基于黏彈特性的混合料開裂及老化敏感性研究

作者簡介：譚 敏（1990—），工程師，主要從事道路橋梁工程研究工作。

摘要：瀝青混合料老化會嚴重影響其路用性能，導致路面開裂敏感性增加、密實性下降、應力松弛能力降低，即瀝青的黏彈特性受到影響。為研究瀝青混合料黏彈性質隨老化程度的變化規(guī)律，文章采用黏彈特性參數(shù)分析不同老化程度下瀝青混合料的開裂性能和老化敏感性。通過在室內開展瀝青混合料老化模擬，測試不同老化狀態(tài)瀝青混合料的動態(tài)模量、相位角，構建主曲線，分析主曲線及其相關參數(shù)。結果表明：G-R_m參數(shù)以及主曲線參數(shù)隨著不同老化條件呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，隨著老化程度增加，瀝青混合料的抗開裂性能和黏彈特性參數(shù)對老化的敏感性下降。

關鍵詞：道路工程；瀝青混合料；黏彈特性；開裂；老化敏感性

中圖分類號：U416.03

0 引言

瀝青混合料老化問題對瀝青路面的使用壽命有極大影響，一直受到相關研究機構和研究者的關注。對瀝青混合料老化過程的性能變化進行研究，有助于揭示瀝青混合料老化的本質。線性黏彈特性是瀝青混合料的基本特性，分析老化引起的瀝青混合料彈性性能變化有助于量化老化對混合料性能的影響。瀝青混合料的老化包括兩個主要過程：揮發(fā)和氧化。揮發(fā)主要發(fā)生在混合和壓實階段，在高溫（約150℃）下，瀝青較輕組分（碳氫化合物）會蒸發(fā)。由于瀝青中的碳氫化合物與氧氣會發(fā)生化學反應，因此在加工過程中和使用期間會發(fā)生氧化^[1-2]。瀝青氧化導致瀝青混合料性能發(fā)生變化，主要是變硬和脆性增加，同時降低了應力松弛能力。因此，老化的混合料具有更高的開裂敏感性，并可能損害路面的使用性能，不利于服役壽命。瀝青混合料室內模擬老化方式主要分為壓實試樣和松散試樣^[3-4]。研究表明，100℃以上的老化瀝青溫度可能會破壞極性分子結合，從而導致瀝青粘合劑中硫化物的熱分解^[5]。上述研究表明，瀝青混合料的老化對其性能有極大影響，特別是在較高溫度條件下影響更為顯著。通過測試瀝青混合料動態(tài)模量，以評估瀝青混合料的黏彈性能，也已有相關研究^[6-7]。Mensching等^[8]借鑒瀝青結合料Glover-Rowe參數(shù)，評估瀝青混合料的壓實性能。經證明，該參數(shù)與瀝青混合料抗開裂性能關系良好，已被美國NCHRP09-58項目用以評估瀝青混合料老化再生。與此同時，在瀝青混合料主曲線參數(shù)中，還有許多參數(shù)被學者用于分析瀝青混合料線性黏彈特性，包括拐點頻率（-β/γ）、玻璃態(tài)模量和拐點模量之差（γ）、相位角峰值（α）和相位角峰值所對應頻率（c），這些參數(shù)可有效評估瀝青混合物的黏彈特性^[9-11]。然而，很少有人使用這些參數(shù)來揭示不同老化條件對瀝青混合料線性黏彈特性的影響。因此，本文通過測試不同老化狀態(tài)下瀝青混合料動態(tài)模量和相位角，采用前文所述參數(shù)分析不同老化狀態(tài)下瀝青混合料線性黏彈特性變化規(guī)律。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料及混合料級配

本文采用A級70^#瀝青作為膠結料，相關技術指標見表1。細集料為石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r研磨而成，其各項物理化學指標均符合相關規(guī)范對瀝青路面用礦料要求。粗集料為輝綠巖，檢測指標見表2。

選用AC-13C型級配，合成級配曲線見圖1。

1.2 試驗方案

為了比較瀝青混合料在不同老化水平下的線性黏彈特性，使用意大利Matest公司生產的瀝青混合料性能測試儀（AMPT）開展瀝青混合料動態(tài)模量及相位角測試。測試溫度為5℃、20℃、35℃，加載頻率為0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz。使用系統(tǒng)自帶軟件構建不同老化水平下混合物的動態(tài)模量和相位角主曲線。

2 結果與討論

2.1 動態(tài)模量及相位角主曲線分析

采用sigmoidal方程擬合動態(tài)模量主曲線，具體見式（1）：

式中：ω——頻率；

α、β和γ——描述動態(tài)模量主曲線形狀的擬合系數(shù)。

將5℃、35℃動態(tài)模量測試結果向20℃平移，形成動態(tài)模量主曲線。圖2和圖3中給出了不同老化水平瀝青混合料動態(tài)模量和相位角主曲線。由圖2和圖3可知，隨著老化程度的增加，瀝青混合料表現(xiàn)出更高的剛度（動態(tài)模量）和更低的松弛能力（相位角），這兩者的變化規(guī)律反映了瀝青混合料老化程度越深越容易開裂。具體到每一種老化狀態(tài)，瀝青混合料動態(tài)模量差異較小，而相位角有明顯差異性。其中，瀝青混合料動態(tài)模量和相位角原樣狀態(tài)與老化狀態(tài)有明顯區(qū)別，而不同老化天數(shù)的瀝青混合料動態(tài)模量差別較小，因此經過老化后，瀝青混合料的動態(tài)模量并不隨老化程度變深而明顯增加。動態(tài)模量的對比分析結果表明瀝青混合料動態(tài)模量對老化較為敏感，但隨著老化程度加深，對老化的敏感性下降。再分析相位角可知，瀝青混合料原樣狀態(tài)與不同老化狀態(tài)的相位角差別明顯。但相位角主曲線的變化規(guī)律與動態(tài)模量主曲線差異較大，原樣狀態(tài)、5 d老化狀態(tài)、10 d老化狀態(tài)、15 d老化狀態(tài)的相位角主曲線形狀變化較為劇烈，但10 d老化狀態(tài)、15 d老化狀態(tài)相位角主曲線形狀差異較小，表明瀝青混合料隨著老化程度加深，其黏彈性質逐漸從黏性轉變?yōu)閺椥裕易兓^程平穩(wěn)。

2.2 Glover Rowe參數(shù)分析

Glover Rowe（G-R_m）參數(shù)最初用于評估瀝青結合料的抗開裂性，后續(xù)學者對其進行了簡化，用于評估瀝青混合料的抗開裂性能。Glover Rowe參數(shù)如式（2）所示：

式中：s——瀝青混合料動態(tài)模量；

δ——瀝青混合料相位角。

本文參考現(xiàn)有文獻^[12]，采用20℃、5 Hz下瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角開展計算。

圖4顯示了不同老化程度下瀝青混合料的G-R_m參數(shù)。由圖可知，隨著老化程度加深，G-R_m參數(shù)增加，說明瀝青混合料抗開裂能力逐漸下降。老化對瀝青混合料的G-R_m參數(shù)有顯著影響，其中5 d老化狀態(tài)瀝青混合料G-R_m參數(shù)是原樣狀態(tài)的5.7倍，而老化程度從5 d到10 d、從10 d到15 d，分別增加了38.1%、15.9%。與前文主曲線分析結果類似，從原樣狀態(tài)到5 d老化狀態(tài)，瀝青混合料的G-R_m參數(shù)變化明顯，而隨著老化程度加深，G-R_m參數(shù)增長逐漸平緩。因此，瀝青混合料僅在開始老化階段（原樣到老化5 d）抗開裂能力急劇下降，而在后續(xù)的長期老化階段（老化5 d到15 d）抗開裂能力下降平緩。

2.3 動態(tài)模量主曲線形狀參數(shù)分析

下頁圖5、圖6顯示了不同老化狀態(tài)瀝青混合料動態(tài)模量主曲線形狀參數(shù)-β/γ、γ。從圖5、圖6可知，-β/γ值隨著老化程度加深而減小，而γ值隨老化程度加深而增加，這兩個參數(shù)都與老化程度有顯著相關性。γ值表征動態(tài)模量主曲線寬度，-β/γ表征由骨料結構主導瀝青混合料黏彈特性向瀝青結合料主導的彈性-黏性轉變過程。γ隨著老化水平的增加而增加，而-β/γ隨著老化程度的增加而減少，這意味著隨著彈性-黏性過渡點向較低頻率移動，瀝青混合料將變得更具彈性，從而產生更平坦的動態(tài)模量曲線。

2.4 相位角主曲線形狀參數(shù)分析

使用三參數(shù)廣義洛倫茲模型來擬合相位角主曲線，具體見式（3）：

式中：δ——相位角（°）；

ω——頻率（Hz）；

a、b和c——擬合系數(shù);

a——相位角的峰值；

b——控制主曲線的斜率；

c——峰值點的水平位置。

圖7、圖8顯示了不同老化狀態(tài)瀝青混合料相位角主曲線形狀參數(shù)a、c。從圖7、圖8可知，a和c值隨著老化程度的增加而降低。但老化時間為10 d、15 d時，a、c參數(shù)均變化較小，表明隨著老化程度增加，瀝青混合料黏彈特性隨老化程度的變化敏感性下降。

3 結語

通過室內模擬老化，制備不同老化程度的瀝青混合料，開展動態(tài)模量試驗，得出結論如下：

（1）瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線在不同老化狀態(tài)下具有突變性，主要體現(xiàn)在原樣狀態(tài)與5 d老化時間狀態(tài)的動態(tài)模量主曲線差別較大，而5 d、10 d、15 d老化狀態(tài)下的動態(tài)模量主曲線差距相對較小；而相位角主曲線變化過程較為平緩，其黏彈性質逐漸從黏性轉變?yōu)閺椥浴?/p>

（2）G-R_m參數(shù)與瀝青混合料的老化程度有顯著相關性，隨著瀝青混合料老化程度增加，G-R_m參數(shù)逐漸增加，但從原樣狀態(tài)到5 d老化狀態(tài)、5 d到10 d、10 d到15 d，G-R_m參數(shù)增加幅度逐漸降低，因此瀝青混合料老化程度到后期階段，瀝青混合料的抗開裂性能對老化的敏感性下降。

（3）瀝青混合料動態(tài)模量主曲線形狀參數(shù)-β/γ、γ，相位角主曲線形狀參數(shù)a、c均與瀝青混合料的老化程度相關。隨著老化程度增加，瀝青混合料的黏彈特性參數(shù)對老化的敏感性下降。

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