劉 瑞，劉婉秋，孟祥宇，張 峰，朱曉鋒

（1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.鄭州海昌碧海置業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000；3.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116000；4.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000）

車轍是一種常見的由于交通荷載引起的路面不可恢復(fù)損壞.車轍會(huì)導(dǎo)致路面層減薄，大大降低路面平整度，除會(huì)引起少量積水外，車轍過(guò)深還可能會(huì)影響路面結(jié)構(gòu)，威脅行車安全［1］.由于我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，以龜裂、網(wǎng)裂為主的早期損壞已經(jīng)得到大面積控制，然而車轍與反射裂縫為主的損壞增多，證明路面問(wèn)題并未得以全面控制［2］.相比道路新材料、鋪裝新技術(shù)開發(fā)，以力學(xué)方法評(píng)價(jià)瀝青膠漿實(shí)際抗車轍性能更為重要.

抗車轍評(píng)價(jià)方法從材料角度上分為瀝青、瀝青膠漿及瀝青混合料評(píng)價(jià).瀝青材料評(píng)價(jià)是采用三大指標(biāo)性能試驗(yàn)反映車轍性能，但三大指標(biāo)只是瀝青自身流體性能參數(shù)，不能有效反映實(shí)際路面瀝青的受力變形特征.瀝青混合料評(píng)價(jià)采用馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)等對(duì)混合料進(jìn)行加載［3?4］，但直接對(duì)瀝青混合料施加荷載，由于混合料內(nèi)部自由瀝青的非線性力學(xué)行為、集料的分布、形狀以及隨機(jī)孔隙，瀝青混合料的宏觀力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生較大的變異性［5］.瀝青膠漿是均質(zhì)材料，以瀝青膠漿為研究對(duì)象評(píng)價(jià)其抗車轍性能可排除瀝青混合料骨料骨架變異性影響.

現(xiàn)有研究評(píng)價(jià)瀝青膠漿抗車轍性能時(shí)，大多借助動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)（DSR）測(cè)得的車轍因子定性評(píng)價(jià)瀝青膠漿的優(yōu)劣.丁蒙亭等［6］對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行了動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，并評(píng)價(jià)得出硅藻土替換礦粉較粉煤灰漂珠更易影響抗車轍性能.何阿甲等［7］采用動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)評(píng)價(jià)碳纖維瀝青膠漿并得出碳纖維材料可顯著提高膠漿的抗車轍性能；喬云雁等［8］分析了不同類型橡膠瀝青膠漿的車轍因子并得出膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青膠漿的高溫抗車轍性能影響最大，粉膠比次之.Azarhoosh等［9］采用DSR試驗(yàn)測(cè)試出SEPS改性瀝青膠漿的車轍因子有所提高，提出SEPS改性劑改性瀝青膠漿有較高的剛度和彈性特性.瀝青膠漿車轍因子本身也是流體參數(shù)，流體的流變性反映的是其平衡破壞時(shí)的特征，并不能關(guān)聯(lián)實(shí)際瀝青路面材料平衡狀態(tài)下的受力變形特征，因而不能做出定量評(píng)價(jià).

此外，許多研究表明，動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)測(cè)定的G*/sinδ（車轍因子）不足以評(píng)價(jià)瀝青膠漿的實(shí)際抗車轍性能，特別是在聚合物改性瀝青膠漿方面.袁迎捷等［10］分析了Superpave結(jié)合料性能規(guī)范中流變模型的局限性，發(fā)現(xiàn)G*/sinδ并不能有效確保改性瀝青具有良好的抗車轍性能.王鵬等［11］采用灰色關(guān)聯(lián)度法分析了包含車轍因子在內(nèi)的多種瀝青高溫指標(biāo)，指出車轍因子不能用來(lái)反映改性瀝青的高溫性能.國(guó)外學(xué)者San?tagata等［12?13］同樣闡述了車轍因子測(cè)定條件與實(shí)際損傷條件相差甚遠(yuǎn)的局限性.

Liu等［14?15］在瀝青混合料重復(fù)加載試驗(yàn)中證明了混合料歸一化應(yīng)變曲線反映的僅是相對(duì)均勻的膠漿的性質(zhì)，并不受集料骨架變異性以及荷載幅值的影響，闡釋了瀝青膠漿與集料骨架抗車轍性能分離分析的內(nèi)在依據(jù).換言之，瀝青混合料歸一化應(yīng)變曲線不受局部膠漿分配到的荷載幅值影響，也說(shuō)明在“最佳粉膠比”狀態(tài)下，排除時(shí)間（在同一相對(duì)較低的加載速率下）的影響，瀝青膠漿的受力?變形應(yīng)存在線性關(guān)系.基于此前提，文章將以往研究對(duì)象從不均質(zhì)的瀝青混合料轉(zhuǎn)移到均質(zhì)的瀝青膠漿，并提出以最佳粉膠比瀝青膠漿的力學(xué)拉壓性能評(píng)價(jià)膠漿材料在瀝青混合料中承力性能的評(píng)價(jià)方法，以原瀝青為基準(zhǔn)，可定量評(píng)價(jià)新型瀝青、瀝青增強(qiáng)材料（改性劑、新填料）對(duì)膠漿的改性效果.文章抗車轍評(píng)價(jià)方法除孟祥宇［16］試驗(yàn)論證了其可行性外，國(guó)內(nèi)外并無(wú)其他學(xué)者研究.

文章選用90#普通瀝青膠漿和SBS改性瀝青膠漿作為研究對(duì)象，用礦粉替代其他集料，排除集料分布、形狀以及隨機(jī)孔隙的影響，改進(jìn)QJ210A萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)拉壓試件，采用無(wú)側(cè)限單軸加載試驗(yàn)測(cè)試特定溫度下不同粉膠比的兩種瀝青膠漿力學(xué)性能，探討瀝青膠漿受力變形關(guān)系，定量評(píng)價(jià)瀝青膠漿的力學(xué)性能以提高抗車轍病害的能力.研究成果可為瀝青、瀝青改性材料選取以及瀝青混合料抗車轍設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 原材料

文章研究重點(diǎn)是瀝青膠漿力學(xué)評(píng)價(jià)方法，瀝青、填料選取對(duì)評(píng)價(jià)方法探究并無(wú)影響.

1.1瀝青試驗(yàn)選用的瀝青為90#普通基質(zhì)石油瀝青，SBS改性瀝青為原瀝青摻加5%苯乙烯?丁二烯?苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性劑制備而成.按JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)得的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下表所示，均符合規(guī)范要求.

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2礦粉礦粉選用石灰?guī)r礦粉，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表.

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用0.075 mm礦粉代替其他集料，將其按不同粉膠比與瀝青均勻拌和，制備瀝青膠漿拉壓試件，測(cè)試出力學(xué)性能最優(yōu)的最佳粉膠比，并以此粉膠比下的瀝青膠漿試件反映膠漿在瀝青混合料中的受力變形狀態(tài).預(yù)實(shí)驗(yàn)顯示粉膠比為2.0~6.0的瀝青膠漿承力性能先增大后減小，粉膠比為5.5的瀝青膠漿承力性能最優(yōu).為進(jìn)一步準(zhǔn)確測(cè)試瀝青膠漿的最佳粉膠比參數(shù)，將兩種瀝青膠漿待測(cè)試的粉膠比確定為5.0、5.5、6.0.

單軸加載試驗(yàn)采用上海傾技儀器公司QJ210A萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，考慮到瀝青材料的溫感特性，在QJ210A萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，加裝水浴控溫裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同粉膠比瀝青膠漿試件的特定溫度加載.控溫裝置由自制亞克力水槽、溫度計(jì)、進(jìn)水泵、出水泵和恒溫水浴鍋組成，如圖1所示.試驗(yàn)加載全程控溫（30±0.1）℃，每組試驗(yàn)在溫度達(dá)到指定值并持續(xù)5分鐘后進(jìn)行.文章所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Origin處理，每組試驗(yàn)進(jìn)行4次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)各指標(biāo)參數(shù)采用平均值.

2.1單軸抗壓試驗(yàn)單軸抗壓試驗(yàn)采用5 mm·min?1全位移加載，加載溫度為（30±0.1）℃，采樣頻率10 Hz.由于QJ210A萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)量程有限（最大力2 500 N），抗壓試件設(shè)計(jì)為直徑為15 mm，高度為15 mm的圓柱體.控溫水槽采用亞克力板粘結(jié)而成，如圖1a所示.抗壓試驗(yàn)示意圖如圖2a所示.

圖1 單軸抗壓試驗(yàn)水浴控溫裝置

圖2 抗壓實(shí)驗(yàn)（a）和抗拉試驗(yàn)（b）示意圖

2.2單軸抗拉實(shí)驗(yàn)瀝青、瀝青膠漿以及瀝青混合料的直接拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)一直都是瀝青材料評(píng)價(jià)的難點(diǎn)，既要考慮瀝青材料實(shí)際路用受力狀態(tài)，又不能忽略試驗(yàn)儀器加載以及試件制備的可行性.拉伸試驗(yàn)最能反映瀝青材料內(nèi)部粘結(jié)性能，以往的瀝青材料直接拉伸試驗(yàn)，通常形如圓柱體，在試驗(yàn)機(jī)加載中往往不能借助夾具有效夾持，而是用環(huán)氧樹脂將端頭固定，這種做法會(huì)引起端頭的應(yīng)力集中，給試件帶來(lái)?yè)p傷.

抗拉試驗(yàn)試件形狀、尺寸設(shè)計(jì)如圖3和圖4所示.試驗(yàn)機(jī)夾具采用掛式設(shè)計(jì)，以有效解決端部約束產(chǎn)生應(yīng)力集中的問(wèn)題，如圖4所示.試驗(yàn)?zāi)＞邽殚_模設(shè)計(jì)，輔以鋼框架固緊，方便脫模，如圖5所示.單軸抗拉實(shí)驗(yàn)同樣在（30±0.1）℃控溫下，采用QJ210A萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)5 mm·min?1全位移加載，采樣頻率10 Hz，試驗(yàn)加載示意圖如圖2b所示.

圖3 抗拉試件

圖4 抗拉試件錨固與控溫加載

圖5 試件制備

2.3試件制備瀝青取樣、礦粉烘干及膠漿拌和均按JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》操作，試件制作具體過(guò)程：①取一定量瀝青放入不銹鋼盆，按照配比取定量礦粉放入不銹鋼盆，將盛有瀝青和礦粉的不銹鋼盆放入烘箱，調(diào)節(jié)烘箱溫度163℃（改性瀝青為180℃），加熱時(shí)間2 h.②加熱完畢后，將盛有瀝青的不銹鋼盆放置在電爐上，少量多次添加烘干后的礦粉并用鐵棒不斷攪拌，礦粉過(guò)多不宜攪拌時(shí)可用鏟刀輔助碾拌.③瀝青膠漿拌和完成后，將其裝入模具中用圓棒預(yù)壓，再用擊實(shí)錘壓實(shí)，保證試件的壓實(shí)度相同，制作完成后于室溫冷卻并放置12小時(shí).

3 結(jié) 果

3.1粉膠比對(duì)瀝青膠漿力學(xué)性能的影響同類瀝青、不同粉膠比瀝青膠漿單軸加載受力變形曲線如圖6和圖7所示.從圖6a和圖7a可以看出，在瀝青膠漿受軸壓力時(shí)，受力變形曲線前段先下凹，此時(shí)軸壓力持續(xù)加載，瀝青膠漿試件內(nèi)部逐漸壓密，礦粉顆粒間的間隙逐漸減小；中段曲線近似直線上升，此時(shí)瀝青膠漿處于彈塑性變形；中后段曲線上升趨于平緩并達(dá)到最大荷載值，此時(shí)瀝青膠漿產(chǎn)生塑性破壞，出現(xiàn)平行于中軸的豎向裂縫.

從圖6b和圖7b可以看出，在瀝青膠漿受軸拉力時(shí)，受力變形曲線前段受力變形曲線上凸，此時(shí)瀝青膠漿內(nèi)部應(yīng)力小幅度陡增后趨于平緩上升；中段曲線近似直線上升，此時(shí)裹覆礦粉的結(jié)構(gòu)瀝青發(fā)揮其粘結(jié)性能，礦粉間作用力不斷增加，試件出現(xiàn)橫向細(xì)小裂紋，有斷裂趨勢(shì)；中后段曲線趨于平緩并達(dá)到最大荷載值，此時(shí)細(xì)小裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展形成通縫，試件達(dá)到極限荷載.

從圖6和圖7拉壓受力變形曲線各自對(duì)比可以看出：

圖6 不同粉膠比普通瀝青膠漿單軸抗壓a、抗拉b受力?變形曲線（30℃）

圖7 不同粉膠比改性瀝青膠漿單軸抗壓a、抗拉b受力?變形曲線（30℃、5%SBS）

粉膠比5.5的瀝青膠漿承力性能較5.0、6.0時(shí)最優(yōu).當(dāng)粉膠比從5.0增加至5.5時(shí)，附著在礦粉顆粒表面的發(fā)揮粘結(jié)力作用的瀝青（結(jié)構(gòu)瀝青）含量增加，游離在瀝青膠漿中的自由瀝青減少，瀝青膠漿的極限荷載值隨之增大；當(dāng)粉膠比從5.5增加至6.0時(shí)，極限荷載值明顯減少，這是由于粉膠比的增加相當(dāng)于減少了瀝青的用量，是礦粉顆粒的總表面積過(guò)大，相對(duì)少的瀝青不能完全裹覆，造成了承力性能的降低.此外，在拌和瀝青膠漿時(shí)，從表觀可以看出（圖5），粉膠比5.0的瀝青膠漿流體特征明顯，粉膠比5.5顆粒分明，粉膠比6.0時(shí)則略顯棕色，顯然瀝青用量的相對(duì)減少并不能完全裹覆礦粉，這也直接造成了承力性能的降低.

隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿試件最大變形量逐漸減小.無(wú)論試件是受軸拉或是軸壓力，從圖6a、b受力變形曲線均證明了這一觀點(diǎn).這是由于粉膠比的增大，礦粉摻量也就相對(duì)增加，導(dǎo)致瀝青材料的脆性增加，延展性減?。?7］.從圖6b可以看出，粉膠比6.0與粉膠比5.5時(shí)有相近的模量，但粉膠比6.0的瀝青膠漿試件更易發(fā)生脆性破壞進(jìn)而達(dá)到荷載極限.

瀝青膠漿拉壓性能有明顯不對(duì)稱的現(xiàn)象，對(duì)于材料來(lái)說(shuō)這是不可忽視的.在抗壓時(shí)，瀝青膠漿極限荷載值較大，這是因?yàn)樵跒r青膠漿在受壓時(shí)，主要是其內(nèi)部的礦粉顆粒和結(jié)構(gòu)瀝青共同承力，少許的自由瀝青也提供一定的靜水壓力.在抗拉時(shí)，瀝青膠漿極限荷載值較小，這是由于無(wú)論是組成膠漿的瀝青基質(zhì)還是礦粉抗拉性都較差，在軸向拉力作用時(shí)主要是結(jié)構(gòu)瀝青的粘結(jié)力在發(fā)揮作用，受拉荷載極限的大小也反映了膠漿內(nèi)部粘結(jié)力的作用.

從圖7受力變形曲線可以看出，添加5%SBS的瀝青膠漿受力變形曲線形狀、走向趨勢(shì)并沒有改變，但增加了其彈性比例和極限荷載值.SBS改性劑對(duì)瀝青膠漿試件的影響會(huì)在下小節(jié)詳細(xì)討論.

3.2SBS改性劑對(duì)瀝青膠漿力學(xué)性能的影響在上文提到，對(duì)于添加SBS改性劑等聚合物的改性瀝青，車轍因子不能定量有效評(píng)價(jià)其實(shí)際路用性能，只是以流變性能定性優(yōu)劣，但聚合物改性瀝青較原瀝青力學(xué)性能增強(qiáng)多少，無(wú)從考究.本小節(jié)采用改進(jìn)儀器測(cè)試改性瀝青的受力變形特征，根據(jù)（1）式、（2）式分別計(jì)算瀝青膠漿拉壓強(qiáng)度極限、拉壓模量，定量探討SBS改性劑的改性效果.

σ：瀝青膠漿強(qiáng)度極限（MPa）；Fmax：無(wú)側(cè)限狀態(tài)所受最大力（N）；A：試件受力面積（mm2）；E：瀝青膠漿彈性模量，MPa；ε：豎向線應(yīng)變.

3.2.1 強(qiáng)度極限 在圖8b抗拉試驗(yàn)中，SBS改性劑對(duì)最佳粉膠比瀝青膠漿作用效果明顯，對(duì)其抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)了41.4%；在圖8a抗壓實(shí)驗(yàn)中，SBS改性劑對(duì)最佳粉膠比膠漿抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)了15.6%.SBS改性劑在瀝青膠漿受軸拉力作用時(shí)顯示了更為突出的貢獻(xiàn)，這與SBS改性劑的作用機(jī)理有關(guān).SBS改性劑在高溫下經(jīng)剪切、溶脹以及發(fā)育三個(gè)過(guò)程，與瀝青分子形成貫穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［18］.在瀝青膠漿受到軸拉力時(shí)，這種連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最大限度發(fā)揮了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)瀝青的粘結(jié)力的作用；而在受軸壓力時(shí)，隨著荷載值的逐漸增加，瀝青膠漿內(nèi)部孔隙越發(fā)緊密，承力性能主要靠礦粉顆粒來(lái)突顯.

圖8 不同粉膠比改性瀝青膠漿與普通瀝青膠漿抗壓強(qiáng)度（a）和抗拉強(qiáng)度（b）

3.2.2 彈性模量 彈性模量代表了材料的剛度，反映了材料發(fā)生彈性變形的難易程度.瀝青膠漿作為一種復(fù)合材料，在試驗(yàn)加載過(guò)程中，軸力克服分子間作用力，使瀝青膠漿內(nèi)部各分子間距發(fā)生變化，其值也反映了瀝青膠漿分子間結(jié)合力的大小.其計(jì)算結(jié)果如圖9所示.

圖9 不同粉膠比改性瀝青膠漿與普通瀝青膠漿抗壓模量（a）和抗拉模量（b）

從圖9可以看出，在單軸加載實(shí)驗(yàn)中，相同類型的瀝青膠漿粉膠比從5.0增大至6.0時(shí)，模量同樣先增大再減小，粉膠比5.5的瀝青膠漿模量具有最大值，拉壓模量相差8~10倍.瀝青混合料和水穩(wěn)層碎石的壓縮模量大約是拉伸模量的1.5~2倍［19］.瀝青膠漿的拉壓模量差別更大.

在圖9a單軸抗壓試驗(yàn)中，粉膠比5.0的瀝青膠漿在軸壓力作用下，SBS改性效果不增反減，從圖6和圖7可以看出，SBS改性瀝青膠漿與普通瀝青膠漿破壞前所承受最大荷載值相當(dāng)，但SBS改性瀝青膠漿彈性變形較大.SBS改性劑可以降低改性瀝青的流動(dòng)性，提高膠漿彈性比例［20］.此外，粉膠比5.0的瀝青膠漿中含有大量的自由瀝青，這也讓瀝青膠漿的變形量增大，表現(xiàn)出更明顯的粘彈性行為，圖6b和圖7b抗拉試驗(yàn)曲線中也證實(shí)了這一點(diǎn).

在圖9b單軸抗拉試驗(yàn)中，各個(gè)粉膠比SBS改性瀝青膠漿的模量均大于普通瀝青膠漿.同上文SBS改性劑對(duì)拉壓強(qiáng)度的不均等增益效果一樣，SBS改性瀝青主要依靠其與瀝青分子的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，在承受軸拉力時(shí)更為明顯，并且會(huì)有較大的拉伸變形和較小的壓縮變形［21］.

在抗拉試驗(yàn)中，SBS改性瀝青膠漿的模量較普通瀝青膠漿增加了22.6%；在抗壓試驗(yàn)中，SBS改性瀝青膠漿的模量較普通瀝青膠漿增加了20.9%.由此可以看出，添加5%SBS改性劑的改性瀝青可以增強(qiáng)瀝青膠漿的彈性模量，增強(qiáng)了近20%.

4 結(jié) 論

文章對(duì)三種粉膠比（5.0、5.5、6.0）、兩種類型的瀝青（普通瀝青、SBS改性瀝青）的膠漿試件進(jìn)行了拉壓試驗(yàn)分析，從靜載角度定量評(píng)價(jià)了其力學(xué)性能，得到結(jié)論如下：

（1）改進(jìn)儀器可以測(cè)定特定溫度下瀝青膠漿的力學(xué)性能，重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果良好，證明了測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性.

（2）粉膠比5.5瀝青膠漿拉壓強(qiáng)度、模量均為最大值，且重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果奇異性小，可以作為最佳粉膠比反映膠漿在瀝青混合料中的受力狀態(tài).此外，用礦粉替代其他集料模擬瀝青混合料的受力變形特征，在試驗(yàn)時(shí)間和成本上更為節(jié)省.

（3）評(píng)價(jià)方法可定量評(píng)價(jià)SBS改性瀝青膠漿的靜力學(xué)性能，最佳粉膠比膠漿試驗(yàn)結(jié)果顯示摻量5%的SBS改性瀝青膠漿較普通瀝青膠漿拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)41.4%，拉伸模量增大22.6%，壓縮強(qiáng)度增強(qiáng)15.6%，壓縮模量增大了20.9%.