基于DSR的瀝青砂漿粘彈特性研究

柳雪麗,趙春晨,昝文博

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000;2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

瀝青路面是現(xiàn)有國(guó)內(nèi)路面普遍的結(jié)構(gòu)形式,其在復(fù)雜路域環(huán)境-荷載耦合作用下會(huì)產(chǎn)生各種路面病害,極大地降低瀝青路面服役壽命。目前對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的研究主要集中于瀝青、集料或級(jí)配類(lèi)型等方面,對(duì)瀝青砂漿的相關(guān)研究相對(duì)較少。瀝青砂漿由瀝青、礦粉及細(xì)集料等相組成,為整體瀝青混合料結(jié)構(gòu)提供了必要的強(qiáng)度和粘接力。瀝青砂漿的粘彈特性與瀝青路面路用性能密切相關(guān),因此對(duì)其粘彈特性的研究十分必要。

有研究分析了圍壓、溫度、加載應(yīng)力等因素對(duì)瀝青砂漿回彈模量的影響[7];不同老化程度下瀝青砂漿的粘彈性能[8]?；跒r青混合料去除粗骨料保持細(xì)集料比例不變的方法確定了瀝青砂漿級(jí)配[9]。認(rèn)為瀝青砂漿力學(xué)性能隨砂漿級(jí)配中最大公稱(chēng)粒徑的減少而變小[10];瀝青砂漿中瀝青含量越高,瀝青砂漿動(dòng)態(tài)模量越低[11]。提出了一種基于動(dòng)態(tài)力學(xué)分析方法(DMA)的瀝青砂漿動(dòng)態(tài)彎拉試驗(yàn)方法,通過(guò)不同的試驗(yàn)認(rèn)為礦料級(jí)配是影響瀝青砂漿體積參數(shù)與動(dòng)態(tài)粘彈特性的重要因素[12-13]?；诖?研究從瀝青砂漿組成比例、制備工藝及粘彈性能進(jìn)行了全面的研究。

1 試驗(yàn)材料組成及制備

1.1 瀝青砂漿組成

1.1.1基質(zhì)瀝青

本文選用遼河70#基質(zhì)瀝青,其針入度、軟化點(diǎn)和延度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青3大指標(biāo)

1.1.2瀝青砂漿的級(jí)配

瀝青砂漿級(jí)配由對(duì)應(yīng)瀝青混合料去除粗集料,保持細(xì)集料比例不變確定。本文中AC-13瀝青混合料級(jí)配采用JTGF 40—2004推薦級(jí)配中值,瀝青砂漿集料公稱(chēng)最大粒徑選取2.36 mm,瀝青砂漿級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 AC-13瀝青混合料及對(duì)應(yīng)瀝青砂漿級(jí)配曲線(xiàn)

1.1.3瀝青砂漿的瀝青用量

1)瀝青混合料最佳油石比的確定

選擇5個(gè)瀝青用量:4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%,采用馬歇爾雙面擊實(shí)法制備瀝青混合料試件,瀝青混合料相關(guān)體積參數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)與瀝青用量的關(guān)系如圖2所示[14]。

圖2 AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知,馬歇爾穩(wěn)定度最大值、VV中值、ρ最大值和VFA中值對(duì)應(yīng)的瀝青含量分別為4.5%、5.0%、4.5%和4.6%。由式(1)得最佳瀝青用量初始值OAC1為4.66%,在OACmin=4.2%與OACmax=5.4%之間,滿(mǎn)足規(guī)范要求。

根據(jù)式(2)得最佳瀝青用量初始值OAC2為4.8%,最后由式(3)得AC-13最佳油石比為4.73%。綜合穩(wěn)定度、密度等各指標(biāo)關(guān)系,最后取值4.7%。

(1)

(2)

(3)

當(dāng)瀝青用量為4.7%,其瀝青混合料相關(guān)體積參數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 最佳瀝青用量下的瀝青混合料各性能參數(shù)

2)瀝青砂漿瀝青用量的確定

粉膠比指有效瀝青百分比含量(Pbe)與0.075 mm通過(guò)率(P0.075)之比,其計(jì)算步驟:

(1)按照式(4)和式(5)分別計(jì)算γsb及γse;

(2)將上式結(jié)果代入式(6)及式(7)中求被集料吸收的瀝青含量(Pba)和有效瀝青含量(Pbe);

(3)通過(guò)維持粉膠比(FB=P0.075/Pbe)不變,將P0.075替換為砂漿級(jí)配中0.075 mm篩孔通過(guò)率求得瀝青砂漿的Pba;

(4)將瀝青砂漿的Pba代入公式(7)中,變換得到式(8)并求解出瀝青砂漿的等效瀝青含量。

(4)

(5)

式中:γsb為表觀相對(duì)密度;Pn為各檔礦料所占百分比;γn為各檔礦料毛體積相對(duì)密度;Pb為瀝青混合料中瀝青含量;γb為瀝青相對(duì)密度;γmm為瀝青混合料最大相對(duì)密度。

(6)

(7)

式中:Pba為瀝青混合料中被集料吸收的瀝青膠結(jié)料比例,%;Pbe為瀝青混合料中有效瀝青含量,%;Ps為礦料質(zhì)量比例,即100-Pb,%。

(8)

上述公式計(jì)算后所獲取參數(shù)見(jiàn)表3,最終瀝青砂漿瀝青用量為9.7%。

表3 瀝青混合料及瀝青砂漿相關(guān)參數(shù)

1.2 瀝青砂漿制備

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件后鉆芯取樣的方法制備瀝青砂漿,試件制備如圖3所示[16]。

(a)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件

(1)將按比例稱(chēng)好的細(xì)集料倒入拌和鍋內(nèi),攪拌時(shí)間為150 s;倒入已經(jīng)加熱至指定溫度的瀝青,攪拌150 s;最后再加入預(yù)熱的礦粉攪拌150 s;

(2)將拌和好的瀝青砂漿倒入預(yù)加熱后的直徑150 mm旋轉(zhuǎn)壓實(shí)模具中,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型。壓力設(shè)置600 kPa,壓實(shí)高度60 mm,靜置后脫模;

(3)利用小型取芯機(jī)對(duì)成型后的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件取芯獲取直徑12.5 mm高度45 mm的瀝青砂漿試件,置于干燥皿中防止受潮。

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)瀝青砂漿試件進(jìn)行-5、10、25、40和55 ℃溫度下的頻率掃描試驗(yàn),頻率為0.01～60 Hz,各工況加載條件均選取線(xiàn)性粘彈區(qū)域應(yīng)力[15]。

2 結(jié)果及討論

2.1 瀝青砂漿粘彈參數(shù)變化規(guī)律

圖4為瀝青砂漿模量及相位角隨溫度及頻率的變化曲線(xiàn)。

(a)復(fù)數(shù)模量

由圖4(a)可知,隨著溫度升高,瀝青砂漿復(fù)數(shù)模量逐漸降低;同一溫度條件下,復(fù)數(shù)模量隨著頻率增加而逐漸增大,但高溫條件下變化趨勢(shì)比低溫條件顯著。由圖4(b)、(c)可知,瀝青砂漿儲(chǔ)存模量的變化趨勢(shì)與復(fù)數(shù)模量基本相同;但-5 ℃條件下,瀝青砂漿損耗模量隨著頻率的增加而降低。由圖4(d)可知,同一頻率下,隨溫度升高,瀝青砂漿試件相位角逐漸增大。這是因?yàn)闉r青砂漿試件在低溫時(shí)彈性較強(qiáng)而黏性較弱;同一溫度下,頻率越大而相位角越小,這也說(shuō)明瀝青砂漿粘彈特性符合時(shí)溫等效原理,高頻等效于低溫,故而相位角較小。

2.2 瀝青砂漿主曲線(xiàn)

2.2.1時(shí)溫等效原理

瀝青在不同溫度和時(shí)間下具有相同的力學(xué)狀態(tài),說(shuō)明溫度和時(shí)間對(duì)材料的粘彈行為具有等效性?；跁r(shí)溫等效原理,對(duì)于不同溫度下材料的黏彈參數(shù)曲線(xiàn)具有相同的幾何形狀,可以將其沿著時(shí)間軸左右平移,形成一個(gè)完整曲線(xiàn),稱(chēng)之為粘彈參數(shù)主曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)可進(jìn)一步可分析瀝青材料在寬頻率域內(nèi)的粘彈特性。

對(duì)于移位因子的描述,目前最常用的是WLF方程[16]:

(9)

式中:αT為溫度位移因子;T為試驗(yàn)溫度,℃;Tg為參考溫度,℃;C1、C2為常數(shù)。

2.2.2瀝青砂漿有效性驗(yàn)證

以2個(gè)瀝青砂漿試件的復(fù)數(shù)模量為例,利用時(shí)溫等效原則確定20 ℃基準(zhǔn)溫度下的瀝青砂漿模量主曲線(xiàn),如圖5所示。

圖5 瀝青砂漿復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)平行件對(duì)比

從圖5可以看出,試件1和試件2的復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)平行性良好,僅在低頻條件下存在細(xì)微差別,表明本文的瀝青砂漿制備方法具有一定可靠性。

2.2.3基于主曲線(xiàn)的瀝青砂漿粘彈特性分析

根據(jù)瀝青砂漿復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)可知,復(fù)數(shù)模量隨頻率的增加而增大,在高頻末端趨于穩(wěn)定,根據(jù)時(shí)溫等效原理,高頻等效于低溫,說(shuō)明瀝青砂漿在低溫時(shí)復(fù)數(shù)模量趨于穩(wěn)定,表現(xiàn)為彈性行為。此外,復(fù)數(shù)模量和儲(chǔ)存模量主曲線(xiàn)變化趨勢(shì)極為接近,而損耗模量和復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)在低頻范圍內(nèi)較接近,在高頻范圍變化中出現(xiàn)峰值。相位角隨頻率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),高頻時(shí)相位角接近0°,這是由于瀝青砂漿中集料引起的高彈性造成的[20]。

除主曲線(xiàn)外,復(fù)數(shù)模量-相位角曲線(xiàn)和儲(chǔ)存模量-損耗模量曲線(xiàn)和也是描述瀝青動(dòng)態(tài)粘彈特性的重要曲線(xiàn),分析可知隨著相位角的增加,瀝青的復(fù)數(shù)模量呈不斷下降趨勢(shì),但開(kāi)始下降速度較緩慢,當(dāng)復(fù)數(shù)模量-相位角曲線(xiàn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后復(fù)數(shù)模量下降速度增加。儲(chǔ)存模量隨損耗模量的增加先增加后降低,儲(chǔ)存模量-損耗模量曲線(xiàn)存在峰值。

3 瀝青類(lèi)型及空隙率對(duì)瀝青砂漿粘彈性能的影響

瀝青、瀝青砂漿及改性瀝青砂漿主曲線(xiàn)如圖6所示。

(a)復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)

從圖6(a)可以看出,雖然瀝青及瀝青砂漿主曲線(xiàn)形狀均符合S型函數(shù)曲線(xiàn),但瀝青砂漿的復(fù)數(shù)模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青。低頻條件下SBS改性瀝青砂漿模量明顯高于基質(zhì)瀝青砂漿,這是由于SBS的加入,顯著提高了砂漿的高溫性能;高頻條件下,瀝青砂漿復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)趨于平緩,且基質(zhì)瀝青砂漿模量基本接近SBS改性瀝青砂漿模量,這是由于高頻下瀝青砂漿粘彈性能基本呈現(xiàn)純彈性行為。從圖6(b)可以看出,瀝青相位角主曲線(xiàn)和瀝青砂漿相位角主曲線(xiàn)呈現(xiàn)較大的差別且隨著SBS改性劑的加入,瀝青砂漿相位角低頻條件下降低,高頻條件下基本一致。這與復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)是一致的。

不同空隙率條件下瀝青砂漿的主曲線(xiàn)如圖7所示。

(a)復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)

從圖7可以看出,復(fù)數(shù)模量隨著空隙率的增加而增加,但復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)的形狀基本一致。相位角隨著空隙率的增加而降低,但是僅在低頻條件下,不同空隙率瀝青砂漿的相位角是重合的。這是由于高溫條件下瀝青砂漿的粘彈比例對(duì)瀝青砂漿空隙率不敏感。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)瀝青砂漿復(fù)數(shù)模量主曲線(xiàn)平行性良好,表明本文瀝青砂漿組分確定方法和制備方法是可行的;

(2)瀝青砂漿復(fù)數(shù)模量及儲(chǔ)存模量均隨頻率增大而逐漸增大,損耗模量隨著頻率的增加先增加后減小,相位角隨著頻率的增加同樣呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。瀝青砂漿復(fù)數(shù)模量隨相位角的增加呈不斷下降趨勢(shì),但是開(kāi)始下降速度較緩慢,當(dāng)復(fù)數(shù)模量-相位角曲線(xiàn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后下降速度增加;儲(chǔ)存模量隨著損耗模量的增加先增加后降低;

(3)隨著改性劑的加入及空隙率的增加,瀝青砂漿復(fù)數(shù)模量不斷增加,相位角不斷降低。