瀝青膠漿高溫及疲勞性能研究

李曙斌

(云南省建設投資控股集團有限公司, 云南 昆明　650501)

瀝青混合料屬于非線性粘彈性體的溫敏性材料。隨著外界溫度的升高，瀝青混合料中的瀝青表現出3種力學狀態(玻璃態、高彈態及粘流態)。根據膠漿理論[1-3]，瀝青與集料、礦物填料通過物理化學吸附裹覆作用形成一個較為復雜且相對穩定、呈現空間網狀結構的分散體系。瀝青路面通車后將承受行車荷載的拉壓作用，同時，還會受到降雨、溫度變化及光照作用的影響，在經歷行車動荷載和水-溫-光自然環境耦合作用下，路面開始產生各種耦合損傷和破壞，尤其在夏季高溫條件下，瀝青的力學狀態將會從高彈態逐步變成粘流態，瀝青膠漿的復合模量減小，膠漿與集料之間的粘結力降低，抵抗塑性變形的能力減弱，使得瀝青路面出現變軟的現象，容易發生車轍，給路面安全行駛帶來隱患。隨著經濟的快速發展，對道路運輸的能力需求也不斷增加，導致出現運輸車輛的普遍超載、超限現象。而超重荷載的反復作用使得瀝青層底彎拉應力增加，瀝青膠漿將產生疲勞損傷和破壞，在瀝青路面上出現橫向或縱向裂縫等病害，嚴重時將會發展成龜裂或網裂等病害，對路面平整度和舒適性造成不利影響。因此，瀝青路面高溫性能和疲勞性能的宏觀表現與瀝青膠漿流變特性有著密切的聯系。

目前，對于瀝青膠漿流變特性的研究成果較多，但采用的試驗方法和評價指標不夠成熟。研究者對瀝青膠漿高溫流變性能評價采用的指標多為復合模量和相位角，合成指標為抗車轍因子。雖然該指標能夠一定程度上反映瀝青膠漿抵抗高溫變形能力[4-10]，但該試驗的加載模式與路面實際荷載作用的情況還存在著較大的差別，路面在行車荷載作用下發生的應力變形是具有回彈間隙的，而該試驗并沒有充分考慮；而對于瀝青膠漿疲勞性能評價采用的指標為疲勞因子，當前對于該指標是否能夠充分反映疲勞性能質疑很多。因此，本研究基于流變學理論和瀝青流變特性試驗方法，擬對瀝青膠漿的高溫性能和疲勞性能進行試驗研究，以期為瀝青膠漿性能相關研究提供 參考。

1　試驗設計

1) 原材料

本試驗選用優質中海油70#基質瀝青和高粘瀝青，礦粉選用5種不同產地但巖性相同的礦粉，礦粉編號為1#,2#,3#,4#和5#，采用激光粒度分析儀對礦粉粒度分布狀況進行檢測，礦粉的技術指標見表1。

表1　礦粉密度和粒度分布檢測結果Table 1　The test results of mineral powder density and particle size distribution

注：D10為礦粉累計粒度分布百分數達到10%時所對應的 粒徑。

2) 高溫性能試驗方案

瀝青路面在實際行車荷載作用下的應力變形分2個階段：①在荷載作用時，路面發生彈性變形和塑性變形；②荷載作用消失后，荷載作用時發生的彈性變形將會恢復，而塑性變形部分無法恢復。因此，為了更好地模擬瀝青路面在實際受力狀態下發生的變形情況，對瀝青膠漿高溫性能試驗采用多應力重復蠕變試驗，動態剪切流變儀的工作模式設定為應力控制模式，應力條件分100 Pa和3 200 Pa 2種蠕變應力水平，試驗溫度為60 ℃。采用的評價指標為不可恢復蠕變柔量和不可恢復蠕變柔量差。不可恢復蠕變柔量表征瀝青膠漿抵抗應力變形的能力。其值越大，表明瀝青膠漿高溫下抵抗變形的能力越差。不可恢復蠕變柔量差反映材料對于應力條件的敏感性。其值越小，表明瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量的應力敏感差，對應力條件的改變反應遲緩，材料高溫穩定性好。

3) 疲勞性能試驗方案

許多學者認為：當瀝青混合料勁度降低到初始勁度的50%以下時，可判定瀝青路面發生了疲勞破壞。然而，瀝青膠漿性能對瀝青混合料影響很大。為了統一瀝青膠漿和瀝青混合料的疲勞破損定義，本研究將瀝青膠漿的復合模量降低至初始復合模量50%時的荷載作用時間作為瀝青膠漿的疲勞評價指標，該疲勞性能評價指標在許多研究中得到驗證[11-12]。試驗同樣采用動態剪切流變儀來完成，設定模式為時間掃描模式，試驗溫度為25 ℃。

2　高溫性能試驗結果分析

高溫性能試驗中，采用5種粉膠比制作瀝青膠漿樣品，其編號為1#,2#,3#,4#和5#，粉膠比分別為0.6,0.8,1.0,1.2和1.4。通過試驗，得到不可恢復蠕變柔量和不可恢復蠕變柔量差，分別如圖1～4所示。

圖1　2種應力水平下基質瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量Fig. 1　Unrecoverable creep compliance of the matrix bitumen slurry under two kinds of stress levels

1) 不可恢復蠕變柔量試驗結果分析

從圖1中可以看出，不同礦粉基質瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量變化規律相同，2種應力條件下的不可恢復蠕變柔量隨著粉膠比的增加而呈現減小變化趨勢，表明礦粉加入瀝青后能夠增強高溫抵抗變形能力，應力變形小。不同礦粉組成的瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量存在著差別，尤其1#礦粉瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量明顯小于其他4種礦粉的。而根據礦粉的粒度檢測指標發現，1#礦粉的平均粒徑最大，因此，即使礦粉顆粒粒徑已經很小，但是其粒徑大小的細微差別對于瀝青膠漿高溫性能宏觀表現存在著很大的影響。

圖2　2種應力水平下高粘瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量Fig. 2　Unrecoverable creep compliance of bitumen slurry with the high viscosity under two kinds of stress levels

從圖2中可以看出，高粘瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量隨粉膠比的變化與基質瀝青膠漿的具有相似的規律，但是高粘瀝青膠漿的變化幅度很小，尤其當粉膠比大于1.0后，其數值上處于平穩，表明礦粉對瀝青膠漿模量的增效作用是有限的。此外，高粘瀝青膠漿的不可恢復蠕變柔量小于基質瀝青膠漿的，表明高粘瀝青膠漿的高溫性能要優于基質瀝青膠漿的。

2) 不可恢復蠕變柔量差試驗結果分析

從圖3中可以看出，隨著粉膠比的增加，基質瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差逐漸減小。當粉膠比達到一定數值后，瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差出現等于0%的情況。而隨著粉膠比的繼續增加，不可恢復蠕變柔量差開始為負值。表明不可恢復蠕變柔量差隨著粉膠比的增加而減小，礦粉不僅能增強膠漿的模量、提升抵抗變形能力，而且能夠讓瀝青高溫性能更加穩定，對外界應力條件敏感性降低；而當不可恢復蠕變柔量差為0%時，2種應力狀態下瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量是相等的，表明瀝青膠漿不受應力條件差異的影響?？梢?，當前狀態下的瀝青膠漿是最穩定的。其原因是：該試驗溫度下，瀝青處于高彈態和粘流態之間，本身就處于不穩定狀態。而隨著礦粉的增加，瀝青與礦粉之間存在著復雜的物理和化學吸附，礦粉分散在瀝青介質里。隨著礦粉數量的增加，礦粉顆粒的表面積增加，附著在礦粉界面的瀝青逐漸增加，從而使得裹附瀝青的礦粉顆粒間的粘結力增強，因此，使得瀝青-礦粉二元體系在力學狀態上相對穩定。根據試驗結果，當不可恢復蠕變柔量差為0%時，1#～5#礦粉的瀝青膠漿所對應的粉膠比分別為1.05,1.13,1.24,1.15和1.35，而這樣的粉膠比與Superpave規定的瀝青混合料合理粉膠比(范圍0.6～1.2)接近。因此，建議采用基質瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差為0%時所對應的粉膠比作為瀝青混合料粉膠比的最適值。

圖3　基質瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差Fig. 3　The matrix bitumen slurry unrecoverable creep compliance difference

從圖4中可以看出，相比基質瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差隨粉膠比遞減的變化，高粘瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差隨粉膠比變化的波動較大，表明高粘瀝青膠漿高溫狀態下不穩定，對外界應力條件較為敏感，這與改性瀝青自身的特性有關；而不同礦粉的瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差的差異較大，表明不同礦粉對瀝青膠漿所起到的穩定作用存在著差別。

圖4　高粘瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差Fig. 4　The high viscosity bitumen slurr unrecoverable creep compliance difference

3　疲勞性能試驗結果分析

在疲勞性能試驗中，根據5種礦粉的各項指標，選取粒度差異性稍大的1#礦粉、2#礦粉和3#礦粉來制作瀝青膠漿試驗樣品，基質瀝青膠漿和高粘瀝青膠漿在動態剪切流變儀時間掃描模式下的加載時間與復合模量數據采集結果分別如圖5，6所示。根據本研究中瀝青膠漿疲勞破壞定義，以瀝青膠漿復合模量G*衰減至初始復合模量50%時的荷載作用時間(即疲勞壽命)作為評價疲勞性能的指標，將圖5，6結果進行整理，得到的瀝青膠漿疲勞壽命如圖7，8所示。

從圖7，8中可以看出，隨著粉膠比的增加，瀝青膠漿疲勞壽命呈現減小的變化趨勢，不同礦粉的瀝青膠漿疲勞壽命差值明顯。在相同粉膠比條件下，基質瀝青膠漿疲勞壽命由大到小的排序為3#，1#和2#；而高粘瀝青膠漿疲勞壽命由大到小的排序為3#，2#和1#?？梢姡嗤V粉在與不同瀝青混溶后表現出的疲勞壽命是不同的，這與礦粉-瀝青之間發生復雜的吸附、反應作用有關。因此，在實際工程中，不能隨意使用礦粉，而應通過試驗，合理比對后，進行選擇。通過疲勞壽命對比可知，高粘瀝青膠漿的抗疲勞性能要優于基質瀝青膠漿的。雖然高粘瀝青的價格要高于基質瀝青的，但瀝青混合料在耐疲勞、抗裂縫及抑制裂縫類病害方面具有優良的表現；結合工程經驗，之前高粘瀝青僅運用于高速公路這樣的高等級設計標準路面，但隨著路面養護工程在中國廣泛的開展，新的養護理念、設計理念及全壽命周期理念的出現，許多國、 省干線公路也開始大范圍使用高粘瀝青。

圖5　基質瀝青膠漿模量與加載時間的關系Fig. 5　The relationship between matrix asphalt cement modulus and loading time

高粘瀝青在使用時能夠對改性劑品質充分把關。那么，若使用高粘瀝青，工程質量就能得到有效的控制。

4　結論

采用MSCR試驗，研究了瀝青膠漿的高溫性能。評價指標為不可恢復蠕變柔量和不可恢復蠕變柔量差；在疲勞試驗中，采用復合模量降低至初始復合模量50%時的荷載作用時間(即疲勞壽命)來評價瀝青膠漿疲勞性能，得到的結論為：

1) 不同的礦粉對瀝青膠漿高溫性能的影響存在著差別。礦粉使得瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量減小，增強了瀝青膠漿高溫抵抗應力變形的能力，但礦粉的模量增效作用有限。

圖6　高粘瀝青膠漿模量與加載時間的關系Fig. 6　The relationship between high viscosity asphalt glue modulus and loading time

圖7　不同粉膠比基質瀝青膠漿50%|G*|的疲勞壽命Fig. 7　The fatigue life of 50%|G*| of the matrix asphalt with different ratio of filler bitumen

2) 礦粉使得基質瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差逐漸減小。當不可恢復蠕變柔量差為0%時，此時瀝青膠漿處于穩定態，外界應力對其影響小，而1#～5#瀝青膠漿所對應的粉膠比與Superpave規定的瀝青混合料合理的粉膠比(范圍0.6～1.2)接近，建議采用基質瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差為0%時所對應的粉膠比作為瀝青混合料粉膠比的最適值。

圖8　不同粉膠比高粘瀝青膠漿50%|G*|的疲勞壽命Fig. 8　The fatigue life of 50%|G*| of the asphalt with high viscosity and different ratio of filler bitumen

3) 高粘瀝青膠漿的不可恢復蠕變柔量差隨粉膠比變化的波動較大，表明高粘瀝青膠漿高溫狀態下不穩定，對外界應力條件較為敏感，這與改性瀝青自身特性有關；不同礦粉的瀝青膠漿不可恢復蠕變柔量差的差異較大，表明不同礦粉對瀝青膠漿所起到的穩定作用存在著差別。

4) 加入礦粉瀝青膠漿時，疲勞壽命呈現減小的變化趨勢?？梢姡V粉對瀝青疲勞性能有不利的影響；不同礦粉的瀝青膠漿疲勞壽命差值明顯；高粘瀝青膠漿的抗疲勞性能要優于基質瀝青膠漿的。因此，建議：在實際道路中，礦粉的使用應通過試驗，在合理比對后，進行選擇，且選用高溫性能和疲勞性能更優的高粘瀝青材料。

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