道路瀝青材料動力性質的關系

宋小金， 曾夢瀾， 樊 亮

(1.湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082； 2.湖南中大建設工程檢測技術有限公司， 湖南 長沙 410205；3.山東省交通科學研究院， 山東 濟南 250031)

瀝青混合料是一種具有多級膠凝結構的分散系統，宏觀上是粗集料和瀝青砂漿形成的粗分散系、細集料與瀝青膠漿形成的細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作用，又起到填充粗細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很重要的材料結構相，其強度特征、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系緊密.在實驗室條件下，瀝青和瀝青膠漿性能試驗要比瀝青混合料性能試驗便捷得多，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，還可節省大量的試驗工作[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具有重要意義.近年來，國內外對動力荷載作用下瀝青材料的性質，包括復數模量和相位角進行了大量研究，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的關系研究較少.Bahiau等[6]和Zeng等[7]針對瀝青與瀝青混合料性質的關系進行了研究，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開展了研究.

1 試驗材料

結合料采用70#道路石油瀝青和MAC瀝青，其中MAC瀝青是多級化學改性瀝青.兩者技術指標分別達到JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中對70#和50#瀝青的技術要求.玄武巖與石灰巖粗集料、細集料、礦物填料(礦粉)以及木質素纖維等原材料的技術指標均滿足相關規范要求.

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，同時進行攪拌，直至形成均勻的膠漿樣品.為研究瀝青混合料的動力性質，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巖集料.5種瀝青混合料的技術指標均滿足相關規范要求.

2 試驗方法

瀝青和瀝青膠漿的試驗參考JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0628—2011《瀝青流變性質試驗(動態剪切流變儀)》方法進行.采用動態剪切流變儀(dynamic shear rheometer，DSR)采集瀝青和瀝青膠漿的復數模量和相位角數據.試驗參數為：轉子直徑25mm，轉子間隙1mm，頻率0.01～25.00Hz(角頻率0.06～157.00rad/s)，應力水平100Pa.由于JTG F40—2004規范中規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，因此試驗將mf/mb設定為0.6，0.8，1.0，1.2和1.4.瀝青和瀝青膠漿的試驗溫度設置為30，40，50，60和70℃.

瀝青混合料動態模量試驗參考AASHTO T342—11“Standard method of test for determining dynamic modulus of hot mix asphalt(HMA)”方法進行.采用瀝青混合料性能試驗機(asphalt mixture performance tester，AMPT)采集瀝青混合料的動態模量和相位角數據.先用旋轉壓實儀成型高度為175mm的試件，然后用取芯機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.動態模量試驗采用常應變控制方式，對試件施加正弦荷載，將應變控制在75～125μm/m，試驗溫度為40℃.

需要說明的是，瀝青和瀝青膠漿的DSR試驗結果是剪切復數模量G*，而瀝青混合料的AMPT試驗結果是軸向復數模量E*，兩者在數值上有所不同，但具有確定的對應關系.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數模量與軸向復數模量存在如下關系：G*=E*/[2(1+μ)]，其中μ為泊松比，因此當材料不可壓縮(μ=0.5)時，剪切復數模量約為軸向復數模量的1/3.

3 瀝青與瀝青膠漿性質的關系

考慮粉膠比的影響，瀝青和瀝青膠漿的剪切復數模量關系可以用式(1)表示：

(1)

式中：a，c，d和f均為常數.

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

圖1 瀝青與瀝青膠漿(mf/mb=1.0)的剪切復數模量關系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性質包括復數模量和相位角，兩者共同反映材料性質，具有相同模量、不同相位角的材料其性質是不同的.瀝青材料動態參數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)關系進行分析，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，表現出類似瀝青混合料的特性.當試驗頻率較高時，瀝青和瀝青膠漿的性質均接近彈性體，相位角較小，極值趨向0；隨著試驗頻率的減小，瀝青的黏性成分增加，瀝青和瀝青膠漿的相位角逐漸增加，在頻率達到一定區域時，由于填料的存在，瀝青膠漿的相位角達到峰值，其后隨著頻率的繼續減小，瀝青膠漿的相位角逐漸減小，表現為填料的特點，而瀝青的相位角單調遞增.因此，瀝青與瀝青膠漿的相位角存在非單調的特點，在一定試驗頻率區域內存在峰值.由圖2可以看出，在試驗的粉膠比范圍內，瀝青與瀝青膠漿的相位角關系變化不大.因此對瀝青膠漿數據統一進行回歸分析.瀝青與瀝青膠漿的相位角關系可用式(2)表示：

(2)

式中：p，k和m均為常數.

由式(2)可見，當δb→0°時，δj→0°；δb→90°時，δj→0°.

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

表2 式(2)擬合參數

4 瀝青與瀝青混合料性質的關系

對于給定的結合料，不同集料會在一定程度上影響結合料與混合料動態性質關系.不同公稱最大粒徑的瀝青混合料，由于自身體積指標的不同，其動態模量及相位角存在一定差異.雖然這種影響與集料巖性、粗細和表面紋理等具有某種復雜關系，但是總體上集料的影響只存在于較小的量級范圍，并沒有導致結合料與混合料動力性質關系質的變化[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過程中，顆粒級配的影響會帶來模量的變化(突出表現為模量升高)，且混合料的相位角數值依賴于瀝青的黏彈性質.考慮到瀝青材料具有時溫等效性，且加載頻率覆蓋了一定的范圍，溫度對混合料性質的影響與頻率是一致的，因此根據瀝青路面現場的溫度特點，進行了40℃瀝青混合料的動態模量試驗，以進行瀝青材料性質的相關性分析.

不同的瀝青混合料類型與瀝青的關系是有區別的，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℃的模量和相位角數據進行關系分析.通過對試驗數據的變化趨勢觀察分析并反復嘗試發現，瀝青和瀝青混合料的復數模量關系可用式(3)

表示：

(3)

式中：a，c和f均為常數，其中f代表瀝青混合料的最小模量值.

式(3)的擬合參數見表3.

表3 式(3)擬合參數

由于瀝青混合料與瀝青膠漿具有類似特點，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系進行分析，見式(4)：

(4)

式中：δm為瀝青混合料相位角；k，m和p均為常數.

由式(4)可見，當δb→0°時，δm→0°；當δb→90°時，δm→0°.

式(4)的擬合參數見表4.

表4 式(4)擬合參數

圖3為瀝青與瀝青混合料動力性質的關系.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關系Fig.3 Relationship of dynamic properties between asphalt and asphalt mixture

5 瀝青膠漿與瀝青混合料性質的關系

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℃的模量和相位角數據進行關系分析.借鑒瀝青與瀝青混合料動力性質的關系公式，同時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系式，擬合模型見式(5)：

(5)

式中：a，c，d和f均為常數.

采用式(5)對瀝青膠漿與瀝青混合料40℃時相同加載頻率下的復數模量進行分析，擬合參數值見表5.由表5可以看出，擬合結果良好，判定系數R2均超過0.990.

表5 式(5)擬合參數

對瀝青膠漿與瀝青混合料40℃的相位角關系進行觀察，發現在試驗頻率范圍兩者呈現平方關系，因此采用式(6)對其進行分析.

δm=rδj2+sδj+t

(6)

式中：r，s和t為常數.

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

表6 式(6)擬合參數

圖4為瀝青膠漿與瀝青混合料動力性質的關系曲線.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關系Fig.4 Relationship of dynamic properties between asphalt mastic and asphalt mixture

6 結論

(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之間存在良好的相關性，這些關系主要與瀝青種類、粉膠比和瀝青混合料種類相關，且不受頻率(或加載時間)和溫度等條件的影響.

(2)瀝青材料之間的模量存在冪函數關系；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關系，瀝青膠漿與瀝青混合料的相位角存在平方關系；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的相關表達式.由于瀝青和瀝青膠漿的室內試驗具有快捷、穩定、準確的特點，因此通過瀝青、瀝青膠漿與瀝青混合料動力性質關系表達式，可以快速估算出瀝青混合料的動態模量和相位角.

(3)由于瀝青性質與瀝青混合料體積指標存在差異，后續研究中應針對瀝青的性能和瀝青混合料的體積指標、級配類型展開研究，考慮瀝青性質或瀝青混合料體積指標的參數，增加試驗溫度范圍，完善擬合公式的普適性，提高通過瀝青或瀝青膠漿估算瀝青混合料性能的精度，為進一步的研究與實際應用奠定基礎.