應力吸收層瀝青結合料力學性能研究

趙振旺

(中國鐵建港航局集團有限公司第四工程分公司，重慶 400000)

0 引言

隨著我國交通運輸業的高速發展，不少已建成舊水泥混凝土路面在荷載、溫度等因素的反復作用下產生損壞，出現裂縫，不能滿足正常的交通要求。為了延長路面的使用壽命，減弱或消除反射裂縫的影響，工程上常采用設置土工織物材料的方法，但是隨著使用時間的增長，防裂效果也逐漸減弱。研究表明，應力吸收層[1]能有效延緩反射裂縫的產生，同時具備抗滲性和柔韌性。

周燕[2]結合工程項目,認為我國對改性瀝青混合料應力吸收層缺乏系統的研究以及相應的規范，結合應力吸收層的功能特點，提出了針對應力吸收層結合料的要求，并給出了評價改性瀝青的關鍵性指標。張爭奇等[3]為了探究長期老化與短期老化的相關性，設置了常規試驗，組分試驗，認為不同的瀝青對于老化作用的敏感性并不相同，用短期老化的試驗結果來評價長期老化并不完全可靠。賈娟等[4]通過設置普通旋轉薄膜烘箱試驗和改進旋轉薄膜烘箱試驗，分析得到了旋轉薄膜烘箱試驗不適用于模擬改性瀝青老化的原因，并給出了試驗建議溫度。栗培龍等[5]為了對比旋轉薄膜烘箱老化試驗與路面自然老化瀝青的指標對應性和差異性，采用了5種不同瀝青，并進行了旋轉薄膜烘箱老化，壓力老化和60 ℃烘箱老化試驗，分析得出3種老化試驗能較好模擬實際路面瀝青老化過程的結論。李海軍等[6]分析了瀝青的老化機理以及瀝青老化過程的微觀性狀變化，通過旋轉薄膜烘箱老化試驗和壓力老化試驗，測試了4種瀝青老化后的指標，給出了不同測試指標相對應的路用性能，并認為采用單一指標評價瀝青老化性能具有局限性。孫大權等[7]為了模擬瀝青路面的疲勞開裂，用動態剪切試驗儀對瀝青進行重復疲勞試驗，并根據試驗數據得到一種定義瀝青疲勞壽命的新指標。王嵐等[8]從宏觀和微觀的角度，通過旋轉薄膜烘箱試驗，研究SBS改性瀝青和CR改性瀝青的流變性能，總結了老化前后瀝青和改性劑的結合情況，并通過試驗對比了老化后的指標差異。邵臘庚等[9]為了探究美國和歐盟兩種試驗的評價指標與瀝青高溫性能的相關性，分別采用MSCR試驗和零剪切黏度試驗，得出兩種評價方法與瀝青混合料車轍具有良好的相關性。陳靜云等[10]通過貫入試驗得到的數據，分析研究了瀝青混合料的黏彈性本構關系，對比了Burgers模型和廣義Maxwell模型的黏彈性參數，認為Burgers模型能更精確反映本構關系。王隨原等[11]為了探究車轍產生的永久變形，通過控制溫度和荷載水平兩個變量，進行了單軸靜載蠕變試驗，研究了溫度和荷載對瀝青混合料蠕變特性的影響，并通過建立Burgers模型，發現Burgers模型能較好反映瀝青混合料的黏彈特性。

應力吸收層夾在瀝青和水泥混凝土之間，常常因為材料和施工等方面的缺陷而導致其無法達到預期的效果。為了確保應力吸收層具有最佳性能，本文選取殼牌瀝青、通途瀝青、Sk90號+4%SBS及Sk90號基質瀝青4種瀝青結合料，通過薄膜烘箱老化與壓力老化試驗，動態剪切流變試驗，蠕變試驗，對比分析了4種瀝青的抗老化性能、抗疲勞性能、高溫性能。

1 原材料選擇及試驗方案

1.1 原材料的選擇

選取殼牌瀝青、通途瀝青、Sk90號+4%SBS及Sk90號瀝青進行對比研究。

1.2 瀝青的三大指標

瀝青的針入度試驗采用標準的針入度儀在25 ℃的條件下測定4種瀝青的針入度；瀝青的軟化點采用環球法試驗測得；瀝青的延度試驗采用“智能瀝青延伸度測定儀”直接測定。試驗儀器如圖1所示。

1.3 動態流變試驗

本研究采用DSR動態剪切流變儀，施加正弦交變荷載，加載速率10 rad/s，進行動態剪切流變試驗。

1.4 重復蠕變試驗

為了能較好地模擬瀝青路面的實際受力和變形狀況，采取重復蠕變試驗，加載模式為蠕變-恢復。該試驗在UTM萬能試驗機上完成，采用應力控制模式，試驗溫度選取50 ℃,60 ℃和70 ℃，應力水平為100 Pa和1 000 Pa，每個蠕變周期加載1 s，恢復9 s，荷載周期為100次。

1.5 老化試驗

對瀝青的老化處理分為烘箱老化和壓力老化。在本次研究中，前者使用旋轉薄膜烘箱，后者使用SYD-0630壓力老化試驗裝置(見圖2)。

2 試驗結果及分析

2.1 瀝青三大指標試驗結果分析

4種瀝青的初始針入度、軟化點、延度的試驗結果如表1所示，經烘箱老化處理的針入度、軟化點、延度試驗結果見表2，經壓力老化處理的針入度、軟化點、延度試驗結果如表3所示。

表1 瀝青結合料基本技術指標

表2 烘箱老化后性能測試結果

分析4種老化前后的技術指標結果可知：老化前，殼牌瀝青、通途瀝青、Sk90號+4%SBS改性瀝青各項指標良好，Sk90號基質瀝青各項指標較差。經烘箱老化后，4種瀝青軟化點變化均不大；Sk90號瀝青殘留針入度比為58.1%，而其他3種瀝青的殘留針入度比均大于77%；4種瀝青延度變化較大，Sk90號瀝青延度僅有1.8 cm，殼牌瀝青的延度也下降到34.5 cm。經壓力老化后，4種瀝青的延度指標出現了更大幅度的降低，其中延度最大的殼牌瀝青也僅有10.3 cm，相較于烘箱老化，壓力老化后的瀝青殘留針入度比也較低，其中殘留針入度比最高的殼牌瀝青也僅有52.7%，說明壓力老化對于瀝青性能的影響遠大于烘箱老化。綜合上述室內試驗結果可以明顯看出，4種瀝青的基本技術指標相差不大，但是殼牌瀝青的抗老化能力明顯優于其他瀝青。

表3 壓力老化后性能測試結果

2.2 動態剪切流變試驗結果分析

動態剪切流變試驗結果如圖3所示。

1)復數剪切模量G*和相位角δ。對于上述4種瀝青，在相同的溫度條件下，殼牌瀝青和通途瀝青的復數剪切模量G*遠大于其他兩種瀝青，相位角δ遠小于其他兩種瀝青；Sk90號+4%SBS瀝青的剪切模量大于Sk90號瀝青，相位角小于Sk90號瀝青，由此可以看出：摻入SBS改性劑后基質瀝青抵抗變形能力得到明顯提高；4種瀝青的剪切模量隨著溫度的上升而減小，相位角隨著溫度的上升而增大，意味著各瀝青的勁度隨溫度上升而降低，黏性成分增強。這種變化的產生與基質瀝青類型、聚合物種類等因素有關。

2)車轍因子。車轍因子G*g(sinδ)-1是表征瀝青高溫抗變形性能的重要指標。隨著試驗溫度的升高，G*g(sinδ)-1變小。另外，有學者提出改進型車轍因子G*g(sinδ)-9能更合理地評價改性瀝青的高溫性能，G*g(sinδ)-9值越大，表明瀝青的高溫性能越強。在試驗選取的整個溫度梯度內，殼牌瀝青和通途瀝青的G*g(sinδ)-9值遠大于Sk90號+4%SBS,Sk90號瀝青，其中殼牌瀝青具有更好的高溫性能，普通改性瀝青和基質瀝青難以滿足應力吸收層結合料高溫性能要求。

3)老化后殘留物DSR試驗結果。瀝青路面在服役一段時間后產生的疲勞破壞主要是瀝青的老化而引起的。工程上常采用疲勞因子G*gsinδ和損耗因子tanδ評價其耐久性，疲勞因子越小，損耗因子越大，瀝青抗疲勞能力愈強。

4種瀝青的疲勞因子隨溫度變化的規律基本上是一致的，隨著溫度上升，高分子材料動態柔性增強，高分子鏈段自由度變大，瀝青形變能力改善，因此，疲勞因子逐漸降低，抗疲勞能力提高。但在相同的溫度下，殼牌瀝青和通途瀝青的疲勞因子都較小，表明其具有良好的抗疲勞性能。

損耗因子tanδ表征復數剪切模量中黏性成分與彈性成分的比例，隨著溫度的上升，各瀝青其值基本上呈線性增長，瀝青黏性增強，逐漸向黏流態轉變，形變遷移和裂縫愈合能力提高，抗疲勞性能改善。在相同的溫度條件下，通途瀝青的瀝青損耗因子tanδ最大，有利于應力吸收層消散裂尖應力集中并導致裂尖鈍化，吸收或松弛形變能，緩解裂縫形成，這正是應力吸收層材料功能之所需。

2.3 重復蠕變試驗結果分析

2.3.1 重復蠕變試驗結果

各瀝青的重復蠕變曲線示意圖如圖4所示，應力水平為100 Pa的累積應變見圖5。

分析圖5可知：4種瀝青的蠕變變形量隨時間逐漸增加，每次卸載后均可恢復大部分變形，都具有良好的彈性恢復能力。但是，綜合對比4種瀝青的累積變形量，Sk90號抵抗變形能力遠不及其他4種瀝青，并且受溫度影響較大，在70 ℃條件下的累積變形量是60 ℃條件下的4倍；從試驗結果來看，其他3種瀝青的抵抗變形能力差別不大，其中通途瀝青抗變形能力最強，Sk90號+5%SBS較差。

2.3.2 蠕變柔量的黏性部分Gv

Burgers模型可以較好地表征瀝青的黏彈特性行為，如圖6所示。

其本構方程如式(1)所示：

(1)

將式(1)經過變化后可寫為：

(2)

瀝青材料的蠕變柔量的表達式可以寫成以下形式：

J(t)=Je+Jev(1-e-t/Jev)+Jv

(3)

其中,Je=1/E1，Jev=η2/E2，Jv=t/η1，Gv=1/Jv。

一般稱Gv是蠕變柔量的黏性成分，常用于評價瀝青的高溫性能。

利用Matlab中的curve fitting功能，通過Burgers流變模型對第60次試驗結果進行擬合，計算得到蠕變勁度的黏性部分Gv=1/Jv作為高溫評價指標，選擇50 ℃,60 ℃和70 ℃三個溫度進行分析，圖7為不同溫度和不同應力水平下各瀝青的黏性參數Gv值。

分析圖7可知：當應力水平相同時，各瀝青的Gv值隨著溫度的升高呈下降的趨勢，從60 ℃到70 ℃，降幅接近50%，所受應力水平越高，降幅越明顯，因此，Gv能顯著地反映溫度對瀝青高溫性能的影響，便于區分不同溫度下瀝青的路用性能，并且，在同一溫度下，外界荷載變化對Gv的影響較小，具有較好的穩定性，在相同的溫度或應力水平下，殼牌瀝青、通途瀝青Gv值基本接近，Sk90號+4%SBS,Sk90號基質瀝青Gv值偏低，高溫性能難以滿足應力吸收層結合料技術要求。

3 結論

對比分析4種瀝青的室內試驗結果，可以得到如下主要結論：1)殼牌瀝青和通途瀝青的各項基本技術指標優良，具有較好的塑性和耐熱性；瀝青老化后所有基本技術指標均有所下降，其中延度指標出現大幅度下降，特別是壓力老化處理后尤為明顯，Sk90號的延度僅0.2 cm，其中殼牌瀝青的抗老化性能最佳。2)摻入改性劑可明顯改善瀝青的抗變形性能；隨著試驗溫度的上升，各瀝青的勁度降低，復數剪切模量G*變小，相位角δ增大，瀝青的黏性成分增強；經過旋轉薄膜烘箱老化，各瀝青的G*變大，而相位角G*卻呈現出較大的差異性，其中自主研制的瀝青和科氏瀝青增大，Sk90號+4%SBS與Sk90號變小，殼牌瀝青變化不大，造成上述變化趨勢主要與基質瀝青類型、聚合物種類等因素有關。3)隨著試驗溫度的升高，G*g(sinδ)-1變小；經烘箱老化后，G*g(sinδ)-1變大；殼牌瀝青和通途瀝青的高溫性能優于其余2種普通瀝青。4)瀝青疲勞因子G*gsinδ隨溫度上升而降低，瀝青損耗因子隨溫度上升基本上呈線性增長；在相同的溫度下，殼牌瀝青和SBS改性瀝青疲勞因子較小，通途瀝青損耗因子最大，表明其具有良好的抗疲勞性能。5)當應力水平相同時，各瀝青的Gv值隨著溫度的升高呈下降的趨勢，所受應力水平越高，降幅越明顯;Gv值可以較好地描述瀝青的高溫性能，殼牌瀝青和通途瀝青具有較強的抵抗變形的能力。