件下，瀝青材料在持續荷載作用下會產生不可恢復的變形（車轍），這是瀝青路面最主要的破壞形式之一。準確評估瀝青膠結料抵抗這種永久變形的能力至關重要。多應力蠕變恢復試驗（Multiple Stress Creep Recovery, MSCR），作為一種齊全的流變學測試方法，因其能夠有效模擬瀝青在實際路面中的受力狀態并量化其高溫性能，已成為評價瀝青（尤其是聚合物改性瀝青）抗車轍能力的關鍵工具。

一、 基本原理與目的

MSCR試驗的核心在于模擬瀝青膠結料在重復交通荷載作用下的行為。其基本原理基于以下關鍵點：

1. 蠕變階段： 在特定高溫（通常為道路使用溫度，如58°C, 64°C, 70°C等）下，對瀝青試樣施加一個恒定的剪切應力（τ），并維持一段時間（通常為1秒）。在應力作用下，瀝青試樣發生剪切變形（應變γ增加），此階段主要反映材料的粘性流動特性。
2. 恢復階段： 隨后，迅速將施加的應力降至零（或接近零），并維持一段時間（通常為9秒）。此時，材料中的彈性部分會嘗試恢復其原始形狀，應變會部分回彈。此階段主要反映材料的彈性恢復能力。
3. 應力水平與循環： MSCR試驗的關鍵在于使用多個不同的應力水平（例如0.1 kPa和3.2 kPa）進行上述蠕變-恢復循環。低應力（如0.1 kPa）模擬交通量小或低速行駛狀態，高應力（如3.2 kPa）模擬交通量大、重載或慢速行駛（如爬坡、剎車）的嚴苛狀態。每個應力水平下通常進行10個連續的蠕變-恢復循環，以達到穩定狀態。
4. 目的： 通過分析材料在重復加載-卸載循環中的蠕變變形和恢復行為，特別是計算不可恢復的蠕變柔量（Jnr）和恢復百分比（R），來綜合評價瀝青膠結料在高溫下的抗永久變形能力（抗車轍能力）和彈性恢復特性。它克服了傳統方法（如車轍因子G*/sinδ）在評價改性瀝青時的一些局限性。

二、 試驗裝置與流程

1. 核心設備： 動態剪切流變儀（DSR）。DSR的核心部件是兩個平行板（通常直徑8mm或25mm，依據測試溫度選擇），瀝青試樣夾在中間。
2. 試樣制備： 將瀝青樣品加熱至易于澆注的流動狀態，然后小心地注入到DSR的下平板上，調整上平板至設定間隙（通常1mm或2mm），修去擠出的多余瀝青，形成均勻的試樣薄膜。
3. 溫度控制： 將裝有試樣的平行板系統精確控制在目標測試溫度（如PG分級溫度或特定工程要求溫度）。
4. 應力序列與循環執行：
   • 首先在選定的低應力水平（如0.1 kPa）下，連續進行10次蠕變（1s）-恢復（9s）循環。
   • 完成低應力序列后，不更換試樣，立即在同一溫度下轉換到高應力水平（如3.2 kPa），再連續進行10次蠕變（1s）-恢復（9s）循環。
   • 整個過程中，DSR持續、精確地記錄施加的應力和試樣產生的應變響應（剪切變形）。
5. 數據處理準備： 記錄每個循環中應變隨時間變化的完整曲線。

三、 核心參數及其物理意義

MSCR試驗最重要的輸出參數是不可恢復蠕變柔量（Jnr）和恢復百分比（R%），通常取最后幾個循環（如第9、10次循環）的平均值作為報告值。

1. 不可恢復蠕變柔量（Jnr）：

   • 定義： Jnr = γ_nr / τ
     • γ_nr：一個蠕變-恢復循環結束后剩余的、不可恢復的應變（殘余應變）。
     • τ：該循環中施加的恒定剪切應力。
   • 物理意義： Jnr直接量化了瀝青膠結料抵抗永久剪切變形的能力，是評價抗車轍性能的核心指標。
     • Jnr值越低，表明在相同應力下，材料產生的不可恢復變形越小，其抵抗永久變形（車轍）的能力越強。
     • 報告時需指明對應的應力水平，如Jnr@0.1kPa, Jnr@3.2kPa。
     • 特別關注Jnr差異（% Difference in Jnr）： Jnr_diff = [ (Jnr@3.2kPa - Jnr@0.1kPa) / Jnr@0.1kPa ] * 100%。該值衡量材料對高應力水平的敏感性。值越小，表明材料在重載、慢速交通下的抗變形能力越穩定，對應力變化的敏感性越低，性能越好（尤其對改性瀝青至關重要）。

2. 恢復百分比（R%）：

   • 定義： R% = [ (γ_max - γ_nr) / γ_max ] * 100%
     • γ_max：蠕變階段結束時達到的最大應變。
     • γ_nr：恢復階段結束時的不可恢復應變（同Jnr計算）。
   • 物理意義： R%反映了瀝青膠結料的彈性恢復能力。
     • R%值越高，表明材料在卸載后能恢復的變形比例越大，其彈性成分越多，抵抗永久變形的潛力通常也越大（尤其對SBS等改性瀝青）。
     • 同樣報告對應應力水平下的值，如R%@0.1kPa, R%@3.2kPa。

四、 數據分析與應用價值

1. 評價抗車轍性能： Jnr是預測和排序瀝青膠結料高溫抗車轍性能的最直接、最相關的指標。Jnr值越低，預期的路面車轍深度越小。
2. 區分改性瀝青性能： MSCR特別擅長區分不同類型和劑量的改性瀝青（如SBS、SBR、橡膠粉等）。高性能改性瀝青通常表現出極低的Jnr值（尤其在3.2kPa下）和高的R%值，以及低的Jnr差異（%）。
3. 評估應力敏感性： Jnr差異（%）是MSCR獨有的優勢指標。它揭示了瀝青膠結料在重載、慢速交通等嚴苛條件下的性能穩定性。低的Jnr差異表明材料具有優異的抗變形能力，不易在重壓下發生顯著的額外變形。
4. 與路面性能關聯性強： 大量研究表明，MSCR參數（特別是Jnr@3.2kPa）與實際路面車轍深度之間存在良好的相關性，比傳統的車轍因子（G*/sinδ）更能準確預測改性瀝青的路用性能。
5. 質量控制與規范依據： MSCR已成為許多國家和地區瀝青膠結料規范和采購標準（如美國的AASHTO M 332, 歐盟的EN 16659）的重要組成部分。供應商和道路管理部門使用Jnr和R%的限值來確保瀝青材料滿足特定高溫性能要求。
6. 研究開發： 用于評估新改性劑、再生瀝青（RAP/RAS）摻量、老化程度等對瀝青高溫流變性能的影響。

五、 優勢與局限性

• 優勢：
  • 更真實地模擬實際交通荷載（重復脈沖荷載）。
  • 直接測量不可恢復變形（Jnr），與車轍直接相關。
  • 能有效評價改性瀝青（克服G*/sinδ的局限性）。
  • 提供應力敏感性指標（Jnr差異%）。
  • 與路面性能相關性更好。
  • 測試相對快速（約10分鐘/溫度/應力序列）。
• 局限性：
  • 需要精密的DSR設備和熟練的操作人員。
  • 主要評價膠結料本身，混合料設計、級配等因素也顯著影響最終車轍。
  • 測試在較小應變范圍內進行，與路面實際大變形狀態存在尺度差異（盡管相關性良好）。
  • 對于某些特殊瀝青（如高蠟含量或某些硬質瀝青），解釋結果需謹慎。

多應力蠕變恢復試驗（MSCR）代表了瀝青膠結料高溫性能評價技術的重大進步。其通過模擬實際交通荷載下的蠕變與恢復行為，直接量化了瀝青抵抗永久變形的核心能力（Jnr）和彈性恢復特性（R%），并提供了獨特的應力敏感性指標（Jnr差異%）。這使得MSCR成為區分和篩選高性能瀝青，尤其是各類改性瀝青的關鍵工具，并已在范圍內被廣泛納入規范和標準，為提升瀝青路面的抗車轍性能和長期耐久性提供了科學、可靠的依據。盡管不能完全替代混合料試驗和路面觀測，MSCR作為膠結料層級最重要的高溫流變評價方法之一，其價值和地位已得到充分認可。