基于SHRP計劃的瀝青試驗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)

瀝青路面因為其良好的力學(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，在全國范圍內(nèi)應(yīng)用極其廣泛。而且在目前，在建的公路項目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對路面的外觀造成破壞，同時對路面的使用功能也會產(chǎn)生很大影響,如圖1和圖2所示。聞名全球的美國 SHRP 計劃，其重要的研究內(nèi)容之一就是瀝青，根據(jù)美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)的研究結(jié)論，瀝青對高溫車轍的貢獻率占40%,對低溫性能的貢獻率占 80%[2-4]。但是，在SHRP計劃中，規(guī)定使用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測量瀝青各力學(xué)性能指標(biāo)的頻率為10 rad/s，試驗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計劃對瀝青性能對試驗頻率的選取進行研究，分析在哪個角頻率下評價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簡介

SHRP計劃，即Strategic Highway Research Program，是美國國會在1987年批準(zhǔn)的一個期限為5年(1987-1993)的基礎(chǔ)研究項目，由 NRC(美國國家科學(xué)研究院)管理，由FHWA(聯(lián)邦公路局)和AASHTO(美國州公路和運輸工作者協(xié)會)合作完成，主要的研究內(nèi)容有四個，分別是路面長期性能、混凝土與結(jié)構(gòu)、公路運營與瀝青，取得了130多項主要成果。瀝青模塊主要研究內(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公路，包括一系列集料的試驗與規(guī)范，主要的膠結(jié)料測試試驗有動態(tài)剪切流變試驗，采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)，來測量瀝青的高溫與中溫性能；旋轉(zhuǎn)粘度試驗，采用旋轉(zhuǎn)粘度儀(RV)，來模擬施工攪拌的溫度性能；瀝青低溫性能試驗，采用彎曲梁流變儀(BBR)、直接拉伸實驗儀(DDT)，來測量瀝青的低溫性能[5]；模擬硬化試驗，采用薄膜烘箱(RTFO)、壓力老化容器(PAV)，來測量瀝青路面的耐久度特性，其中薄膜烘箱(RTFO)是用來模擬瀝青混合料的早期老化，即在混合料拌和和運輸過程中的老化，而壓力老化容器(PAV)是用來模擬瀝青路面在役期間的老化。圖3-圖8為每個試驗需要的設(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價指標(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，它由兩個部分組成，一個是彈性變形，即暫時變形，另一個是粘性變形，即永久變形。對于完全的彈性材料，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)變之間會有一個時間差，這就是瀝青材料的相位角。復(fù)模量與相位角均可以在動態(tài)剪切流變試驗中采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測量得到。

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[8]。

但是由于試驗頻率不同，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論試驗角頻率為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SHRP計劃中動態(tài)剪切流變試驗的最佳試驗角頻率選擇進行分析。

3 實驗設(shè)計

3.1 瀝青材料的選擇

在我國，道路石油瀝青標(biāo)號多數(shù)為25 ℃的針入度，其對瀝青的性能有較大影響，并且標(biāo)號對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號瀝青拌和而成的瀝青混合料剛度、強度和耐久性良好，這樣的瀝青混合料可以防治路面老化，延緩路面開裂，適用于我國整個東北、華北地區(qū)，適用范圍較廣，所以本實驗材料采用未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青。試驗材料的性能列于表1.

表1 試驗瀝青的性能Tab.1 The performance of test asphalt

3.2 試驗儀器

本次實驗儀器采用動態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，簡稱DSR)，如圖10所示。該儀器通過作用已知扭矩來測量試樣的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，配合相應(yīng)軟件可進行應(yīng)變控制(測量其應(yīng)力)和應(yīng)力控制(測量其應(yīng)變)，試驗結(jié)果可用來確定瀝青抵抗車轍和疲勞的能力[9]。

圖10 DSRFig.10 DSR

3.3 試驗原理

由圖11DSR結(jié)構(gòu)圖可以看出，動態(tài)剪切流變儀(簡稱DSR)包括固定板，瀝青和振蕩板三個主要部分。DSR的工作原理很簡單，一般來說，瀝青試樣放在固定板與振蕩板之間，振蕩板從A運動到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)動到A完成一個正弦周期，如圖12所示。當(dāng)DSR完成一個旋轉(zhuǎn)周期時，儀器自動獲取瀝青的相關(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]。因為瀝青的低溫性能與溫度和頻率有很大的關(guān)系，所以試驗方案選采用未老化基質(zhì)鎮(zhèn)海70號瀝青進行溫度掃描試驗。

(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，按下該鈕后裝置馬達開始運轉(zhuǎn))，此時打開調(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)有水面上下運動且不溢出位置；

(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)進水閥，直至水將樣品完全浸泡且不溢出ADS進樣結(jié)束后，拔開插銷，點擊軟件上確認(rèn)按鈕，儀器將繼續(xù)下壓50 μm后開始測試；

(6)實驗過程中，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，無論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時，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，復(fù)模量的大小次序為：15 rad/s>5 rad/s>10 rad/s，并且角頻率為15 rad/s時的復(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，復(fù)模量逐漸變小，并逐漸接近于20 000 Pa，大小次序為15 rad/s>10 rad/s>5 rad/s.其中，當(dāng)角頻率15 rad/s時，復(fù)模量的變化最為明顯。

圖13 三個不同角頻率下復(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，無論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時，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，復(fù)模量的大小次序為10 rad/s>5 rad/s>15 rad/s；隨著溫度的上升，當(dāng)溫度為50 ℃時，相位角逐漸變大，大小次序為10 rad/s>5 rad/s>15 rad/s.其中，當(dāng)角頻率10 rad/s時，復(fù)模量的變化最為明顯。

圖14 三個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，根據(jù)SHRP計劃成果中評價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 ℃)下三個實驗頻率下的車轍因子與疲勞因子相差比較明顯，表明DSR試驗在頻率為15 rad/s時，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，三個試驗角頻率下的單位復(fù)模量都隨著溫度的升高而降低，速率逐漸變小。當(dāng)試驗角頻率為5 rad/s和15 rad/s時的單位復(fù)模量比較接近，并且角頻率為15 rad/s時的單位復(fù)模量略大于角頻率為5 rad/s時的復(fù)模量；當(dāng)試驗角頻率為10 rad/s時的單位復(fù)模量遠小于5 rad/s和15 rad/s時的單位復(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時的單位復(fù)模量最為明顯。

圖17 三個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，三個試驗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)試驗角頻率為5 rad/s時的單位相位角最大，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，即試驗瀝青逐漸從彈性向彈性轉(zhuǎn)變。

圖18 三個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，三個試驗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)試驗角頻率為5 rad/s和15 rad/s時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時的單位車轍因子與單位疲勞因子；當(dāng)試驗角頻率為10 rad/s時的單位車轍因子與單位疲勞因子遠小于5 rad/s和15 rad/s時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時最為明顯。

圖19 三個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)無論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時，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)無論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時，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試驗在頻率為15 rad/s時，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，所以建議瀝青的動態(tài)剪切流變試驗在角頻率為15 rad/s下進行。