瀝青膠漿高溫及疲勞性能研究

李曙斌

(云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)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(xiàn)出3種力學(xué)狀態(tài)(玻璃態(tài)、高彈態(tài)及粘流態(tài))。根據(jù)膠漿理論[1-3]，瀝青與集料、礦物填料通過物理化學(xué)吸附裹覆作用形成一個(gè)較為復(fù)雜且相對(duì)穩(wěn)定、呈現(xiàn)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(shí)，還會(huì)受到降雨、溫度變化及光照作用的影響，在經(jīng)歷行車動(dòng)荷載和水-溫-光自然環(huán)境耦合作用下，路面開始產(chǎn)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(xué)狀態(tài)將會(huì)從高彈態(tài)逐步變成粘流態(tài)，瀝青膠漿的復(fù)合模量減小，膠漿與集料之間的粘結(jié)力降低，抵抗塑性變形的能力減弱，使得瀝青路面出現(xiàn)變軟的現(xiàn)象，容易發(fā)生車轍，給路面安全行駛帶來(lái)隱患。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)道路運(yùn)輸?shù)哪芰π枨笠膊粩嘣黾?，?dǎo)致出現(xiàn)運(yùn)輸車輛的普遍超載、超限現(xiàn)象。而超重荷載的反復(fù)作用使得瀝青層底彎拉應(yīng)力增加，瀝青膠漿將產(chǎn)生疲勞損傷和破壞，在瀝青路面上出現(xiàn)橫向或縱向裂縫等病害，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)發(fā)展成龜裂或網(wǎng)裂等病害，對(duì)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(xiàn)與瀝青膠漿流變特性有著密切的聯(lián)系。

目前，對(duì)于瀝青膠漿流變特性的研究成果較多，但采用的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠成熟。研究者對(duì)瀝青膠漿高溫流變性能評(píng)價(jià)采用的指標(biāo)多為復(fù)合模量和相位角，合成指標(biāo)為抗車轍因子。雖然該指標(biāo)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(yàn)的加載模式與路面實(shí)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(fā)生的應(yīng)力變形是具有回彈間隙的，而該試驗(yàn)并沒有充分考慮；而對(duì)于瀝青膠漿疲勞性能評(píng)價(jià)采用的指標(biāo)為疲勞因子，當(dāng)前對(duì)于該指標(biāo)是否能夠充分反映疲勞性能質(zhì)疑很多。因此，本研究基于流變學(xué)理論和瀝青流變特性試驗(yàn)方法，擬對(duì)瀝青膠漿的高溫性能和疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為瀝青膠漿性能相關(guān)研究提供 參考。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 原材料

本試驗(yàn)選用優(yōu)質(zhì)中海油70#基質(zhì)瀝青和高粘瀝青，礦粉選用5種不同產(chǎn)地但巖性相同的礦粉，礦粉編號(hào)為1#,2#,3#,4#和5#，采用激光粒度分析儀對(duì)礦粉粒度分布狀況進(jìn)行檢測(cè)，礦粉的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　礦粉密度和粒度分布檢測(cè)結(jié)果Table 1　The test results of mineral powder density and particle size distribution

注：D10為礦粉累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的 粒徑。

2) 高溫性能試驗(yàn)方案

瀝青路面在實(shí)際行車荷載作用下的應(yīng)力變形分2個(gè)階段：①在荷載作用時(shí)，路面發(fā)生彈性變形和塑性變形；②荷載作用消失后，荷載作用時(shí)發(fā)生的彈性變形將會(huì)恢復(fù)，而塑性變形部分無(wú)法恢復(fù)。因此，為了更好地模擬瀝青路面在實(shí)際受力狀態(tài)下發(fā)生的變形情況，對(duì)瀝青膠漿高溫性能試驗(yàn)采用多應(yīng)力重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)，動(dòng)態(tài)剪切流變儀的工作模式設(shè)定為應(yīng)力控制模式，應(yīng)力條件分100 Pa和3 200 Pa 2種蠕變應(yīng)力水平，試驗(yàn)溫度為60 ℃。采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢筒豢苫謴?fù)蠕變?nèi)崃坎睢２豢苫謴?fù)蠕變?nèi)崃勘碚鳛r青膠漿抵抗應(yīng)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(fù)蠕變?nèi)崃坎罘从巢牧蠈?duì)于應(yīng)力條件的敏感性。其值越小，表明瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康膽?yīng)力敏感差，對(duì)應(yīng)力條件的改變反應(yīng)遲緩，材料高溫穩(wěn)定性好。

3) 疲勞性能試驗(yàn)方案

許多學(xué)者認(rèn)為：當(dāng)瀝青混合料勁度降低到初始勁度的50%以下時(shí)，可判定瀝青路面發(fā)生了疲勞破壞。然而，瀝青膠漿性能對(duì)瀝青混合料影響很大。為了統(tǒng)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(fù)合模量降低至初始復(fù)合模量50%時(shí)的荷載作用時(shí)間作為瀝青膠漿的疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)，該疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)在許多研究中得到驗(yàn)證[11-12]。試驗(yàn)同樣采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀來(lái)完成，設(shè)定模式為時(shí)間掃描模式，試驗(yàn)溫度為25 ℃。

2　高溫性能試驗(yàn)結(jié)果分析

高溫性能試驗(yàn)中，采用5種粉膠比制作瀝青膠漿樣品，其編號(hào)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(yàn)，得到不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢筒豢苫謴?fù)蠕變?nèi)崃坎?，分別如圖1～4所示。

圖1　2種應(yīng)力水平下基質(zhì)瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縁ig. 1　Unrecoverable creep compliance of the matrix bitumen slurry under two kinds of stress levels

1) 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭囼?yàn)結(jié)果分析

從圖1中可以看出，不同礦粉基質(zhì)瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃孔兓?guī)律相同，2種應(yīng)力條件下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S著粉膠比的增加而呈現(xiàn)減小變化趨勢(shì)，表明礦粉加入瀝青后能夠增強(qiáng)高溫抵抗變形能力，應(yīng)力變形小。不同礦粉組成的瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃看嬖谥顒e，尤其1#礦粉瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃棵黠@小于其他4種礦粉的。而根據(jù)礦粉的粒度檢測(cè)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，1#礦粉的平均粒徑最大，因此，即使礦粉顆粒粒徑已經(jīng)很小，但是其粒徑大小的細(xì)微差別對(duì)于瀝青膠漿高溫性能宏觀表現(xiàn)存在著很大的影響。

圖2　2種應(yīng)力水平下高粘瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縁ig. 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(fù)蠕變?nèi)崃侩S粉膠比的變化與基質(zhì)瀝青膠漿的具有相似的規(guī)律，但是高粘瀝青膠漿的變化幅度很小，尤其當(dāng)粉膠比大于1.0后，其數(shù)值上處于平穩(wěn)，表明礦粉對(duì)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(fù)蠕變?nèi)崃啃∮诨|(zhì)瀝青膠漿的，表明高粘瀝青膠漿的高溫性能要優(yōu)于基質(zhì)瀝青膠漿的。

2) 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎钤囼?yàn)結(jié)果分析

從圖3中可以看出，隨著粉膠比的增加，基質(zhì)瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎钪饾u減小。當(dāng)粉膠比達(dá)到一定數(shù)值后，瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎畛霈F(xiàn)等于0%的情況。而隨著粉膠比的繼續(xù)增加，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎铋_始為負(fù)值。表明不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎铍S著粉膠比的增加而減小，礦粉不僅能增強(qiáng)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(wěn)定，對(duì)外界應(yīng)力條件敏感性降低；而當(dāng)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎顬?%時(shí)，2種應(yīng)力狀態(tài)下瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃渴窍嗟鹊?，表明瀝青膠漿不受應(yīng)力條件差異的影響。可見，當(dāng)前狀態(tài)下的瀝青膠漿是最穩(wěn)定的。其原因是：該試驗(yàn)溫度下，瀝青處于高彈態(tài)和粘流態(tài)之間，本身就處于不穩(wěn)定狀態(tài)。而隨著礦粉的增加，瀝青與礦粉之間存在著復(fù)雜的物理和化學(xué)吸附，礦粉分散在瀝青介質(zhì)里。隨著礦粉數(shù)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(jié)力增強(qiáng)，因此，使得瀝青-礦粉二元體系在力學(xué)狀態(tài)上相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎顬?%時(shí)，1#～5#礦粉的瀝青膠漿所對(duì)應(yīng)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(guī)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(zhì)瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎顬?%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粉膠比作為瀝青混合料粉膠比的最適值。

圖3　基質(zhì)瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎頕ig. 3　The matrix bitumen slurry unrecoverable creep compliance difference

從圖4中可以看出，相比基質(zhì)瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎铍S粉膠比遞減的變化，高粘瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎铍S粉膠比變化的波動(dòng)較大，表明高粘瀝青膠漿高溫狀態(tài)下不穩(wěn)定，對(duì)外界應(yīng)力條件較為敏感，這與改性瀝青自身的特性有關(guān)；而不同礦粉的瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎畹牟町愝^大，表明不同礦粉對(duì)瀝青膠漿所起到的穩(wěn)定作用存在著差別。

圖4　高粘瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎頕ig. 4　The high viscosity bitumen slurr unrecoverable creep compliance difference

3　疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果分析

在疲勞性能試驗(yàn)中，根據(jù)5種礦粉的各項(xiàng)指標(biāo)，選取粒度差異性稍大的1#礦粉、2#礦粉和3#礦粉來(lái)制作瀝青膠漿試驗(yàn)樣品，基質(zhì)瀝青膠漿和高粘瀝青膠漿在動(dòng)態(tài)剪切流變儀時(shí)間掃描模式下的加載時(shí)間與復(fù)合模量數(shù)據(jù)采集結(jié)果分別如圖5，6所示。根據(jù)本研究中瀝青膠漿疲勞破壞定義，以瀝青膠漿復(fù)合模量G*衰減至初始復(fù)合模量50%時(shí)的荷載作用時(shí)間(即疲勞壽命)作為評(píng)價(jià)疲勞性能的指標(biāo)，將圖5，6結(jié)果進(jìn)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(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，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(zhì)瀝青膠漿疲勞壽命由大到小的排序?yàn)?#，1#和2#；而高粘瀝青膠漿疲勞壽命由大到小的排序?yàn)?#，2#和1#?？梢姡嗤V粉在與不同瀝青混溶后表現(xiàn)出的疲勞壽命是不同的，這與礦粉-瀝青之間發(fā)生復(fù)雜的吸附、反應(yīng)作用有關(guān)。因此，在實(shí)際工程中，不能隨意使用礦粉，而應(yīng)通過試驗(yàn)，合理比對(duì)后，進(jìn)行選擇。通過疲勞壽命對(duì)比可知，高粘瀝青膠漿的抗疲勞性能要優(yōu)于基質(zhì)瀝青膠漿的。雖然高粘瀝青的價(jià)格要高于基質(zhì)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(yōu)良的表現(xiàn)；結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，之前高粘瀝青僅運(yùn)用于高速公路這樣的高等級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)路面，但隨著路面養(yǎng)護(hù)工程在中國(guó)廣泛的開展，新的養(yǎng)護(hù)理念、設(shè)計(jì)理念及全壽命周期理念的出現(xiàn)，許多國(guó)、 省干線公路也開始大范圍使用高粘瀝青。

圖5　基質(zhì)瀝青膠漿模量與加載時(shí)間的關(guān)系Fig. 5　The relationship between matrix asphalt cement modulus and loading time

高粘瀝青在使用時(shí)能夠?qū)Ω男詣┢焚|(zhì)充分把關(guān)。那么，若使用高粘瀝青，工程質(zhì)量就能得到有效的控制。

4　結(jié)論

采用MSCR試驗(yàn)，研究了瀝青膠漿的高溫性能。評(píng)價(jià)指標(biāo)為不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢筒豢苫謴?fù)蠕變?nèi)崃坎?；在疲勞試?yàn)中，采用復(fù)合模量降低至初始復(fù)合模量50%時(shí)的荷載作用時(shí)間(即疲勞壽命)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠漿疲勞性能，得到的結(jié)論為：

1) 不同的礦粉對(duì)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(fù)蠕變?nèi)崃繙p小，增強(qiáng)了瀝青膠漿高溫抵抗應(yīng)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(shí)間的關(guān)系Fig. 6　The relationship between high viscosity asphalt glue modulus and loading time

圖7　不同粉膠比基質(zhì)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(zhì)瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎钪饾u減小。當(dāng)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎顬?%時(shí)，此時(shí)瀝青膠漿處于穩(wěn)定態(tài)，外界應(yīng)力對(duì)其影響小，而1#～5#瀝青膠漿所對(duì)應(yīng)的粉膠比與Superpave規(guī)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(zhì)瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎顬?%時(shí)所對(duì)應(yīng)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(fù)蠕變?nèi)崃坎铍S粉膠比變化的波動(dòng)較大，表明高粘瀝青膠漿高溫狀態(tài)下不穩(wěn)定，對(duì)外界應(yīng)力條件較為敏感，這與改性瀝青自身特性有關(guān)；不同礦粉的瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎畹牟町愝^大，表明不同礦粉對(duì)瀝青膠漿所起到的穩(wěn)定作用存在著差別。

4) 加入礦粉瀝青膠漿時(shí)，疲勞壽命呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)?？梢?，礦粉對(duì)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(yōu)于基質(zhì)瀝青膠漿的。因此，建議：在實(shí)際道路中，礦粉的使用應(yīng)通過試驗(yàn)，在合理比對(duì)后，進(jìn)行選擇，且選用高溫性能和疲勞性能更優(yōu)的高粘瀝青材料。

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