基于SHRP計(jì)劃的瀝青試驗(yàn)頻率選擇的研究分析

馮保杰，栗振鋒，李 彤

(太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，太原 030024)

瀝青路面因?yàn)槠淞己玫牧W(xué)特性，比如行車舒適度好、路面平整、噪音小、適宜分期修建等，在全國(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用極其廣泛。而且在目前，在建的公路項(xiàng)目90%以上都在使用瀝青混凝土路面[1]。但是瀝青在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生車轍破壞，在中低溫狀態(tài)下容易產(chǎn)生開裂破壞，而車轍破壞和開裂破壞不僅會(huì)對(duì)路面的外觀造成破壞，同時(shí)對(duì)路面的使用功能也會(huì)產(chǎn)生很大影響,如圖1和圖2所示。聞名全球的美國(guó) SHRP 計(jì)劃，其重要的研究?jī)?nèi)容之一就是瀝青，根據(jù)美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)的研究結(jié)論，瀝青對(duì)高溫車轍的貢獻(xiàn)率占40%,對(duì)低溫性能的貢獻(xiàn)率占 80%[2-4]。但是，在SHRP計(jì)劃中，規(guī)定使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)量瀝青各力學(xué)性能指標(biāo)的頻率為10 rad/s，試驗(yàn)頻率要求比較單一且固定，因此，本文從基質(zhì)瀝青入手，基于SHRP計(jì)劃對(duì)瀝青性能對(duì)試驗(yàn)頻率的選取進(jìn)行研究，分析在哪個(gè)角頻率下評(píng)價(jià)瀝青抗車轍能力與抗疲勞開裂的能力更加明顯。

圖1 疲勞開裂Fig.1 Fatigue cracking

圖2 車轍Fig.2 Rutting

1 SHRP簡(jiǎn)介

SHRP計(jì)劃，即Strategic Highway Research Program，是美國(guó)國(guó)會(huì)在1987年批準(zhǔn)的一個(gè)期限為5年(1987-1993)的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，由 NRC(美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院)管理，由FHWA(聯(lián)邦公路局)和AASHTO(美國(guó)州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì))合作完成，主要的研究?jī)?nèi)容有四個(gè)，分別是路面長(zhǎng)期性能、混凝土與結(jié)構(gòu)、公路運(yùn)營(yíng)與瀝青，取得了130多項(xiàng)主要成果。瀝青模塊主要研究?jī)?nèi)容是Superpave(Superior Performing Asphalt Pavements)，即高性能瀝青路面，也就是人們常說的超級(jí)公路，包括一系列集料的試驗(yàn)與規(guī)范，主要的膠結(jié)料測(cè)試試驗(yàn)有動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，來(lái)測(cè)量瀝青的高溫與中溫性能；旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，采用旋轉(zhuǎn)粘度儀(RV)，來(lái)模擬施工攪拌的溫度性能；瀝青低溫性能試驗(yàn)，采用彎曲梁流變儀(BBR)、直接拉伸實(shí)驗(yàn)儀(DDT)，來(lái)測(cè)量瀝青的低溫性能[5]；模擬硬化試驗(yàn)，采用薄膜烘箱(RTFO)、壓力老化容器(PAV)，來(lái)測(cè)量瀝青路面的耐久度特性，其中薄膜烘箱(RTFO)是用來(lái)模擬瀝青混合料的早期老化，即在混合料拌和和運(yùn)輸過程中的老化，而壓力老化容器(PAV)是用來(lái)模擬瀝青路面在役期間的老化。圖3-圖8為每個(gè)試驗(yàn)需要的設(shè)備。

圖3 DSRFig.3 DSR

圖4 RVFig.4 RV

圖5 BBRFig.5 BBR

圖6 DDTFig.6 DDT

圖7 RTFOFig.7 RTFO

圖8 PAVFig.8 PAV

2 瀝青的抗車轍與抗疲勞開裂的評(píng)價(jià)指標(biāo)

復(fù)模量是最大剪應(yīng)力與最大剪應(yīng)變的比值，而施加的應(yīng)力和產(chǎn)生應(yīng)變的時(shí)間之差就是相位角,如圖所示9.瀝青材料的復(fù)模量是指在反復(fù)施加剪力后，瀝青材料的抵抗變形的總量，它由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是彈性變形，即暫時(shí)變形，另一個(gè)是粘性變形，即永久變形。對(duì)于完全的彈性材料，施加的應(yīng)力與產(chǎn)生的應(yīng)變之間沒有時(shí)間差，所以完全的彈性材料的相位角為0[6]；而瀝青屬于粘彈性材料，在正常溫度下所施加的應(yīng)力與產(chǎn)生的應(yīng)變之間會(huì)有一個(gè)時(shí)間差，這就是瀝青材料的相位角。復(fù)模量與相位角均可以在動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)中采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)量得到。

圖9 相位角Fig.9 Phase angle

SHRP中控制路面車轍而定的指標(biāo)是車轍因子，其公式為

其中G*為瀝青的復(fù)模量；

δ為瀝青材料的相位角。

SHRP中控制路面疲勞開裂而定的指標(biāo)是疲勞因子，其公式為

G*sin(δ)

其中G*為瀝青的復(fù)模量

δ為瀝青材料的相位角

SHRP中疲勞開裂用G*sin(δ)表示，要求經(jīng)PAV瀝青G*sin(δ)≤5 MPa，G*和δ值越小,材料越具柔性,抗疲勞開裂的能力越強(qiáng)[8]。

但是由于試驗(yàn)頻率不同，所得到的復(fù)模量與相位角肯定也有所區(qū)別，為了試驗(yàn)分析的客觀性，本文提出了單位復(fù)模量、單位相位角、單位車轍因子和單位疲勞因子的概念。

單位復(fù)模量、單位相位角、單位車轍因子和單位疲勞因子都是指無(wú)論試驗(yàn)角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s，當(dāng)角頻率每改變1 rad/s是對(duì)應(yīng)的復(fù)模量、相位角、車轍因子和疲勞因子的數(shù)值，單位分別是°/( rad/s)、Pa/( rad/s)、kPa/( rad/s)、kPa/( rad/s).

通過復(fù)模量、相位角、車轍因子、疲勞因子與單位復(fù)模量、單位相位角、單位車轍因子、單位疲勞因子的比較，就可以更加客觀的對(duì)SHRP計(jì)劃中動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)的最佳試驗(yàn)角頻率選擇進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 瀝青材料的選擇

在我國(guó)，道路石油瀝青標(biāo)號(hào)多數(shù)為25 ℃的針入度，其對(duì)瀝青的性能有較大影響，并且標(biāo)號(hào)對(duì)SBS改性瀝青的低溫性能也有很大影響。而由基質(zhì)鎮(zhèn)海70號(hào)瀝青拌和而成的瀝青混合料剛度、強(qiáng)度和耐久性良好，這樣的瀝青混合料可以防治路面老化，延緩路面開裂，適用于我國(guó)整個(gè)東北、華北地區(qū)，適用范圍較廣，所以本實(shí)驗(yàn)材料采用未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號(hào)瀝青。試驗(yàn)材料的性能列于表1.

表1 試驗(yàn)瀝青的性能Tab.1 The performance of test asphalt

3.2 試驗(yàn)儀器

本次實(shí)驗(yàn)儀器采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，簡(jiǎn)稱DSR)，如圖10所示。該儀器通過作用已知扭矩來(lái)測(cè)量試樣的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，配合相應(yīng)軟件可進(jìn)行應(yīng)變控制(測(cè)量其應(yīng)力)和應(yīng)力控制(測(cè)量其應(yīng)變)，試驗(yàn)結(jié)果可用來(lái)確定瀝青抵抗車轍和疲勞的能力[9]。

圖10 DSRFig.10 DSR

3.3 試驗(yàn)原理

由圖11DSR結(jié)構(gòu)圖可以看出，動(dòng)態(tài)剪切流變儀(簡(jiǎn)稱DSR)包括固定板，瀝青和振蕩板三個(gè)主要部分。DSR的工作原理很簡(jiǎn)單，一般來(lái)說，瀝青試樣放在固定板與振蕩板之間，振蕩板從A運(yùn)動(dòng)到B，然后再反方向從B轉(zhuǎn)向A，繼續(xù)轉(zhuǎn)到C,最后再改變方向從C轉(zhuǎn)動(dòng)到A完成一個(gè)正弦周期，如圖12所示。當(dāng)DSR完成一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期時(shí)，儀器自動(dòng)獲取瀝青的相關(guān)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)，包括復(fù)模量、相位角、車轍因子和疲勞因子等。

圖11 DSR結(jié)構(gòu)圖Fig.11 DSR structure

圖12 正弦周期Fig.12 Sinusoidal periodic

3.4 試驗(yàn)方案

瀝青路面溫度突變和極低溫引起的路面開裂，與瀝青路面疲勞、車轍共稱為瀝青路面的三大病害[10-12]。因?yàn)闉r青的低溫性能與溫度和頻率有很大的關(guān)系，所以試驗(yàn)方案選采用未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號(hào)瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)。

(1)按下水浴裝置工作按鈕(位于該裝置上方控制面板上，右側(cè)第一個(gè)，按下該鈕后裝置馬達(dá)開始運(yùn)轉(zhuǎn))，此時(shí)打開調(diào)節(jié)水浴裝置出水閥(位于裝置上方背部)，小心調(diào)節(jié)該閥門直至流變儀上ADS單元內(nèi)有水面上下運(yùn)動(dòng)且不溢出位置；

(2)待軟件上溫度顯示在設(shè)定溫度的±0.5 ℃以內(nèi)后，將水位限制罩(為白色四角塑料罩)套在上夾具上方的鎖扣和插銷之間，并用鎖扣將上夾具鎖緊；

(3)按下流變儀面板上ZERO按鈕，流變儀系統(tǒng)對(duì)板間距校零，校零結(jié)束后，面板上GAP顯示屏數(shù)值為“0000”，待“OK”指示燈亮后，按下面板“▲”按鈕，抬至最高處或其他合適位置；

(4)預(yù)熱好瀝青樣品(約130 ℃下預(yù)熱)，分以下情形操作；

(5)點(diǎn)擊軟件上“start”按鈕，夾具下壓至某一間距處，刮樣工具沿上下夾具外沿將多余樣品刮去，刮樣要盡量貼緊上下夾具，且不要帶出樣品。將水位限制罩插在下方ADS內(nèi)插孔內(nèi)，并繼續(xù)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥，直至水將樣品完全浸泡且不溢出ADS進(jìn)樣結(jié)束后，拔開插銷，點(diǎn)擊軟件上確認(rèn)按鈕，儀器將繼續(xù)下壓50 μm后開始測(cè)試；

(6)實(shí)驗(yàn)過程中，軟件界面中可以查看車轍因子、疲勞因子、溫度等參數(shù)曲線。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 不同角頻率下瀝青的復(fù)模量、相位角、車轍因子與疲勞因子

如圖13所示，無(wú)論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時(shí)，復(fù)模量都隨著溫度的升高而逐漸降低，表明瀝青抵抗變形的能力隨著溫度的上升而逐漸減弱。當(dāng)溫度為-15 ℃時(shí)，復(fù)模量的大小次序?yàn)椋?5 rad/s>5 rad/s>10 rad/s，并且角頻率為15 rad/s時(shí)的復(fù)模量分別是5 rad/s和10 rad/s的3.2倍和5.9倍；隨著溫度的上升，當(dāng)溫度為50 ℃時(shí)，復(fù)模量逐漸變小，并逐漸接近于20 000 Pa，大小次序?yàn)?5 rad/s>10 rad/s>5 rad/s.其中，當(dāng)角頻率15 rad/s時(shí)，復(fù)模量的變化最為明顯。

圖13 三個(gè)不同角頻率下復(fù)模量的變化曲線Fig.13 The change curve of complex modulus at three different angular frequencies

如圖14所示，無(wú)論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時(shí)，相位角都隨著溫度的升高而逐漸增大，表明瀝青的粘彈性比例逐漸增大，也就是說隨著溫度的升高，瀝青慢慢從彈性占主體的性質(zhì)走向粘性占主體的性質(zhì)。當(dāng)溫度為-15 ℃時(shí)，復(fù)模量的大小次序?yàn)?0 rad/s>5 rad/s>15 rad/s；隨著溫度的上升，當(dāng)溫度為50 ℃時(shí)，相位角逐漸變大，大小次序?yàn)?0 rad/s>5 rad/s>15 rad/s.其中，當(dāng)角頻率10 rad/s時(shí)，復(fù)模量的變化最為明顯。

圖14 三個(gè)不同角頻率下相位角的變化曲線Fig.14 The change curve of phase angle at three different angular frequencies

如圖15和圖16所示，在降溫速率為1 ℃/min時(shí)，根據(jù)SHRP計(jì)劃成果中評(píng)價(jià)瀝青的抗車轍能力的車轍因子和抗疲勞開裂的疲勞因子，隨著溫度的升高都逐漸降，并且在不同頻率下的車轍因子和疲勞因子變化率大小依次是15 rad/s、5 rad/s、10 rad/s.并且在低溫環(huán)境下(-15～5 ℃)下三個(gè)實(shí)驗(yàn)頻率下的車轍因子與疲勞因子相差比較明顯，表明DSR試驗(yàn)在頻率為15 rad/s時(shí)，能更清楚明了的表明瀝青的抗車轍能力和抗疲勞開裂的能力。

圖15 三個(gè)不同角頻率下車轍因子的變化曲線Fig.15 The change curve of rutting factor under three different angular frequencies

圖16 三個(gè)不同角頻率下疲勞因子的變化曲線Fig.16 The variation curve of fatigue factor under three different angular frequencies

4.2 不同角頻率下瀝青的單位復(fù)模量、單位相位角、單位車轍因子、單位疲勞因子

如圖17所示，三個(gè)試驗(yàn)角頻率下的單位復(fù)模量都隨著溫度的升高而降低，速率逐漸變小。當(dāng)試驗(yàn)角頻率為5 rad/s和15 rad/s時(shí)的單位復(fù)模量比較接近，并且角頻率為15 rad/s時(shí)的單位復(fù)模量略大于角頻率為5 rad/s時(shí)的復(fù)模量；當(dāng)試驗(yàn)角頻率為10 rad/s時(shí)的單位復(fù)模量遠(yuǎn)小于5 rad/s和15 rad/s時(shí)的單位復(fù)模量。這就表明，隨著溫度的上升，角頻率每變化1 rad/s，瀝青的抵抗變形的能力逐漸降低，尤其是在角頻率為15 rad/s時(shí)的單位復(fù)模量最為明顯。

圖17 三個(gè)不同角頻率下單位復(fù)模量的變化曲線Fig.17 The change curve of unit complex modulus at three different angular frequencies

如圖18所示，三個(gè)試驗(yàn)角頻率下的單位相位角都隨著溫度的升高而緩慢變大，變化速率約為定值。當(dāng)試驗(yàn)角頻率為5 rad/s時(shí)的單位相位角最大，其次是10 rad/s和15 rad/s.這就表明，隨著溫度的上升，角頻率每變化1 rad/s，瀝青的粘彈性比例緩慢增大，即試驗(yàn)瀝青逐漸從彈性向彈性轉(zhuǎn)變。

圖18 三個(gè)不同角頻率下單位相位角的變化曲線Fig.18 The change curve of unit phase angle at three different angular frequencies

如圖19和20所示，三個(gè)試驗(yàn)角頻率下的單位車轍因子與單位疲勞因子都隨著溫度的升高而降低，速率由大變小。當(dāng)試驗(yàn)角頻率為5 rad/s和15 rad/s時(shí)的單位車轍因子與單位疲勞因子比較接近，并且角頻率為15 rad/s時(shí)的單位車轍因子與單位疲勞因子略大于角頻率為5 rad/s時(shí)的單位車轍因子與單位疲勞因子；當(dāng)試驗(yàn)角頻率為10 rad/s時(shí)的單位車轍因子與單位疲勞因子遠(yuǎn)小于5 rad/s和15 rad/s時(shí)的單位車轍因子與單位疲勞因子。這就表明，隨著溫度的上升，角頻率每變化1 rad/s，瀝青的抵抗車轍變形與抵抗疲勞開裂的能力逐漸降低，尤其是在角頻率為15 rad/s時(shí)最為明顯。

圖19 三個(gè)不同角頻率下單位車轍因子的變化曲線Fig.19 The change curve of unit rutting factor under three different angular frequencies

5 結(jié)論

(1)無(wú)論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時(shí)，復(fù)模量與單位復(fù)模量都隨著溫度的升高而逐漸降低，表明瀝青抵抗變形的能力隨著溫度的上升而逐漸減弱。

圖20 三個(gè)不同角頻率下單位疲勞因子的變化曲線Fig.20 The variation curve of unit fatigue factor under three different angular frequencies

(2)無(wú)論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時(shí)，相位角和單位相位角都隨著溫度的升高而逐漸增大，表明瀝青的粘彈性比例逐漸增大，也就是說隨著溫度的升高，瀝青慢慢從彈性占主體的性質(zhì)走向粘性占主體的性質(zhì)。

(3)DSR試驗(yàn)在頻率為15 rad/s時(shí)，能更清楚明了的表明瀝青的抗車轍能力和抗疲勞開裂的能力，所以建議瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)在角頻率為15 rad/s下進(jìn)行。