不同摻加劑大粒徑瀝青碎石黏彈性研究

王展亮，李惠霞，廖仁生

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院 土木工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，福建 福州 350118；3.福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108)

大粒徑瀝青碎石具有較好的高溫穩(wěn)定性、變形性及抗車轍和抵抗反射裂縫能力，在交通量逐漸增大和超載問題日益嚴(yán)重的交通背景下，有著廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。大粒徑瀝青碎石成本高、剛度低，限制了其在路面結(jié)構(gòu)中的大量使用[5-6]。廢舊的輪胎加工可制成橡膠粉，作為復(fù)合材料應(yīng)用于大粒徑瀝青碎石，能有效降低其成本[7-10]。玻璃纖維資源豐富，是常用的摻和劑，在減少材料收縮的同時(shí)，還能提高材料的剛度和抗拉強(qiáng)度[11]。

大粒徑瀝青碎石的黏彈性直接影響材料的路面使用性能，尤其是抗車轍能力和抗永久變形能力[12]，在不同荷載作用下，摻加橡膠粉或玻璃纖維對(duì)大粒徑瀝青碎石黏彈性的影響少有學(xué)者進(jìn)行報(bào)道。為了研究在不同荷載作用下，分別摻加橡膠粉和玻璃纖維對(duì)大粒徑瀝青碎石黏彈性性能的影響，針對(duì)不同瀝青用量進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選出最優(yōu)瀝青用量，并對(duì)不同荷載情況下，采用最優(yōu)瀝青用量的摻加有橡膠粉或玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石進(jìn)行黏彈性性能分析，得出不同荷載下，橡膠粉、玻璃纖維兩種摻和劑對(duì)大粒徑瀝青碎石抗變形能力、抗疲勞能力等方面影響，以期為工程實(shí)際提供參考。

1 大粒徑瀝青碎石材料組成

1.1 材料基本性能

1.1.1 瀝青

采用70#A道路石油瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[13]測(cè)得針入度6.7 mm(25℃)、延度35cm(10℃)、軟化點(diǎn)67.25℃。

1.1.2 集料

采用的粗細(xì)集料巖性一致，均為石灰?guī)r，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[13]指標(biāo)要求對(duì)粗細(xì)集料進(jìn)行測(cè)試，粗集料測(cè)試結(jié)果見表1；細(xì)集料(粒徑2.35～4.76 mm)表觀密度為2.9，w(泥)=1.9%，均滿足性能指標(biāo)要求。

表1 粗集料性能參數(shù)Tab.1 Coarse aggregate performance parameters

1.1.3 摻和劑

采用橡膠粉和玻璃纖維兩種摻和劑。

橡膠粉原材料為廢舊輪胎，在對(duì)橡膠粉物理指標(biāo)測(cè)試中，得到橡膠粉w(橡膠)=51%、w(灰分)=4.5%、w(水)=0.62%、w(金屬)=0.008%、w(纖維)=0.07%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足瀝青橡膠粘結(jié)劑的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

玻璃纖維抗拉強(qiáng)度為346 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為36.4%，彈性模量為4 286 MPa。

1.2 材料配合比

研究對(duì)象為大粒徑瀝青碎石ATB-30，其級(jí)配設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 ATB-30級(jí)配Tab.2 ATB-30 gradation

2 大粒徑瀝青碎石單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)

在相同級(jí)配、不同瀝青用量下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)研究，大粒徑瀝青碎石ATB-30集料公稱直徑大于26.5 mm，擊實(shí)采用大馬歇爾試件。單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)試件采用大馬歇爾試件，試件直徑150 mm，高度95.3 mm[14]，在SANS萬能壓力機(jī)上完成試驗(yàn)。

2.1 橡膠粉對(duì)大粒徑瀝青碎石高溫流變性能影響

橡膠粉占混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.85%，w(瀝青)分別為3.0%、3.3%。恒載分別為0.1、0.2、0.3 MPa，持續(xù)1 800 s。試驗(yàn)所得應(yīng)變-時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1 摻橡膠粉大粒徑瀝青碎石應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.1 Strain-time curve of large-size asphalt macadam mixed with rubber powder

從圖1分析可得，摻橡膠粉的大馬歇爾試件在恒載為0.1 MPa的情況下，w(瀝青)=3.3%的試件產(chǎn)生的應(yīng)變較小，具有較好的抵抗變形能力；在恒載為0.2、0.3 MPa的情況下，w(瀝青)=3.0%的試件抵抗變形能力要優(yōu)于w(瀝青)=3.3%的試件。w(瀝青)=3.3%的大馬歇爾試件在不同恒載作用下所產(chǎn)生的應(yīng)變變化不明顯，有較好的穩(wěn)定性。

2.2 玻璃纖維對(duì)大粒徑瀝青碎石高溫流變性能影響

依據(jù)文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果，摻入玻璃纖維占混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.21%，w(瀝青)分別為3.0%、3.3%和3.6%。恒載分別為0.1、0.2、0.3 MPa，持續(xù)1 800 s。試驗(yàn)所得應(yīng)變-時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 摻玻璃纖維大粒徑瀝青碎石應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.2 Strain-time curve of large-size asphalt macadam with glass fiber

從圖2分析可知，摻玻璃纖維的大馬歇爾試件在恒載為0.1、0.2和0.3 MPa的情況下，w(瀝青)=3.3%的試件抵抗變形能力優(yōu)于w(瀝青)為3.0%和3.6%的試件，且其應(yīng)變?cè)诓煌暮爿d作用下極為穩(wěn)定。

2.3 橡膠粉和玻璃纖維對(duì)大粒徑瀝青碎石高溫流變性能影響比較

從2.1和2.2小節(jié)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，摻加橡膠粉大粒徑瀝青碎石和摻加玻璃纖維大粒徑瀝青碎石在w(瀝青)=3.3%時(shí)，表現(xiàn)出來的性能最優(yōu)，因此，選取w(瀝青)=3.3%情況下分別摻加橡膠粉、玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3 不同摻和劑大粒徑瀝青碎石應(yīng)變-時(shí)間對(duì)比曲線Fig.3 Comparison curves of the strain-time of large-size asphalt macadam with different admixtures

從圖3可知，大粒徑瀝青碎石摻加玻璃纖維的抗變形能力是摻加橡膠粉的3倍，且摻加玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石更為穩(wěn)定，在不同恒載作用下，應(yīng)變發(fā)展一致。

3 大粒徑瀝青碎石黏彈性性能分析

大粒徑瀝青碎石黏彈性性能一般可用伯格斯模型進(jìn)行描述，伯格斯模型的4個(gè)參數(shù)E1、E2、η1和η2分別代表瞬時(shí)彈性模量、阻滯彈性模量、純黏性系數(shù)和Voigt黏性系數(shù)，由單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)得到分別摻有橡膠粉、玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石時(shí)間-應(yīng)變曲線，通過Jupyter NotebooK軟件擬合，得到4個(gè)參數(shù)值如表3所示。試件的瞬時(shí)彈性變形、延遲彈性變形和黏性流動(dòng)變形，可用伯格斯模型的蠕變?nèi)崃恐颠M(jìn)行表示，公式如下：

J(t)=JE+JV+JC

(1)

式中：JE=1/E1為瞬時(shí)彈性柔量，表示大粒徑瀝青碎石的瞬時(shí)彈性；JV=t/η1為黏性流動(dòng)柔量，表示大粒徑瀝青碎石的黏性流動(dòng)；JC=1/(E2(1-exp(-tE2/η2)))為延遲彈性柔量，表示大粒徑瀝青碎石的延遲彈性。

由本文第2節(jié)試驗(yàn)可知，w(瀝青)=3.3%時(shí)，大粒徑瀝青碎石混合料的性能最為優(yōu)良。因此，選用w(瀝青)=3.3%時(shí)在不同摻加劑下，大粒徑瀝青碎石混合料在0.1、0.2、0.3 MPa下的蠕變?nèi)崃孔鳛楸容^和研究對(duì)象。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，擬合求得伯格斯模型的4個(gè)參數(shù)，通過公式1，求得摻加橡膠粉或玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石柔量值，分別見表3和表4。

表3 不同荷載下的伯格斯參數(shù)Tab.3 Burgers parameters under different loads

表4 不同荷載下的柔量值Tab.4 Compliance value under different loads

從表3、表4中分析可得，隨著荷載的提高，摻加橡膠粉和玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石的瞬時(shí)彈性柔量、黏性流動(dòng)柔量和延遲彈性柔量均發(fā)生了下降，說明隨著荷載的提升，大粒徑瀝青碎石的抵抗瞬時(shí)變形能力和抵抗永久變形能力都得到了提高。在同荷載的情況下，大粒徑瀝青碎石摻加橡膠粉的瞬時(shí)彈性柔量會(huì)高于摻加玻璃纖維，而黏性流動(dòng)柔量和延遲彈性柔量會(huì)低于摻加玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石，說明摻加橡膠粉的大粒徑瀝青碎石抵抗瞬時(shí)變形能力弱于摻加玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石，大粒徑瀝青碎石摻加橡膠粉的抵抗永久變形能力強(qiáng)于摻加玻璃纖維。

4 結(jié)論

1)當(dāng)w(瀝青)=3.3%時(shí)，摻加橡膠粉或玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石的抗變形能力和穩(wěn)定性最優(yōu)；

2)在w(瀝青)=3.3%的情況下，摻加玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石的抵抗變形能力是摻加橡膠粉的大粒徑瀝青碎石的3倍；

3)隨著荷載的增加，摻加橡膠粉或玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石的抵抗瞬時(shí)變形能力和抵抗永久變形能力也不斷提高。

4)在相同荷載的情況下，對(duì)比摻加玻璃纖維和摻加橡膠粉的大粒徑瀝青碎石，摻加玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石抵抗瞬時(shí)變形能力較強(qiáng)，抵抗永久變形能力較弱。