陸佳寶，王國忠，胡江三，劉仲寧

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引 言

近年來，高模量改性瀝青優(yōu)越的高溫性能得到了廣泛的驗(yàn)證，但關(guān)于其抗疲勞、低溫抗裂等路用性能的研究結(jié)論尚未統(tǒng)一[1-3]。Xiao等[4]在基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中分別摻入兩種高模量改性劑，發(fā)現(xiàn)其高溫性能明顯提高，但低溫性能略有下降；Wang[5]、Perrt[6]、程梅[7]、王修山等[8]將不同形式的纖維或長鏈高分子物質(zhì)與高模量改性劑復(fù)配使用，一定程度上增強(qiáng)了其低溫抗裂性，同時(shí)提高了其耐久性；馬立杰等[9]通過對(duì)高模量瀝青混合料中添加纖維，提高了其低溫抗裂性能、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞耐久性。

在瀝青疲勞性能研究方面，2010年Johnson等提出了線性振幅掃描(linear amplitude sweep,簡稱為LAS)，通過連續(xù)性遞增應(yīng)變下的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)得到瀝青加速破壞過程的流變學(xué)指標(biāo)，具有一定的合理性和科學(xué)性[10]。在國內(nèi)，張喜軍等也基于LAS試驗(yàn)對(duì)硬質(zhì)瀝青的疲勞性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，采用粘彈連續(xù)介質(zhì)損傷模型(VECD模型)計(jì)算了瀝青的疲勞壽命，得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力處的應(yīng)變可以作為評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青路面疲勞壽命的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]。

文章對(duì)常見的高模量改性劑RCA改性劑進(jìn)行了研究，通過瀝青3個(gè)基本性能指標(biāo)、布式粘度、LAS等手段著重討論了其抗疲勞性能，提出了RCA改性瀝青新的疲勞破壞準(zhǔn)則并以瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行了驗(yàn)證；通過傅里葉紅外光譜分析了其改性機(jī)理，基于介電性質(zhì)討論了瀝青組分隨RCA改性劑摻量的變化情況，并將基于介電性質(zhì)的瀝青組分與瀝青路用性能之間做了關(guān)聯(lián)性分析，驗(yàn)證了此分析方法的可行性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

采用90#基質(zhì)瀝青作為基質(zhì)瀝青。選取11.3%、16.7%、21.8%、26.8% 4個(gè)RCA改性劑摻量制成改性瀝青，RCA改性劑指標(biāo)見表1。

表1 RCA改性劑基礎(chǔ)指標(biāo)Table 1 Basic index of RCA modifier

采用AC-13礦料級(jí)配，通過馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行90#基質(zhì)瀝青瀝青混合料與RCA最佳摻量改性瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)，并獲得最佳油石比，分別為5.2%，5.0%。

1.2 基本性能試驗(yàn)

分別對(duì)90#基質(zhì)瀝青與4種不同摻量的RCA改性瀝青進(jìn)行進(jìn)行3個(gè)基本性能指標(biāo)試驗(yàn)和布洛克菲爾德黏度試驗(yàn)(100，120 ，135 ，160 ，175 ℃)。

1.3 線性振幅掃描試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer,以下簡稱為DSR)對(duì)90#基質(zhì)瀝青與RCA改性瀝青的疲勞性能進(jìn)行研究，疲勞試驗(yàn)選取LAS試驗(yàn)。

1.4 瀝青混合料試驗(yàn)

采用UTM-100萬能試驗(yàn)機(jī)，參照美國AASHTO T321標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行四點(diǎn)彎疲勞試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制的半正弦波加載模式。試驗(yàn)條件分別選取15 ℃試驗(yàn)溫度，10 Hz的加載頻率，500 με、600 με、700 με、800 με 4個(gè)加載應(yīng)變。

1.5 微觀機(jī)理性試驗(yàn)

傅里葉紅外光譜試驗(yàn)通過采用HF-03瀝青快速分析儀進(jìn)行模擬,波長范圍4 000～400 cm-1，內(nèi)部掃描32次。

采用云麓科技在線射頻微波譜分析儀進(jìn)行介電常數(shù)試驗(yàn)，介電常數(shù)范圍為1～6.2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)取10 min至40 min各介電常數(shù)范圍30 min讀數(shù)的平均值。

2 RCA改性劑摻量確定

2.1 三大指標(biāo)數(shù)據(jù)分析

圖1為不同RCA改性劑摻配比例的瀝青3個(gè)基本性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果。從圖1觀察可知，隨著RCA改性劑摻量的增加，針入度、延度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，軟化點(diǎn)呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。這是由于RCA改性劑的主要成分為瀝青重質(zhì)組分，它的摻入導(dǎo)致瀝青中輕組分的比例減小，從而致使瀝青的硬度、脆性與粘度產(chǎn)生變化。當(dāng)RCA摻量在16.7%～21.8%之間時(shí)，瀝青針入度和延度變化速率均呈現(xiàn)平緩狀態(tài)。同時(shí)RCA摻量在21.8%～26.8%之間時(shí)，軟化點(diǎn)較高且增加趨勢較平穩(wěn)。由瀝青三大指標(biāo)的變化趨勢可以得出，RCA改性劑的摻入對(duì)基質(zhì)瀝青抗疲勞性能有所提高。

圖1 瀝青3個(gè)基本性能指標(biāo)Fig.1 Three basic performance indexes of asphalt

2.2 布洛克菲爾德黏度數(shù)據(jù)分析

圖2為不同RCA改性劑摻配比例的瀝青布洛克菲爾德黏度試驗(yàn)結(jié)果。從圖2觀察可知，在相同試驗(yàn)溫度條件下，隨著RCA改性劑摻量的增加，瀝青的黏度值也在增加，抗疲勞性能增強(qiáng)。以135 ℃下的黏度值變化來分析，隨著改性劑摻量的增加，其黏度值分別為基質(zhì)瀝青的0.8倍、1.08倍、2.54倍、4.31倍。粘溫曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下接近于直線，利用Origin軟件對(duì)其進(jìn)行線性擬合后參數(shù)如表2。

圖2 布洛克菲爾德黏度Fig.2 Brockfield viscosity

表1 布洛克菲爾德黏度雙對(duì)數(shù)曲線擬合參數(shù)

由表2可以看出，隨著RCA改性劑的摻入，斜率絕對(duì)值增大，主要是由于RCA改性劑的摻入改變了基質(zhì)瀝青原有的4組分比例，從而致使瀝青黏度與溫度敏感性變大。在16.7%～21.8%RCA改性劑摻量時(shí)，瀝青的黏度與溫度敏感性處于平穩(wěn)狀態(tài)。

3 瀝青疲勞性能研究

通過開展瀝青疲勞試驗(yàn)，得出不同改性劑摻量下RCA改性瀝青抗疲勞性能變化程度，結(jié)合瀝青的三大指標(biāo)與瀝青的粘度數(shù)據(jù)所得的結(jié)果，在16.7%～21.8%RCA改性劑摻量之間選取改性瀝青的最佳摻配比例。

3.1 規(guī)范法分析結(jié)果

AASHTO規(guī)范中以|G*|·sinδ作為材料內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)定義損傷，并以|G*|·sinδ衰減至35%作為疲勞失效準(zhǔn)則，通過Schapery模型，基于熱力學(xué)不可逆原則可對(duì)損傷進(jìn)行量化可以計(jì)算得到瀝青的疲勞壽命與應(yīng)變之間的關(guān)系。計(jì)算過程如式(1)-(8)，計(jì)算結(jié)果如圖3：

(1)

logG′(ω)=m(logω)+b

(2)

α=1+1/m

(3)

log(C0-|G*|sinδ)=log(C1)+C2·log(D)

(4)

Df=0.35(C0/C1)＾(1/C2)

(5)

(6)

B=2α

(7)

Nf=A(γmax)-B

(8)

式中：|G*|為復(fù)數(shù)剪切模量；δ為相位角；ID為計(jì)算應(yīng)變區(qū)間初始復(fù)合剪切模量；γ為給定數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)變；t為時(shí)間；C0為0.1%應(yīng)變間隔開始的|G*|sinδ的值；C1和C2為曲線擬合系數(shù)；D為損傷；Df為疲勞失效值；f為加載頻率。

圖3(a)為瀝青疲勞損傷計(jì)算結(jié)果。從圖3(a)觀察可知，瀝青疲勞損傷的累積速率隨著RCA改性劑摻量的增加而增快，且在50 s左右累積損傷發(fā)生紊亂現(xiàn)象并伴隨一段時(shí)間的平臺(tái)區(qū)，表明從紊亂開始累積損傷增長速度減緩，可以理解為此平臺(tái)區(qū)域即瀝青屈服階段，屈服過后瀝青損傷急劇增長直至破壞。說明RCA改性瀝青較基質(zhì)瀝青增加了瀝青屈服階段，隨著RCA摻量的增加瀝青損傷的累積速率變快。

圖3(b)為瀝青疲勞壽命計(jì)算結(jié)果。從圖3(b)觀察可知，RCA改性瀝青在2%低應(yīng)變下壽命高于基質(zhì)瀝青、高應(yīng)變下壽命低于基質(zhì)瀝青，RCA改性瀝青對(duì)應(yīng)變的依賴性明顯高于基質(zhì)瀝青，這與諸多學(xué)者研究得出的高模量改性瀝青混合料在低溫下疲勞壽命優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料的結(jié)論是一致的[8]。

綜合上述性能，可選擇16.7%作為RCA改性劑的最佳摻量。

圖3 規(guī)范法疲勞壽命計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of fatigue life by standard method

3.2 新疲勞失效準(zhǔn)則的提出與驗(yàn)證

疲勞失效準(zhǔn)則是判定疲勞壽命的重要依據(jù)，LAS試驗(yàn)作為現(xiàn)階段評(píng)價(jià)和預(yù)測瀝青疲勞性能的快速試驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用，但該試驗(yàn)面臨的最主要的問題就是破壞準(zhǔn)則的非普適性。

圖4 相位角-振蕩應(yīng)變圖Fig.4 Phase angle-oscillation strain diagram

Kim等[12]也做過類似LAS的試驗(yàn)，并提出以相位角峰值作為疲勞破壞的定義，并驗(yàn)證了其合理性。借鑒此思路，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，RCA改性瀝青在疲勞破壞過程中隨著振蕩應(yīng)變的增加，相位角會(huì)出現(xiàn)上下震蕩紊亂的現(xiàn)象如圖4，這主要是由于RCA改性劑中除巖瀝青與高分子材料外還含有部分與基質(zhì)瀝青不混溶的物質(zhì)作為分散相分散在基質(zhì)瀝青中，導(dǎo)致瀝青的非均質(zhì)性增強(qiáng)，當(dāng)剪切應(yīng)變達(dá)到某一水平分散相與分散介質(zhì)變形不統(tǒng)一、應(yīng)變滯后與應(yīng)力的幅度不統(tǒng)一，造成大應(yīng)變下相位角幅值紊亂的現(xiàn)象。相位角幅值紊亂也可間接說明此時(shí)改性瀝青內(nèi)部發(fā)生了微損傷，因此將其作為疲勞失效的準(zhǔn)則理論上是可行的。

將瀝青相位角數(shù)值紊亂時(shí)所對(duì)應(yīng)的振蕩應(yīng)變作為疲勞破壞應(yīng)變?chǔ)興，所對(duì)應(yīng)的|G*|sinδ定義為Cd，對(duì)VECD模型中疲勞失效值Df進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的公式如下：

(9)

(10)

B=2α

(11)

Nf=Ad(γmax)-B

(12)

式中：Dd為瀝青疲勞失效值，采用新疲勞失效準(zhǔn)則對(duì)基質(zhì)瀝青與16.7%RCA改性瀝青疲勞性能進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5。

圖5 基于新疲勞破壞準(zhǔn)則的瀝青疲勞壽命Fig.5 Asphalt fatigue life based on new fatigue failure criterion

從圖5觀察可知，通過新疲勞失效準(zhǔn)則得出的16.7%RCA改性瀝青在2%低應(yīng)變下疲勞壽命均高于基質(zhì)瀝青的疲勞壽命，這與上述分析中低應(yīng)變情況下16.7%RCA改性瀝青的抗疲勞性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青抗疲勞性能的結(jié)論是一致的。

對(duì)新瀝青疲勞失效準(zhǔn)則進(jìn)行瀝青混合料疲勞性能驗(yàn)證，分別制作基質(zhì)瀝青與16.7%RCA改性瀝青兩種瀝青混合料。對(duì)兩種瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)每種加載應(yīng)變分別進(jìn)行3組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以確保疲勞試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。不同加載應(yīng)變的瀝青混合料疲勞壽命如圖6所示，由圖可知，兩種瀝青混合料的疲勞壽命隨著加載應(yīng)變的增加而減小。

圖6 不同應(yīng)變下瀝青混合料疲勞壽命Fig.6 Fatigue life of asphalt mixture under different strain

為將瀝青混合料的應(yīng)變水平與瀝青的應(yīng)變水平相對(duì)應(yīng)，本文采用應(yīng)變比的概念。當(dāng)使用80倍的應(yīng)變比時(shí)，基于 S-VECD 模型預(yù)測的瀝青疲勞壽命和瀝青混合料疲勞壽命的預(yù)測值有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13]。因此，本文選擇80作為瀝青與瀝青混合料的疲勞應(yīng)變比值。即瀝青混合料500 με、600 με、700 με、800 με 4個(gè)加載應(yīng)變所對(duì)應(yīng)瀝青的振蕩應(yīng)變分別為4%、4.8%、5.6%、6.4%。通過新的疲勞失效準(zhǔn)則，分別計(jì)算出4種振蕩應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的基質(zhì)瀝青與16.7%RCA改性瀝青的疲勞壽命，并將其與瀝青混合料疲勞壽命建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖7所示。

圖7 瀝青疲勞壽命與瀝青混合料疲勞壽命的相關(guān)性Fig.7 The correlation between asphalt fatigue life and asphalt mixture fatigue life

如圖所示，圖7(a)為新瀝青疲勞失效模型所得出的基質(zhì)瀝青疲勞壽命同基質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命相關(guān)性分析圖，圖7(b)為16.7%RCA改性瀝青同改性瀝青混合料疲勞壽命的相關(guān)性分析圖。兩者的規(guī)律一致且相關(guān)性良好，R2均達(dá)到了0.99以上，說明瀝青在瀝青混合料疲勞性能中其主要作用，同時(shí)說明文中所提出新的瀝青疲勞失效模型是合理的。

4 RCA改性瀝青改性機(jī)理分析

4.1 RCA改性瀝青微觀機(jī)理分析

圖8為不同RCA摻量改性瀝青紅外光譜。從圖8觀察可知，隨著RCA改性劑摻量的增加，瀝青中的波峰產(chǎn)生了一定變化，但并沒有新的波峰產(chǎn)生，只是隨著改性劑摻量的增加，瀝青中對(duì)應(yīng)的吸收峰強(qiáng)度增大。這種變化情況表明，RCA改性劑對(duì)90#基質(zhì)瀝青的改性過程沒有新的波峰產(chǎn)生，為物理改性，且沒有新的官能團(tuán)產(chǎn)生。

圖8 不同RCA摻量改性瀝青紅外光譜Fig.8 FT-IR spectra of modified asphalt with different RCA content

為量化評(píng)價(jià)不同RCA改性劑摻量的瀝青官能團(tuán)的變化情況，利用Origin軟件對(duì)曲線進(jìn)行分峰擬合，擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.95。進(jìn)一步計(jì)算分解峰的面積，采用亞砜基指數(shù)(SI)、羰基指數(shù)(CI)和丁二烯指數(shù)(BI)3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[14]，計(jì)算結(jié)果列于表3。

表3 SI、CI和BI的變化情況Table 3 Changes of SI, CI and BI

由表3可以看出，隨著RCA改性劑摻量的增加，SI、CI 和 BI 3種指標(biāo)逐漸增加，相較于其他兩種指標(biāo)SI變化的最為明顯。而當(dāng)RCA改性劑摻量由11.3%增加到16.7%時(shí)，瀝青中SI、CI 和 BI 3種指標(biāo)的增幅趨勢最為突出。當(dāng)RCA改性劑摻量由16.7%進(jìn)一步增大時(shí)，瀝青中SI、CI 和 BI 3種指標(biāo)的增幅趨勢逐漸減緩。以隨著改性劑摻量的增加瀝青中SI、CI 和 BI 3種指標(biāo)的增幅情況作為分析依據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，SI、CI 和 BI 3種指標(biāo)的增幅狀態(tài)在RCA改性劑摻量為16.7%時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)。這也是RCA改性劑最佳摻量選擇16.7%的原因之一。

4.2 RCA改性瀝青疲勞性能表征機(jī)理解釋

胡江三等證明了采用介電常數(shù)對(duì)瀝青組分進(jìn)行劃分并以此關(guān)聯(lián)瀝青老化前后的性能變化的分析方法是可行的[15]。在瀝青混合料領(lǐng)域,介電性質(zhì)的研究主要集中在對(duì)瀝青路面密度的預(yù)測，如基于介電特性的混合料密度模型的預(yù)估、自愈合情況的觀測等[16,-7]。工業(yè)微波CT通過測定瀝青中不同物質(zhì)的介電常數(shù)來反應(yīng)瀝青組成，試樣約30 g，可保證取樣代表性。

在測試范圍內(nèi)將介電常數(shù)從1.0～6.2平均分為10份，即組分1(介電常數(shù)范圍1.0～1.52)、組分2(1.53～2.04)、……、組分10(5.69～6.2)，將5種瀝青的介電常數(shù)測試結(jié)果作圖9。

圖9 不同RCA摻量改性瀝青組分分布Fig.9 Component distribution of modified asphalt with different RCA content

由圖9觀察可知，RCA改性劑的摻入明顯改變了基質(zhì)瀝青的組分分配比例，RCA改性劑摻量越大，介電常數(shù)較大的組分含量越大。將上述10種組分與新疲勞失效準(zhǔn)則所計(jì)算出的疲勞壽命做灰關(guān)聯(lián)分析，計(jì)算結(jié)果列于表4。

表4 組分與疲勞壽命的關(guān)聯(lián)度Table 4 Correlation degree between component and fatigue life

從表4可以看出，每種組分與瀝青疲勞壽命Nf關(guān)聯(lián)度均不同，說明不同組分對(duì)瀝青疲勞壽命的貢獻(xiàn)率不同，瀝青疲勞壽命由某一種或多種組分主要決定；從關(guān)聯(lián)度平均值來看，各組分與Nf的關(guān)聯(lián)度平均值達(dá)到了0.83，也側(cè)面證明了通過相位角紊亂對(duì)應(yīng)的紊亂應(yīng)變?chǔ)興計(jì)算得出瀝青疲勞壽命，并對(duì)瀝青抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法是可行的。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)基質(zhì)瀝青與不同改性劑摻量的RCA改性瀝青的三大指標(biāo)、布式黏度、粘溫曲線、紅外光譜、疲勞壽命等參數(shù)確定RCA改性劑的最佳摻量為瀝青質(zhì)量的16.7%。

(2)RCA改性劑在對(duì)90#基質(zhì)瀝青的改性過程中，沒有新的波峰出現(xiàn)且未有新的官能團(tuán)產(chǎn)生，為物理改性。

(3)RCA改性瀝青由于自身特點(diǎn)在相位角-應(yīng)變曲線峰值后會(huì)產(chǎn)生紊亂現(xiàn)象，利用紊亂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)興作為疲勞破壞準(zhǔn)則計(jì)算出的疲勞壽命Nf來評(píng)價(jià)RCA改性瀝青的抗疲勞性能是可行的。

(4)在2%低應(yīng)變下，RCA改性瀝青的疲勞性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，對(duì)應(yīng)變的依賴性更高。