不同類型高模量瀝青混合料抗剪性能研究

郝培文，王俊彪，曾志武，趙超志，仵 濤，李德文

(1.長安大學(xué)，道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，西安 710064；2.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，西安 710075)

0 引 言

近年來隨著交通量不斷增長，車輛軸載不斷增加，我國高速公路瀝青路面在使用初期就出現(xiàn)了較多車轍病害，車轍的出現(xiàn)不僅影響行車舒適性,其槽內(nèi)積水或結(jié)冰還嚴(yán)重威脅交通安全[1]。為減少車轍的產(chǎn)生，高模量瀝青混合料近年來逐漸受到研究人員的廣泛關(guān)注，其不僅可以減少路面結(jié)構(gòu)的塑性變形，提高路面尤其是中下面層的高溫抗車轍能力，而且還能改善路面的抗疲勞性能，延長路面的使用壽命[2]。而瀝青混合料的抗剪性能可以反映出其高溫抗車轍性能，研究瀝青混合料的抗剪性能對防治車轍病害、提升車輛行駛安全有重要意義[3-4]。

國內(nèi)外對于瀝青混合料抗剪性能的試驗方法主要包括三軸試驗、單軸貫入試驗、直剪和斜剪試驗、Superpave剪切試驗等[5-7]。在以往研究中，對于瀝青混合料抗剪性能多采用三軸壓縮試驗進(jìn)行評價，該方法雖然應(yīng)力狀態(tài)明確，但操作過程復(fù)雜，試驗材料用量大，如何確定側(cè)向圍壓也是一個問題。單軸貫入試驗通過直徑遠(yuǎn)小于試件直徑的鋼壓頭對試件加壓，獲得瀝青混合料的抗剪強度，試驗具有操作方便，設(shè)備簡單，模擬程度高的特點[8]。直剪試驗通過對試件垂直剪切獲得剪切破壞強度，試驗簡單易操作，但與瀝青路面實際受力符合程度不高。斜剪試驗對直剪試驗進(jìn)行改進(jìn)，將剪切角度傾斜了45°，試驗操作簡單，且與現(xiàn)場真實受力更接近[9]。Superpave剪切試驗(SST)能在瀝青混合料試件體積不變的前提下進(jìn)行試驗，且該試驗近似于純剪，具有準(zhǔn)確、可靠、現(xiàn)場模擬程度高的特點，獲取的試驗結(jié)果能有效反映瀝青混合料的抗剪性能[10-11]。國內(nèi)外學(xué)者在利用SST試驗研究瀝青混合料抗剪性能時取得了一定的成果，Wang[12]利用SST及漢堡車轍儀評價了Superpave瀝青混合料和密實型瀝青混合料的抗車轍性能，結(jié)果顯示恒高度頻率掃描試驗(FSCH)及恒高度重復(fù)剪切試驗(RSCH)與漢堡車轍儀試驗結(jié)果相同，均能較好地評價混合料的抗車轍性能。Visintine等[13]利用SST對不同再生瀝青混合料進(jìn)行了RSCH和FSCH試驗，并將兩種試驗數(shù)據(jù)代入SHRP A-003A替代模型及瀝青協(xié)會(AI)模型，很好地預(yù)測了瀝青混合料的性能。Yu等[14]對瀝青砂漿進(jìn)行了RSCH和FSCH試驗，評價了瀝青砂漿的抗剪性能及抗車轍性能。歐陽嵐[15]利用RSCH和FSCH試驗研究不同瀝青用量、級配、溫度對瀝青混合料抗剪性能的影響，得出可以通過SST試驗方法較好地模擬瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)層的永久變形破壞，其試驗結(jié)果是精確的。黃林[16]通過對三種不同級配混合料在不同溫度下進(jìn)行RSCH和FSCH試驗，其RSCH試驗結(jié)果能很好地反映瀝青混合料的剪切疲勞變形全過程。

鑒于此，本文從瀝青混合料抗剪性能出發(fā)，對EME2(30#)高模量瀝青混合料和AC-20(30#)瀝青混合料進(jìn)行抗車轍性能研究。利用Superpave剪切試驗，采用恒高度頻率掃描試驗(FSCH)和恒高度重復(fù)剪切試驗(RSCH)兩種試驗?zāi)Ｊ窖芯繛r青混合料抗剪性能。

1 實 驗

1.1 原材料

本實驗瀝青采用東海30#瀝青，具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。集料采用花崗巖，礦粉為磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Asphalt technical indicators

為比較中國、法國瀝青混合料抗剪性能的差異，瀝青混合料分別采用EME2(30#)、AC-20(30#)。EME2(30#)瀝青混合料級配將法國篩孔尺寸轉(zhuǎn)換為中國篩孔尺寸，并按法國性能水平進(jìn)行配合比設(shè)計，同時，AC-20(30#)瀝青混合料按馬歇爾設(shè)計方法進(jìn)行配合比設(shè)計。兩種瀝青混合料級配如表2所示，EME2(30#)混合料油石比(瀝青與礦料質(zhì)量比)為5.7%，AC-20(30#)混合料油石比為4.3%。

表2 兩種瀝青混合料合成級配Table 2 Two types of asphalt mixtures gradation

1.2 試驗方法

Superpave剪切試驗機是美國SHARP計劃中為評價瀝青混合料性能而開發(fā)出的性能試機，最初在進(jìn)行應(yīng)用時，能進(jìn)行6種不同的試驗，后期僅保留了簡單剪切試驗(SSCH)、恒高度頻率掃描試驗(FSCH)和恒高度重復(fù)剪切試驗(RSCH)[17]。三種試驗均能評價瀝青混合料的抗剪強度，但又具有不同的側(cè)重點，SSCH試驗主要用于評價瀝青混合料不同溫度下的蠕變性能，F(xiàn)SCH試驗用于評價瀝青混合料不同溫度下的抗剪強度，RSCH是用于評價高溫條件下的抗永久變形能力[18]。

本文選用恒高度頻率掃描試驗(FSCH)和恒高度重復(fù)剪切試驗(RSCH)評價高模量瀝青混合料的抗剪性能。試驗采用SST剪切試驗系統(tǒng)。試件采用直徑15 cm、高12 cm的旋轉(zhuǎn)壓實成型試件，然后切割成2個5 cm高的試件，試驗前利用環(huán)氧樹脂將夾具粘在試件兩端，經(jīng)常溫養(yǎng)生固化及恒溫箱保溫后裝上傳感器準(zhǔn)備進(jìn)行試驗。

1.2.1 恒高度頻率掃描試驗(FSCH)

恒高度頻率掃描試驗(FSCH)是在保持試件高度不變的前提下采用應(yīng)變控制的方式對試件進(jìn)行循環(huán)加載，其加載模式示意圖如圖1所示，水平應(yīng)變采用振幅為50 μm的正弦波，加載頻率采用10 Hz、5 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.2 Hz、0.1 Hz、0.05 Hz、0.02 Hz、0.01 Hz共10個頻率。不同頻率加載不同的循環(huán)數(shù)，10 Hz和5 Hz加載50個循環(huán)，2 Hz和1 Hz加載20個循環(huán)，0.5 Hz、0.2 Hz和0.1 Hz加載7個循環(huán)，0.05 Hz、0.02 Hz和0.01 Hz加載4個循環(huán)。通過應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)處理可獲得不同頻率下的剪切模量G*和相位角φ，由此可以確定瀝青混合料的抗剪強度。

圖1 FSCH試驗加載模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of FSCH test loading mode

1.2.2 恒高度重復(fù)剪切試驗(RSCH)

恒高度重復(fù)剪切試驗采用應(yīng)力控制模式，剪切機在控制試件高度恒定的同時，對試件循環(huán)施加(69±5) kPa的半正弦波，其中一個周期加載時間為0.1 s，卸載時間為0.6 s，試驗加載模式示意圖如圖2所示。試驗過程中記錄瀝青混合料在荷載重復(fù)作用下的應(yīng)變發(fā)展曲線，根據(jù)累積應(yīng)變曲線回歸可獲得如式(1)所示的回歸方程，式中的剪切斜率在一定程度上代表瀝青混合料的高溫抗剪性能，可通過剪切斜率對瀝青混合料高溫性能進(jìn)行評價。

圖2 RSCH試驗加載模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of RSCH test loading mode

ε(N)=ε(N=1)+S·N

(1)

式中：ε(N)為第N次加載時的永久應(yīng)變；ε(N=1)為第1次加載時的永久應(yīng)變；S為剪切斜率；N為加載次數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒高度頻率掃描試驗(FSCH)結(jié)果分析

EME2(30#)、AC-20(30#)兩種混合料在25 ℃、40 ℃和60 ℃下的FSCH試驗結(jié)果如表3～表4所示。

表3 EME2(30#)FSCH試驗結(jié)果Table 3 FSCH results of EME2(30#)

表4 AC-20(30#)FSCH試驗結(jié)果Table 4 FSCH results of AC-20(30#)

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，將兩種瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量與頻率進(jìn)行回歸分析，三種溫度下混合料的復(fù)數(shù)剪切模量回歸曲線、車轍因子G*/sinφ與頻率的關(guān)系分別如圖3、圖4所示。

圖3 三種溫度下兩種瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量Fig.3 Complex shear modulus of two kinds of asphalt mixtures at three temperatures

圖4 三種溫度下兩類瀝青混合料的車轍因子Fig.4 Rutting factor of two kinds of asphalt mixtures at three temperatures

一般情況下，復(fù)數(shù)剪切模量G*越大，材料高溫抗剪性能越好，當(dāng)復(fù)數(shù)剪切模量G*一定時，相位角φ越小認(rèn)為材料的高溫抗剪性能越好。因為相位角φ的數(shù)值越小，表示材料在高溫狀況下的粘性成分比較少，材料發(fā)生變形時其不可恢復(fù)的變形量只占小部分，這樣材料的高溫抗剪性能較好，車轍因子G*/sinφ越大，瀝青混合料的抗剪性能也就越好。

據(jù)表3～4以及圖3～4可知：

(1)將兩種瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量與頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性曲線擬合后發(fā)現(xiàn)，兩者在三種溫度下的擬合曲線相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.94以上，表明瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量與頻率具有良好的相關(guān)性，復(fù)數(shù)剪切模量隨加載頻率的增大而增大。

(2)從同一瀝青混合料不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量可以發(fā)現(xiàn),溫度為 25 ℃時,兩種瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量最大,隨著溫度的升高,瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量逐漸減小。且這種變化是非線性的，溫度從25 ℃升至40 ℃的復(fù)數(shù)剪切模量衰減遠(yuǎn)大于溫度從40 ℃升至60 ℃的復(fù)數(shù)剪切模量衰減。由此說明溫度變化對瀝青混合料復(fù)數(shù)剪切模量的影響較大，低溫時溫度升降引起復(fù)數(shù)模量的變化大于高溫時溫度升降引起復(fù)數(shù)模量的變化。

(3)對比EME2(30#)瀝青混合料與AC-20(30#)瀝青混合料復(fù)數(shù)剪切模量可知：60 ℃條件下，整個加載頻率范圍內(nèi)，AC-20(30#)的復(fù)數(shù)剪切模量始終大于EME2(30#)的復(fù)數(shù)剪切模量；40 ℃條件下，兩種混合料的復(fù)數(shù)剪切模量差距很小，僅在高頻階段，兩者差距才顯現(xiàn)出來，此時AC-20(30#)的復(fù)數(shù)剪切模量大于EME2(30#)的復(fù)數(shù)剪切模量；25 ℃條件下，低頻和中頻階段，EME2(30#)的復(fù)數(shù)剪切模量大于AC-20(30#)的復(fù)數(shù)剪切模量，而高頻階段，后者反超前者。說明在較低溫度及低頻率條件下，EME2(30#)的抗剪性能更好；而在高溫或高頻率條件下，AC-20(30#)的抗剪性能更優(yōu)。

(4)從兩種瀝青混合料的車轍因子曲線也可以發(fā)現(xiàn)，60 ℃較高溫度下，AC-20(30#)瀝青混合料的抗剪性能強于EME2(30#)瀝青混合料；在40 ℃中溫條件下，兩者抗剪性能差距較小，而在25 ℃較低溫度下，雖然EME2(30#)瀝青混合料在高頻荷載下的抗剪性能弱于AC-20(30#)瀝青混合料，但在低頻荷載下，EME2(30#)瀝青混合料的抗剪性能更強。這與兩種混合料復(fù)數(shù)剪切模量規(guī)律相同，分析原因可能是在中高溫條件下，AC-20(30#)瀝青混合料由于較小的瀝青用量，集料之間不易發(fā)生剪切流動，在較低溫度條件下，EME2型瀝青混合料相比AC-20(30#)瀝青混合料有較高的瀝青用量，更能發(fā)揮低標(biāo)號瀝青模量高的特點，因此在低頻荷載下其車轍因子更高。

由于FSCH試驗過程操作復(fù)雜，試驗準(zhǔn)備時間長，為了通過有限的試驗獲得任意頻率下的復(fù)數(shù)剪切模量，利用25 ℃、40 ℃和60 ℃下的試驗結(jié)果建立復(fù)數(shù)剪切模量主曲線。主曲線是由不同溫度和頻率下的模量曲線圖通過平移形成的曲線，利用主曲線可以對瀝青混合料進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)預(yù)測，獲得極限條件下的材料力學(xué)性質(zhì)。

主曲線的參考溫度選取為40 ℃，采用1STOPT軟件擬合西格摩德函數(shù)中的參數(shù)(如表5所示)，各瀝青混合料主曲線方程如表6所示，各瀝青混合料復(fù)數(shù)剪切模量主曲線如圖5、圖6所示，圖7為各瀝青混合料復(fù)數(shù)剪切模量主曲線匯總。

表5 西格摩德函數(shù)及移位因子Table 5 Sigmoidal function and shift factor

表6 復(fù)數(shù)剪切模量主曲線方程Table 6 Master curve equation of complex shear modulus

圖5 EME2(30#)復(fù)數(shù)剪切模量主曲線(f為頻率)Fig.5 Complex shear modulus master curve of EME2(30#) (f is frequency)

圖7 兩種瀝青混合料復(fù)數(shù)剪切模量主曲線匯總(f為頻率)Fig.7 Summary of master curves of complex shear modulus of the two asphalt mixtures (f is frequency)

由表6及圖5～7可知：

通過兩種瀝青混合料的主曲線發(fā)現(xiàn)，在高溫低頻段，AC-20(30#)瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量大于EME2(30#)瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量，說明AC-20(30#)瀝青混合料的高溫抗剪性能強于EME2(30#)瀝青混合料；而隨著溫度的慢慢降低或者頻率的逐漸增大，兩者的復(fù)數(shù)剪切模量差距逐漸減小，說明兩者在中溫條件下，抗剪性能相差不大；當(dāng)溫度進(jìn)一步降低或者頻率進(jìn)一步增大，此時AC-20(30#)瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量大于EME2(30#)瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量，說明EME2(30#)瀝青混合料的常溫抗變形能力強于AC-20(30#)瀝青混合料，這一現(xiàn)象出現(xiàn)是因為EME2(30#)中瀝青用量較高，改善了混合料的常溫抗裂性，從而使EME2(30#)有較好的抗變形能力。

2.2 恒高度重復(fù)剪切試驗(RSCH)結(jié)果分析

對上述兩種瀝青混合料進(jìn)行RSCH試驗，試驗溫度為60 ℃，試驗曲線如圖8所示。由RSCH試驗結(jié)果可以得到加載末應(yīng)變，同時將RSCH試驗結(jié)果依據(jù)式(1)進(jìn)行回歸，得到剪切斜率S，如表7所示。

圖8 RSCH試驗結(jié)果Fig.8 Results of RSCH

表7 RSCH試驗評價指標(biāo)Table 7 RSCH evaluation index

由圖8和表7可知：

(1)RSCH試驗過程中，剪切應(yīng)變隨加載次數(shù)的增大而增大，其變化經(jīng)歷初始階段快速增長，第二階段應(yīng)變發(fā)展速率變緩，第三階段應(yīng)變保持恒定增長速率三個階段。

(2)兩種瀝青混合料的加載應(yīng)變曲線在初始階段相重合，隨著加載次數(shù)的增加，EME2(30#)瀝青混合料的應(yīng)變與AC-20(30#)瀝青混合料的應(yīng)變差距快速增大，直到兩者差距穩(wěn)定在0.49%，最終兩者加載末應(yīng)變相差0.488%。分析原因是EME2(30#)瀝青混合料采用法國高模量瀝青設(shè)計方法，瀝青用量較高，導(dǎo)致其高溫條件下，瀝青混合料易發(fā)生剪切流動，相比于瀝青用量更少的AC-20(30#)瀝青混合料，其高溫抗剪性能更差。

(3)EME2(30#)瀝青混合料的加載末應(yīng)變相比AC-20(30#)瀝青混合料大了23.5%，并且前者的剪切斜率比后者同樣大了29.8%，說明用剪切斜率也可作為評價瀝青混合料抗剪性能的指標(biāo)，其結(jié)果與采用加載末應(yīng)變具有一致性。

3 結(jié) 論

(1)高模量瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量具有溫度和頻率依賴性，表現(xiàn)在混合料復(fù)數(shù)剪切模量與頻率的對數(shù)值具有良好的冪乘關(guān)系，并且頻率越大，高模量瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量也越大；溫度越低，高模量瀝青混合料的復(fù)數(shù)剪切模量越大。

(2)FSCH試驗結(jié)果表明：在高溫條件下，EME2(30#)瀝青混合料抗剪性能略差于AC-20(30#)瀝青混合料；而在低溫條件下，EME2(30#)瀝青混合料的抗剪性能優(yōu)于AC-20(30#)瀝青混合料。

(3)兩種瀝青混合料的主曲線表明AC-20(30#)瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于EME2(30#)瀝青混合料，而EME2(30#)瀝青混合料的常溫性能優(yōu)于AC-20(30#)瀝青混合料。

(4)由RSCH試驗結(jié)果可知，在循環(huán)加載5 000次后，EME2(30#)瀝青混合料在60 ℃下的加載末應(yīng)變及剪切斜率S均大于AC-20(30#)瀝青混合料，表明AC-20(30#)瀝青混合料的高溫抗剪性能好于EME2(30#)瀝青混合料。