道路瀝青材料動力性質(zhì)的關(guān)系

宋小金， 曾夢瀾， 樊 亮

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082； 2.湖南中大建設(shè)工程檢測技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410205；3.山東省交通科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250031)

瀝青混合料是一種具有多級膠凝結(jié)構(gòu)的分散系統(tǒng)，宏觀上是粗集料和瀝青砂漿形成的粗分散系、細(xì)集料與瀝青膠漿形成的細(xì)分散系以及礦物填料與瀝青形成的微分散系.瀝青、瀝青膠漿及瀝青混合料等瀝青材料均是黏彈性材料，其中瀝青是瀝青膠漿和瀝青混合料黏彈性的本源.由于瀝青膠漿形成復(fù)雜，包含多種多樣的吸附過程，使該體系在瀝青混凝土中既起到黏結(jié)作用，又起到填充粗細(xì)分散系中空隙的作用,因此在瀝青混合料組成中瀝青膠漿是一個(gè)很重要的材料結(jié)構(gòu)相，其強(qiáng)度特征、黏度在一定程度上可以表征混合料的性能.由此可見，瀝青、瀝青膠漿及瀝青混合料三者的性能聯(lián)系緊密.在實(shí)驗(yàn)室條件下，瀝青和瀝青膠漿性能試驗(yàn)要比瀝青混合料性能試驗(yàn)便捷得多，且受外界及操作水平影響小，因此通過瀝青和瀝青膠漿性能來估算瀝青混合料性能不僅可行而且方便，還可節(jié)省大量的試驗(yàn)工作[1].

車輛荷載是一種動力荷載，研究動力荷載作用下瀝青材料的性質(zhì)具有重要意義.近年來，國內(nèi)外對動力荷載作用下瀝青材料的性質(zhì)，包括復(fù)數(shù)模量和相位角進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩的成果[2-5].但是，迄今為止，對于瀝青、瀝青膠漿和瀝青混合料三者性質(zhì)的關(guān)系研究較少.Bahiau等[6]和Zeng等[7]針對瀝青與瀝青混合料性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了研究，但這些研究均未考慮瀝青膠漿.鑒于此，本文對瀝青、瀝青膠漿和瀝青混合料的動力性質(zhì)開展了研究.

1 試驗(yàn)材料

結(jié)合料采用70#道路石油瀝青和MAC瀝青，其中MAC瀝青是多級化學(xué)改性瀝青.兩者技術(shù)指標(biāo)分別達(dá)到JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對70#和50#瀝青的技術(shù)要求.玄武巖與石灰?guī)r粗集料、細(xì)集料、礦物填料(礦粉)以及木質(zhì)素纖維等原材料的技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求.

在瀝青膠漿制備過程中，先選取0.075mm篩孔以下的填料在105℃下烘干，再在拌和溫度下，將瀝青加熱融化，將熱填料緩慢加入，同時(shí)進(jìn)行攪拌，直至形成均勻的膠漿樣品.為研究瀝青混合料的動力性質(zhì)，制備了5種類型的瀝青混合料：SMA-13，AC-13，AC-20，AC-25和LSPM-25，其中LSPM(large stone porous asphalt mixes)為透水性大粒徑碎石瀝青混合料.需要說明的是：SMA-13，AC-20和LSPM-25采用MAC瀝青，AC-13和AC-25采用70#道路石油瀝青；SMA-13采用玄武巖集料，其余各瀝青混合料均采用石灰?guī)r集料.5種瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求.

2 試驗(yàn)方法

瀝青和瀝青膠漿的試驗(yàn)參考JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0628—2011《瀝青流變性質(zhì)試驗(yàn)(動態(tài)剪切流變儀)》方法進(jìn)行.采用動態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer，DSR)采集瀝青和瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量和相位角數(shù)據(jù).試驗(yàn)參數(shù)為：轉(zhuǎn)子直徑25mm，轉(zhuǎn)子間隙1mm，頻率0.01～25.00Hz(角頻率0.06～157.00rad/s)，應(yīng)力水平100Pa.由于JTG F40—2004規(guī)范中規(guī)定常用的公稱最大粒徑為13.2～19mm的密級配瀝青混合料粉膠比(mf/mb)宜控制在0.8～1.2，因此試驗(yàn)將mf/mb設(shè)定為0.6，0.8，1.0，1.2和1.4.瀝青和瀝青膠漿的試驗(yàn)溫度設(shè)置為30，40，50，60和70℃.

瀝青混合料動態(tài)模量試驗(yàn)參考AASHTO T342—11“Standard method of test for determining dynamic modulus of hot mix asphalt(HMA)”方法進(jìn)行.采用瀝青混合料性能試驗(yàn)機(jī)(asphalt mixture performance tester，AMPT)采集瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角數(shù)據(jù).先用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型高度為175mm的試件，然后用取芯機(jī)從試件中取出直徑為100的芯樣，再用雙面鋸切割出尺寸為φ100×150mm的試件.動態(tài)模量試驗(yàn)采用常應(yīng)變控制方式，對試件施加正弦荷載，將應(yīng)變控制在75～125μm/m，試驗(yàn)溫度為40℃.

需要說明的是，瀝青和瀝青膠漿的DSR試驗(yàn)結(jié)果是剪切復(fù)數(shù)模量G*，而瀝青混合料的AMPT試驗(yàn)結(jié)果是軸向復(fù)數(shù)模量E*，兩者在數(shù)值上有所不同，但具有確定的對應(yīng)關(guān)系.與彈性材料相同，在線性、小變形條件下，黏彈性材料的剪切復(fù)數(shù)模量與軸向復(fù)數(shù)模量存在如下關(guān)系：G*=E*/[2(1+μ)]，其中μ為泊松比，因此當(dāng)材料不可壓縮(μ=0.5)時(shí)，剪切復(fù)數(shù)模量約為軸向復(fù)數(shù)模量的1/3.

3 瀝青與瀝青膠漿性質(zhì)的關(guān)系

考慮粉膠比的影響，瀝青和瀝青膠漿的剪切復(fù)數(shù)模量關(guān)系可以用式(1)表示：

(1)

式中：a，c，d和f均為常數(shù).

表1為式(1)的擬合參數(shù)值.由表1可見：公式判定系數(shù)R2均超過0.990，瀝青與瀝青膠漿剪切復(fù)數(shù)模量的相關(guān)性良好，說明采用瀝青模量來計(jì)算瀝青膠漿模量是完全可行的；瀝青與瀝青膠漿之間的關(guān)系不依賴于頻率和溫度的變化，即試驗(yàn)條件對二者的關(guān)系不產(chǎn)生影響[7].

圖1 瀝青與瀝青膠漿(mf/mb=1.0)的剪切復(fù)數(shù)模量關(guān)系Fig.1 Relationship of shear complex modulus between asphalt and asphalt mastic(mf/mb=1.0)

Asphalt typeacdfR270# asphalt1.0501.0001.1300.0005590.999MAC asphalt0.8011.0600.9610.0105000.998

黏彈性材料的基本動態(tài)性質(zhì)包括復(fù)數(shù)模量和相位角，兩者共同反映材料性質(zhì)，具有相同模量、不同相位角的材料其性質(zhì)是不同的.瀝青材料動態(tài)參數(shù)中的相位角可以反映材料的黏彈性特征.對相同加載條件下，瀝青與不同粉膠比的瀝青膠漿相位角(δb和δj)關(guān)系進(jìn)行分析，如圖2所示.

圖2 瀝青與不同粉膠比瀝青膠漿相位角關(guān)系Fig.2 Relationship of phase angles between asphalt and asphalt mastic with different filler-binder ratio

瀝青膠漿為瀝青與填料的混合物，表現(xiàn)出類似瀝青混合料的特性.當(dāng)試驗(yàn)頻率較高時(shí)，瀝青和瀝青膠漿的性質(zhì)均接近彈性體，相位角較小，極值趨向0；隨著試驗(yàn)頻率的減小，瀝青的黏性成分增加，瀝青和瀝青膠漿的相位角逐漸增加，在頻率達(dá)到一定區(qū)域時(shí)，由于填料的存在，瀝青膠漿的相位角達(dá)到峰值，其后隨著頻率的繼續(xù)減小，瀝青膠漿的相位角逐漸減小，表現(xiàn)為填料的特點(diǎn)，而瀝青的相位角單調(diào)遞增.因此，瀝青與瀝青膠漿的相位角存在非單調(diào)的特點(diǎn)，在一定試驗(yàn)頻率區(qū)域內(nèi)存在峰值.由圖2可以看出，在試驗(yàn)的粉膠比范圍內(nèi)，瀝青與瀝青膠漿的相位角關(guān)系變化不大.因此對瀝青膠漿數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行回歸分析.瀝青與瀝青膠漿的相位角關(guān)系可用式(2)表示：

(2)

式中：p，k和m均為常數(shù).

由式(2)可見，當(dāng)δb→0°時(shí)，δj→0°；δb→90°時(shí)，δj→0°.

表2為式(2)的擬合參數(shù)值.由表2可見，公式判定系數(shù)R2均超過0.950，這說明瀝青與瀝青膠漿相位角的相關(guān)性良好.

表2 式(2)擬合參數(shù)

4 瀝青與瀝青混合料性質(zhì)的關(guān)系

對于給定的結(jié)合料，不同集料會在一定程度上影響結(jié)合料與混合料動態(tài)性質(zhì)關(guān)系.不同公稱最大粒徑的瀝青混合料，由于自身體積指標(biāo)的不同，其動態(tài)模量及相位角存在一定差異.雖然這種影響與集料巖性、粗細(xì)和表面紋理等具有某種復(fù)雜關(guān)系，但是總體上集料的影響只存在于較小的量級范圍，并沒有導(dǎo)致結(jié)合料與混合料動力性質(zhì)關(guān)系質(zhì)的變化[8].即瀝青仍然是瀝青混合料黏彈性的本源，在微觀層次到宏觀體系的遞進(jìn)過程中，顆粒級配的影響會帶來模量的變化(突出表現(xiàn)為模量升高)，且混合料的相位角數(shù)值依賴于瀝青的黏彈性質(zhì).考慮到瀝青材料具有時(shí)溫等效性，且加載頻率覆蓋了一定的范圍，溫度對混合料性質(zhì)的影響與頻率是一致的，因此根據(jù)瀝青路面現(xiàn)場的溫度特點(diǎn)，進(jìn)行了40℃瀝青混合料的動態(tài)模量試驗(yàn)，以進(jìn)行瀝青材料性質(zhì)的相關(guān)性分析.

不同的瀝青混合料類型與瀝青的關(guān)系是有區(qū)別的，但變化趨勢相似，所以瀝青混合料的模量和相位角可以通過瀝青的模量和相位角表示.選擇瀝青和瀝青混合料加載頻率為25.00，10.00，5.00，1.00，0.50，0.10，0.01Hz，溫度為40℃的模量和相位角數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系分析.通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢觀察分析并反復(fù)嘗試發(fā)現(xiàn)，瀝青和瀝青混合料的復(fù)數(shù)模量關(guān)系可用式(3)

表示：

(3)

式中：a，c和f均為常數(shù)，其中f代表瀝青混合料的最小模量值.

式(3)的擬合參數(shù)見表3.

表3 式(3)擬合參數(shù)

由于瀝青混合料與瀝青膠漿具有類似特點(diǎn)，因此采用類似的擬合公式，對瀝青和瀝青混合料的相位角關(guān)系進(jìn)行分析，見式(4)：

(4)

式中：δm為瀝青混合料相位角；k，m和p均為常數(shù).

由式(4)可見，當(dāng)δb→0°時(shí)，δm→0°；當(dāng)δb→90°時(shí)，δm→0°.

式(4)的擬合參數(shù)見表4.

表4 式(4)擬合參數(shù)

圖3為瀝青與瀝青混合料動力性質(zhì)的關(guān)系.由圖3可以看出，擬合效果良好.

圖3 瀝青與瀝青混合料動力性質(zhì)關(guān)系Fig.3 Relationship of dynamic properties between asphalt and asphalt mixture

5 瀝青膠漿與瀝青混合料性質(zhì)的關(guān)系

選擇瀝青膠漿和瀝青混合料加載頻率為25.00，10.00，5.00，1.00，0.50，0.10，0.01Hz，溫度為40℃的模量和相位角數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系分析.借鑒瀝青與瀝青混合料動力性質(zhì)的關(guān)系公式，同時(shí)考慮粉膠比對瀝青膠漿模量的影響，建立瀝青混合料模量、瀝青膠漿模量及粉膠比的多元關(guān)系式，擬合模型見式(5)：

(5)

式中：a，c，d和f均為常數(shù).

采用式(5)對瀝青膠漿與瀝青混合料40℃時(shí)相同加載頻率下的復(fù)數(shù)模量進(jìn)行分析，擬合參數(shù)值見表5.由表5可以看出，擬合結(jié)果良好，判定系數(shù)R2均超過0.990.

表5 式(5)擬合參數(shù)

對瀝青膠漿與瀝青混合料40℃的相位角關(guān)系進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)頻率范圍兩者呈現(xiàn)平方關(guān)系，因此采用式(6)對其進(jìn)行分析.

δm=rδj2+sδj+t

(6)

式中：r，s和t為常數(shù).

采用式(6)對瀝青膠漿和瀝青混合料在40℃時(shí)相同加載頻率下的相位角進(jìn)行分析，相位角關(guān)系的擬合參數(shù)值見表6.由表(6)可以看出，擬合結(jié)果良好.

表6 式(6)擬合參數(shù)

圖4為瀝青膠漿與瀝青混合料動力性質(zhì)的關(guān)系曲線.由圖4可以看出，擬合效果良好.

圖4 瀝青膠漿與瀝青混合料動力性質(zhì)關(guān)系Fig.4 Relationship of dynamic properties between asphalt mastic and asphalt mixture

6 結(jié)論

(1)由于瀝青是瀝青膠漿和瀝青混合料黏彈性的本源，因此瀝青、瀝青膠漿及瀝青混合料等瀝青材料的動力性質(zhì)之間存在良好的相關(guān)性，這些關(guān)系主要與瀝青種類、粉膠比和瀝青混合料種類相關(guān)，且不受頻率(或加載時(shí)間)和溫度等條件的影響.

(2)瀝青材料之間的模量存在冪函數(shù)關(guān)系；瀝青與瀝青膠漿、瀝青與瀝青混合料的相位角均存在正弦函數(shù)關(guān)系，瀝青膠漿與瀝青混合料的相位角存在平方關(guān)系；建立了瀝青與瀝青膠漿、瀝青與瀝青混合料及瀝青膠漿與瀝青混合料動力性質(zhì)的相關(guān)表達(dá)式.由于瀝青和瀝青膠漿的室內(nèi)試驗(yàn)具有快捷、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因此通過瀝青、瀝青膠漿與瀝青混合料動力性質(zhì)關(guān)系表達(dá)式，可以快速估算出瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角.

(3)由于瀝青性質(zhì)與瀝青混合料體積指標(biāo)存在差異，后續(xù)研究中應(yīng)針對瀝青的性能和瀝青混合料的體積指標(biāo)、級配類型展開研究，考慮瀝青性質(zhì)或?yàn)r青混合料體積指標(biāo)的參數(shù)，增加試驗(yàn)溫度范圍，完善擬合公式的普適性，提高通過瀝青或?yàn)r青膠漿估算瀝青混合料性能的精度，為進(jìn)一步的研究與實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ).