濕度對(duì)瀝青混合料黏彈性質(zhì)的影響

羅 蓉，侯 強(qiáng)，劉涵奇

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.湖北省公路工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063)

0 引 言

在道路設(shè)計(jì)中，瀝青面層因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路路面，但同樣也存在一些問(wèn)題。瀝青路面在服役初會(huì)發(fā)生松散、坑洞、唧泥等水損害現(xiàn)象，造成路面服役壽命縮短[1]。這一問(wèn)題的根源在于水的存在，集料的親水性使得水分子置換出瀝青膜，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面剝離，最終發(fā)展成為常見(jiàn)的水損害現(xiàn)象[2]。

瀝青混合料作為面層材料與水的接觸不可避免。一般認(rèn)為，液態(tài)水是導(dǎo)致瀝青混合料產(chǎn)生水損害的根源，學(xué)者因此開(kāi)展浸水試驗(yàn)或凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究瀝青混合料的抗水損害能力[3-4]。但由于密級(jí)配瀝青混合料空隙小，且結(jié)構(gòu)層間常鋪設(shè)防水層，使得液態(tài)水較難進(jìn)入面層內(nèi)部。有研究對(duì)發(fā)生水損害的路段取芯進(jìn)行透水試驗(yàn)，結(jié)果表明液態(tài)水較難穿透混合料，可見(jiàn)液態(tài)水并非瀝青路面水損害的唯一來(lái)源[5-6]。

液態(tài)水難穿透瀝青混合料，但水能夠以氣態(tài)形式在混合料內(nèi)部遷移和擴(kuò)散。水以氣態(tài)分子侵入混合料，降低瀝青膜的內(nèi)聚能和瀝青與集料的黏附能，造成初期水損害。在面層鋪設(shè)之初瀝青混合料內(nèi)部濕度接近于0，在濕度差的驅(qū)動(dòng)作用下，水氣開(kāi)始在瀝青混合料內(nèi)部積聚，使?jié)穸仍黾?。道路面層較薄且直接暴露在自然環(huán)境中，受氣溫影響，瀝青混合料內(nèi)部濕度處在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。由于瀝青混合料受拉時(shí)由瀝青膠漿承擔(dān)和傳遞應(yīng)力，相比于受壓狀態(tài)，瀝青混合料受拉時(shí)的黏彈性質(zhì)受濕度影響更大。因此筆者對(duì)不同濕度養(yǎng)生后的試件開(kāi)展單軸拉伸動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，通過(guò)不同濕度下動(dòng)態(tài)模量和相位角的主曲線，定性分析濕度對(duì)瀝青混合料黏彈性質(zhì)的影響；通過(guò)動(dòng)態(tài)模量比、存儲(chǔ)模量比和損失模量比，量化不同行車速度下瀝青混合料抵抗變形性質(zhì)、黏性性質(zhì)及彈性性質(zhì)的變化。

1 材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)成型2類瀝青混合料，常作為道路上、中面層的鋪設(shè)材料，具體材料信息如表1。

表1 試驗(yàn)制備兩類瀝青混合料的材料信息

室內(nèi)制備直徑100 mm、高度150 mm的圓柱體試件。對(duì)試件進(jìn)行0%、50%、80%以及100%共4種濕度水平養(yǎng)生，單個(gè)濕度水平下每種瀝青混合料試件養(yǎng)生數(shù)量不少于4個(gè)。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用真空干燥箱以及恒溫恒濕箱對(duì)試件進(jìn)行濕度養(yǎng)生，溫度設(shè)置為20 ℃，4種濕度下試件的養(yǎng)生時(shí)間均在6個(gè)月以上，保證試件內(nèi)部濕度與箱內(nèi)濕度達(dá)到平衡。其中真空干燥箱內(nèi)部負(fù)壓保持在0.8 bar左右，箱內(nèi)存放P2O5粉末增強(qiáng)干燥效果。

單軸拉伸動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)采用多功能材料伺服系統(tǒng)(MTS)進(jìn)行。MTS環(huán)境箱控溫范圍是-20～60 ℃，濕度控濕范圍是45%～100%。瀝青混合料具有溫度與濕度敏感性特點(diǎn)，在試驗(yàn)開(kāi)始前需進(jìn)行養(yǎng)生，保證試件整體溫度和濕度平衡[7-8]。為了觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試件內(nèi)部濕度變化情況，取另一試件作為濕度對(duì)照試件放置在環(huán)境箱中，通過(guò)濕度測(cè)試計(jì)讀取對(duì)照試件內(nèi)部的濕度。對(duì)照試件操作為：取濕度測(cè)試計(jì)從試件頂部插入內(nèi)部，插入深度約為試件高度的一半，讀取試件內(nèi)部的濕度變化情況。經(jīng)過(guò)測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中試件內(nèi)部濕度波動(dòng)范圍在10%以內(nèi)。

拉伸類試驗(yàn)開(kāi)始前，先對(duì)試件黏結(jié)上下壓頭和側(cè)面固定LVDT夾具。該過(guò)程在室溫室濕下進(jìn)行，會(huì)造成試件內(nèi)部水氣散失，因此對(duì)50%、80%及100%濕度養(yǎng)生試件的試驗(yàn)中，應(yīng)先取出養(yǎng)生試件黏結(jié)上下壓頭和側(cè)向夾具，然后放回原恒溫恒濕箱繼續(xù)養(yǎng)生一周，最后再取出試件進(jìn)行試驗(yàn)。

MTS環(huán)境箱無(wú)法形成負(fù)壓干燥的環(huán)境，0%濕度下養(yǎng)生試件的試驗(yàn)應(yīng)先取出養(yǎng)生，試件用保鮮膜完全包裹，黏結(jié)壓頭和夾具，然后再進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，施加荷載為半正弦波軸向拉應(yīng)力。試驗(yàn)溫度選取為5、20、35、50 ℃，加載頻率選取為0.1、0.5、1、5、10、25 Hz。試驗(yàn)由低溫向高溫，高頻向低頻依次進(jìn)行，加載頻率間試驗(yàn)間隔5 min[9]。

考慮到試驗(yàn)時(shí)間和精度，不同加載頻率內(nèi)試驗(yàn)重復(fù)加載次數(shù)如表2。試驗(yàn)取后50%周期內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值(即加載頻率為25 Hz時(shí)取301～600個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)模量和相位角平均值)作為最終結(jié)果。

表2 不同加載頻率下設(shè)定周期次數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及主曲線

作為典型的黏彈性材料，瀝青混合料的黏彈性特性通過(guò)動(dòng)態(tài)模量和相位角表征。動(dòng)態(tài)模量反映瀝青混合料的抵抗變形能力，其值為應(yīng)力振幅與應(yīng)變振幅的比值；相位角反映瀝青混合料在一定溫度下的黏性特性，其值為應(yīng)變滯后于應(yīng)力的時(shí)間(換算為角度)[10-11]。將試驗(yàn)采集到的荷載和變形數(shù)據(jù)換算為應(yīng)力、應(yīng)變，經(jīng)MATLAB軟件擬合出應(yīng)力、應(yīng)變波形，計(jì)算每個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)模量和相位角。

根據(jù)黏彈性材料的時(shí)溫等效原理，選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考溫度，將其它溫度和加載頻率內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)平移得到一條光滑曲線，即主曲線[12]。動(dòng)態(tài)模量和相位角在線性黏彈性階段滿足近似Kramers-Kronig關(guān)系。動(dòng)態(tài)模量主曲線模型常采用廣義西格摩德模型，如式(1)。根據(jù)近似Kramers-Kronig關(guān)系推導(dǎo)相位角主曲線模型[12]，如式(2)。

(1)

(2)

式中：|E*(fr)|為動(dòng)態(tài)模量，MPa；δ為動(dòng)態(tài)模量最小值，MPa；α+δ為動(dòng)態(tài)模量最大值，MPa；β、λ、γ為主曲線模型的參數(shù)。

移位因子方程選取WLF方程，參考溫度為20 ℃。根據(jù)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)中獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)模量和相位角進(jìn)行擬合，采用同一移位因子，擬合的目標(biāo)函數(shù)如式(3)[13-14]：

Error=Error|E*|+Errorφ=

(3)

式中：N為試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；|E*|m,i為動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)值；|E*|p,i為動(dòng)態(tài)模量預(yù)測(cè)值；φm,i為相位角試驗(yàn)值；φp,i為相位角預(yù)測(cè)值。

根據(jù)以上方法繪制類型1混合料在0%濕度下的主曲線如圖1。

因篇幅原因不再展示其它濕度下的主曲線圖，各主曲線的擬合參數(shù)見(jiàn)表3。表3中各主曲線判定系數(shù)均在0.97以上，證實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)平移后很好地落在主曲線上形成一條光滑的曲線。

表3 主曲線擬合模型參數(shù)及判定系數(shù)

為對(duì)比不同濕度下動(dòng)態(tài)模量和相位角變化情況，匯總不同瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角的主曲線如圖2。由圖2(a)、(c)發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下0%濕度下動(dòng)態(tài)模量主曲線位于最上方，其次是50%，80%和100%。由圖2(b)、(d)發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下100%濕度下相位角主曲線位于最上方，其次是80%，50%和0%。當(dāng)頻率大于100 Hz時(shí)，動(dòng)態(tài)模量主曲線相互交叉重疊，相位角主曲線同樣如此；當(dāng)頻率小于10-3Hz時(shí)，動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線，在不同濕度下的差距變得更加明顯。

主曲線上頻率大于100 Hz的數(shù)據(jù)由5 ℃的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平移得到，頻率小于10-3Hz的數(shù)據(jù)由50 ℃的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平移得到。由此可見(jiàn)，瀝青混合料的黏彈性質(zhì)在溫度較低時(shí)受濕度的影響比高溫時(shí)要小得多，高溫潮濕為瀝青混合料所處的最不利環(huán)境。當(dāng)頻率在10-3～100 Hz時(shí)隨著濕度增加，瀝青混合料模量降低，相位角增加，證實(shí)水氣侵入瀝青混合料內(nèi)部并產(chǎn)生了不同程度的損害，造成瀝青混合料承載能力下降。水氣使瀝青混合料的黏彈性質(zhì)發(fā)生了改變，最終影響了瀝青混合料抵抗永久變形和疲勞開(kāi)裂的能力。

3 量化濕度對(duì)黏彈性影響

在第2節(jié)中定性分析了不同濕度下瀝青混合料的黏彈性質(zhì)變化規(guī)律，筆者選取瀝青混合料在典型加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量和相位角，量化濕度對(duì)瀝青混合料黏彈性質(zhì)的影響程度。現(xiàn)今高速公路行車速度一般處在60～120 km/h，因此選取行車速度為60、120 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載頻率進(jìn)行量化分析。車輛行駛速度和荷載作用周期之間的關(guān)系[15]如式(4)：

(4)

式中：T為荷載作用周期，s；V為車輛行駛速度，m/s；δ為輪胎接地面積當(dāng)量圓半徑，標(biāo)準(zhǔn)軸載中δ=0.106 5 m。

通過(guò)式(4)換算的結(jié)果如表4。同時(shí)根據(jù)表3確定參考溫度為20 ℃時(shí)，各主曲線模型表達(dá)式計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率下的動(dòng)態(tài)模量和相位角，并用動(dòng)態(tài)模量比、損失模量比和存儲(chǔ)模量比，分別表征瀝青混合料的抵抗變形性質(zhì)、黏性性質(zhì)和彈性性質(zhì)。

表4 行車速度和荷載頻率換算表

3.1 動(dòng)態(tài)模量比

受水氣影響，瀝青混合料抵抗變形能力下降，下降程度可由動(dòng)態(tài)模量比來(lái)量化，如式(5)。0%濕度下瀝青混合料因不受水氣影響，表現(xiàn)出最優(yōu)的黏彈性質(zhì)，作為參考性質(zhì)與其它濕度下的黏彈性質(zhì)作比較。

(5)

式中：F|E|為變形影響因子；|E*|0%RH為0%濕度下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量；|E*|i%RH為i%濕度下的動(dòng)態(tài)模量，且i=50、80、100。

根據(jù)式(5)的定義計(jì)算各濕度下的變形影響因子，結(jié)果見(jiàn)表5。影響因子越大，表明瀝青混合料受水氣影響的程度越嚴(yán)重，模量下降越多，抵抗拉伸變形能力越弱。

表5 變形影響因子統(tǒng)計(jì)

0%濕度下的黏彈性質(zhì)為參考，根據(jù)式(5)計(jì)算變形影響因子為0，列于表5。表5表明隨著濕度的增加，類型1試件在最不利情況時(shí)(即100%濕度時(shí))模量平均下降約21%，類型2試件模量平均下降約35%。濕度越大瀝青混合料抵抗拉伸變形能力越差，類型2瀝青混合料受濕度的影響程度較大。模量作為現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)參數(shù)之一，忽略濕度因素造成的模量下降將會(huì)降低瀝青路面的設(shè)計(jì)水平，進(jìn)一步影響路面的服役壽命。

3.2 儲(chǔ)存模量比和損失模量比

存儲(chǔ)模量和損失模量與復(fù)數(shù)模量相關(guān)，采用存儲(chǔ)模量比和損失模量比，可以量化彈性性質(zhì)和黏性性質(zhì)的變化程度，如式(6)，式(7)。

(6)

(7)

式中：F″E為黏性影響因子；F′E為彈性影響因子；|E*|0%RH、φ0%RH分別為0%濕度下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角，且i=50、80、100。

根據(jù)式(6)、式(7)計(jì)算黏性影響因子和彈性影響因子，結(jié)果如表6、7。0%濕度下的黏彈性質(zhì)作為參考，黏性影響因子和彈性影響因子均為1。當(dāng)影響因子大于1時(shí)，表明其黏性性質(zhì)或彈性性質(zhì)相較于0%濕度下的對(duì)應(yīng)性質(zhì)有所增強(qiáng)。

表6 黏性影響因子

表7 彈性影響因子

由表6、7可見(jiàn)，隨濕度增加黏性影響因子先增后減，彈性影響因子逐漸降低，瀝青混合料性質(zhì)表現(xiàn)為由彈性向塑性轉(zhuǎn)變。當(dāng)濕度稍有提高(<50%)，水分子存在使得瀝青混合料黏性性質(zhì)增強(qiáng)，彈性性質(zhì)減弱。但當(dāng)濕度過(guò)大(>80%)，瀝青與集料的黏附性減弱，造成了瀝青混合料總體黏彈性質(zhì)減弱，更易產(chǎn)生水損害。在車速為60～120 km/h時(shí)類型1混合料存儲(chǔ)模量先增11%后降20%，損失模量降低21%，類型2混合料存儲(chǔ)模量先增21%后降30%，損失模量降低37%，可見(jiàn)類型2混合料相較于類型1混合料對(duì)濕度表現(xiàn)的更加敏感。

4 結(jié) 論

筆者研究了不同濕度(不同水氣濃度)對(duì)瀝青混合料黏彈性質(zhì)的影響。選取0%、50%、80%及100%這4個(gè)濕度水平對(duì)兩類瀝青混合料試件進(jìn)行濕度養(yǎng)生，養(yǎng)生時(shí)間均超6個(gè)月以上。不同濕度下養(yǎng)生的試件分別進(jìn)行4個(gè)溫度、6個(gè)頻率下的單軸拉伸動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制參考溫度為20 ℃的動(dòng)態(tài)模量和相位角的主曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)隨著濕度的增加，瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相位角呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，證實(shí)水氣對(duì)瀝青混合料造成了不利影響。水氣對(duì)瀝青混合料內(nèi)在影響不容忽視，在道路設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮由于濕度因素造成模量下降的情況，更好的提高路面的設(shè)計(jì)水平，延長(zhǎng)使用壽命。

2)當(dāng)濕度增加到100%時(shí)，瀝青混合料承載能力越弱。對(duì)應(yīng)于車速為60～120 km/h時(shí)，類型1(石灰?guī)r作為骨料)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量下降了約21%，類型2(輝綠巖作為骨料)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量下降了約35%，較高的濕度條件下瀝青混合料的抗永久變形能力削弱，更易發(fā)展車轍、開(kāi)裂等病害。兩類瀝青混合料受濕度影響程度存在差異，類型1混合料相比類型2混合料模量下降程度小，因此類型1混合料的水穩(wěn)定性較優(yōu)。

3)隨著濕度的增加，瀝青混合料的黏性模量先增后減，彈性模量逐漸減小。其中當(dāng)濕度稍有提高(<50%)，水分子的存在使得瀝青混合料黏性性質(zhì)增強(qiáng)，彈性性質(zhì)減弱。但當(dāng)濕度過(guò)大(>80%)，瀝青與集料的黏附性減弱，造成了瀝青混合料總體黏彈性質(zhì)減弱，導(dǎo)致水損害發(fā)生。對(duì)應(yīng)于車速60～120km/h時(shí)，類型1混合料存儲(chǔ)模量先增11%后降20%，損失模量降低21%，類型2混合料存儲(chǔ)模量先增21%后降30%，損失模量降低37%，類型2混合料對(duì)濕度表現(xiàn)的更加敏感。工程實(shí)際中應(yīng)該合理選擇對(duì)溫、濕度敏感性較差的瀝青混合料類型。