基于動態(tài)剪切流變儀的瀝青砂漿力學性能研究

張延雙,周新星

(1.通遼市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 028000；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料重點實驗室，武漢 430070)

基于動態(tài)剪切流變儀的瀝青砂漿力學性能研究

張延雙1,周新星2

(1.通遼市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 028000；
2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料重點實驗室，武漢 430070)

采用動態(tài)剪切流變儀對不同老化條件瀝青砂漿進行性能測試，分析其路用性能。結(jié)果表明：紫外和熱氧老化會改善瀝青砂漿的高溫穩(wěn)定性，水損害則會弱化瀝青砂漿的穩(wěn)定性；同時，紫外和熱氧老化還會在一定程度上對砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能造成損害，加快瀝青路面的低溫開裂，但是水損害卻能夠提高瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能。

動態(tài)剪切流變儀； 瀝青砂漿； 力學性能

瀝青混凝土主要由瀝青、砂漿和集料組成[1]，其中瀝青砂漿作為混凝土重要的組成部分，對瀝青混凝土的力學性能起著關(guān)鍵性的作用，還能指導瀝青混凝土的設(shè)計；同時對研究瀝青混凝土的紫外老化和水損害機理也起著重要的作用，因此研究細集料瀝青混凝土的力學性能首先必須考慮瀝青砂漿的性能。早在2007年荷蘭代爾夫特理工大學Mo[2]就采用動態(tài)熱機械分析儀(DMA)對瀝青砂漿以及瀝青砂漿-集料界面的動態(tài)力學進行了分析測試，但主要集中在疲勞性能。García等[3]考察了不同礦粉和纖維含量的瀝青砂漿的導電性能，認為隨著礦粉添加瀝青砂漿導電性能增加，達到最大值后便不再增加，同時他們還對瀝青砂漿的自愈合性能進行了研究。龐海峰[4]利用MTS力學試驗機對瀝青砂漿粘彈特性進行了試驗分析。長沙理工大學吳婷[5]采用SANS材料伺服試驗機通過單軸壓縮蠕變試驗分析不同集料組成對瀝青砂漿高溫性能的影響。2011年Mo等[6]便提出了利用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測試瀝青砂漿的標準方法。瀝青路面在氣候環(huán)境和車輛荷載作用下會發(fā)生一定程度的破壞，如熱氧老化、紫外老化和水損害等[7]。研究瀝青路面在外界環(huán)境作用下的力學性能對瀝青路面使用性能和預養(yǎng)護具有重要意義。因此也有必要對瀝青砂漿在短期老化(熱氧老化)、紫外老化和水損害情況下的力學性能進行分析，以探討瀝青砂漿破壞機理，為瀝青路面設(shè)計提供指導，為道路養(yǎng)護提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 材料參數(shù)

瀝青砂漿是由瀝青、石灰石礦粉和1.18 mm篩孔以下鋼渣細集料組成，其中瀝青∶礦粉∶細集料質(zhì)量比0.34∶0.30∶0.36。瀝青基本性能指標見表1。

表1 70# 基質(zhì)瀝青的基本性能指標

1.2 方法

熱氧老化砂漿的制備：將砂漿放入165 ℃的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱內(nèi)加熱5 h后得到熱氧老化瀝青砂漿。紫外老化砂漿的制備：是指瀝青砂漿在紫外老化條件下，60 ℃、30 W實驗條件下所得到的瀝青砂漿。水損害瀝青砂漿的制備：用容器裝入一定量的砂漿，在保水情況下抽真空15 min，低溫-5 ℃貯存18 h，再放入25 ℃溫水中24 h得到水損害瀝青砂漿。

動態(tài)剪切流變儀通過作用已知扭矩來測量試樣的復數(shù)剪切模量和相位角，配合相應(yīng)軟件可進行應(yīng)變控制(測量其應(yīng)力)和應(yīng)力控制(測量其應(yīng)變)，DSR剪切作用原理見圖1?？紤]材料性能和幾何尺寸效應(yīng)，本研究選取測試樣品高度為2 mm。蠕變測試過程恒定剪應(yīng)力30 Pa，測試60 ℃應(yīng)變的緩慢變化情況；低溫應(yīng)力松弛則是選取-5 ℃，5%的應(yīng)變作為測試條件。

2 結(jié)果與討論

蠕變是指材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。高溫條件下的瀝青砂漿蠕變測試對評價砂漿的高溫穩(wěn)定性和抗車轍性能具有重要的參考價值。蠕變曲線分為4個部分：瞬時彈性變形、彈性變形、可恢復變形和永久變形。由圖2可知，當開始施加恒定荷載時，瀝青砂漿會產(chǎn)生瞬時彈性變形，并隨著時間推移逐漸積累，直到卸載時達到最大變形量。恒定作用力卸載后，瀝青砂漿瞬時彈性變形消失，遲滯變形隨時間逐漸恢復，最終剩下不可恢復的永久變形。

從圖3可以看出瀝青砂漿的彈性變形很小，水損害砂漿的彈性變形最大，原樣砂漿其次，紫外老化砂漿的彈性變形最小，這就說明高溫情況下，水損害瀝青砂漿的高溫彈性最好，紫外老化砂漿最差；總變形量由水損害砂漿、原樣砂漿、紫外老化砂漿、熱氧老化砂漿依次增加。高溫蠕變曲線的總變形量可以在一定程度上反映抗車轍性能。由圖可知，說明不同老化條件下，抵抗高溫車轍能力最好的是水損害砂漿，其次是紫外老化砂漿，最后才是熱氧老化砂漿。從材料的粘彈特性來看，高溫情況下紫外老化砂漿的瞬時彈性變形最大，也是最差的，其他3種材料的相差不大，說明紫外老化對瀝青砂漿的瞬時彈性變形影響最大。

應(yīng)力松弛是指粘彈性材料在總應(yīng)變不變的條件下，由于試樣內(nèi)部的粘性應(yīng)變(或粘塑性應(yīng)變)分量隨時間不斷增長，使回彈應(yīng)變分量隨時間逐漸降低，從而導致變形恢復力(回彈應(yīng)力)隨時間逐漸降低的現(xiàn)象。如圖4所示，瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛曲線表明：水損害砂漿的松弛時間最短，只有32 s；原樣瀝青砂漿的其次，為49 s；紫外老化砂漿的松弛時間最長，為328 s，這表明紫外老化砂漿在低溫情況下應(yīng)力來不及松弛，可能會造成低溫開裂，嚴重影響到瀝青混凝土的路用性能。為了清晰表述瀝青砂漿的應(yīng)力松弛性能，文中采用松弛率描述應(yīng)力松弛性能。其計算公式如下

(1)

式中，S代表應(yīng)力松弛率;Smax代表最大應(yīng)力值;Smin代表最小應(yīng)力值。根據(jù)公式(1)可知，原樣瀝青砂漿、熱氧老化砂漿、紫外老化砂漿、水損害砂漿的應(yīng)力松弛率分別為99.93%，99.50%，98.36%，99.98%。由上述數(shù)據(jù)可知，水損害砂漿的應(yīng)力松弛率最好，原樣砂漿的其次，紫外老化砂漿的最差；這說明水損害能夠提高瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能，而紫外老化和熱氧老化則會損害瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能；但是，紫外老化對瀝青砂漿應(yīng)力松弛性能的影響最大，效果最嚴重。

3 結(jié) 論

由瀝青砂漿在不同老化條件下的高溫蠕變性能和低溫應(yīng)力松弛性能結(jié)果分析可得出以下結(jié)論：不同老化條件下，抵抗高溫車轍能力最好的是水損害砂漿，其次是紫外老化，最后才是熱氧老化。紫外老化和熱氧老化都會在一定程度上對砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能造成損害，可能會加快瀝青路面的低溫開裂，嚴重影響到瀝青混凝土的路用性能，但是水損害卻能夠提高瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能。

[1] Lv Dan,Zheng Chuanfeng,Qin Yong,et al.Analysing the Effects of the Mesoscopic Characteristics of Mineral Powder Fillers on the Cohesive Strength of Asphalt Mortars at Low Temperatures[J].Constructure and Building Materials,2014,65:330-337.

[2] Mo Liantong,Huurman M,Wu Shaopeng ,et al.Ravelling Investigation of Porous Asphalt Concrete Based on Fatigue Characteristics of Bitumen-Stone Adhesion and Mortar[J].Materials and Design,2009,1(30):170-179.

[3] Garcia Alvaro,Schlangen Erik,van de Ven Martin,et al.Electrical Conductivity of Asphalt Mortar Containing Conductive Fibers and Fillers[J].Constructure and Building Materials,2009,23(10):3175-3181.

[4] 龐海峰.瀝青砂漿粘彈性試驗分析[D].長沙：長沙理工大學,2009.

[5] 吳 婷.瀝青砂漿細觀力學性能分析研究[D].長沙：長沙理工大學,2010.

[6] Mo Liantong,Huurman M,Wu Shaopeng,et al.Research Bituminous Mortar Fatigue Test Method Based on Dynamic Shear Rheometer[J].Journal of Testing and Evaluation,2012,40(1):84-90.

[7] 蘭 宏.瀝青路面水損害行為及機理研究[D].長安：長安大學,2011.

Mechanical Properties of Asphalt Mortar Based on Dynamic Shear Rheometer

ZHANG Yan-shuang1，ZHOU Xin-xing2

(1.Traffic Construction Engineering Quality Supervision Station of Tongliao City,Inner-Mongolia 028000,China;
2.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Dynamic shear rheometer(DSR) was used to measure the pavement properties of asphalt mortar on different aging conditions.Its results showed that:ultraviolet(UV) and thermal oxygen(TO) aging could improve the high-temperature stability of asphalt mortar,moisture damage could reduce the high-temperature stability of asphalt mortar; UV and TO aging could also damage the low-temperature stress relaxation properties,but moisture damage is opposite.

dynamic shear rheometer; asphalt mortar; mechanical properties

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.005

2014-12-13.

張延雙(1971-),副高級工程師.E-mail:253122797@qq.com