高模量瀝青混合料黏聚力與相位角關(guān)系研究

閆翔鵬，蘆子朝,2，安 平，張曉萌，蔡 翔

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；3.日照公路建設(shè)有限公司，山東 日照 276800）

引言

瀝青混合料作為一種典型的黏彈性材料，溫度敏感性高，在重交通量、高溫的環(huán)境條件下，易出現(xiàn)嚴(yán)重的早期損壞，直接影響道路的使用性能，其中高溫穩(wěn)定性不足是導(dǎo)致路面破壞的主要原因之一［1-4］。隨著科技的發(fā)展，開始研發(fā)適用于道路的新材料，高模量瀝青混合料以優(yōu)異的抗車轍效果而廣受關(guān)注，尤其是添加劑型高模量瀝青混合料，高模量添加劑可以提高瀝青混合料高溫抗車轍的能力，有效延長(zhǎng)路面使用年限，減少路面翻新維修的次數(shù)［5-8］。

國內(nèi)外對(duì)動(dòng)力荷載作用下瀝青材料的性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，研究表明：瀝青混合料動(dòng)力特性的改善源自于內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化，改善效果可通過動(dòng)態(tài)模量和相位角有所體現(xiàn)［9-12］。但是，瀝青混合料相位角與黏聚力的關(guān)系研究較少，瀝青材料是一種黏彈性材料，相位角表征材料彈性和黏性成分的相對(duì)比例；黏聚力表征瀝青與集料之間的黏附強(qiáng)度和瀝青分子間的黏結(jié)強(qiáng)度。因此，黏聚力與相位角之間存在一定的關(guān)系，并通過一系列試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

畢玉峰和孫立軍［13］提出了高效計(jì)算瀝青混合料黏聚力和內(nèi)摩擦角的單軸貫入、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度聯(lián)合試驗(yàn)。瀝青混合料單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)對(duì)試件施加半正弦連續(xù)荷載，加載頻率10 Hz 符合我國高等級(jí)公路汽車行駛速度范圍。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料

瀝青采用SBS 改性瀝青，性能指標(biāo)均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的要求。級(jí)配為連續(xù)密集配AC-20 瀝青混合料，集料選用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r，石灰?guī)r按粒徑不同分為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm五檔，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）技術(shù)要求。

1.2 高模量添加劑

通過摻入添加劑的方式制成高模量瀝青混合料，高模量添加劑的類型、摻量及材料類型見表1。4 種高模量添加劑均為外摻型改性劑，在混合料拌和時(shí)加入。

表1 高模量添加劑

1.3 試件制備及試驗(yàn)方法

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀進(jìn)行試件成型，鉆芯機(jī)和巖石切割機(jī)將成型試件分別制成動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件、單軸貫入和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2011）要求對(duì)室內(nèi)成型試件進(jìn)行單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量實(shí)驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1.1 15 ℃、10 Hz 模量數(shù)據(jù)分析

《路面面層高模量瀝青混合料BBME》（法國標(biāo)準(zhǔn)NF P98-141-1993）指出，15 ℃、10 Hz 模量≥ 14 000 MPa 的瀝青混凝土就是高模量瀝青混凝土［9］。由表2可知，4種高模量添加劑均使瀝青混合料15 ℃、10 Hz 模量達(dá)到14 000 MPa，因此，這4 種高模量添加劑均能使瀝青混合料達(dá)到高模量瀝青混合料的模量要求。

表2 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量

由表2 可知，與普通型瀝青混合料相比，4 種高模量添加劑使瀝青混合料的模量和相位角有大幅度改善，相位角表征瀝青材料彈性和黏性成分的相對(duì)比例，相位角越小，材料的彈性越大，黏性越?。辉酱髣t反之。加入添加劑后相位角降低，這說明添加劑的加入提高了瀝青的彈性成分的比例，荷載卸載后變形更容易恢復(fù)，這也是4 種添加劑型高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于普通型瀝青混合料的原因［14-15］。

2.1.2 60 ℃條件下動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)分析

由圖1 可見，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量受加載頻率的影響均較為明顯，隨著加載頻率的降低，荷載作用時(shí)間增加，動(dòng)態(tài)模量減小［16］。主要是因?yàn)闉r青混合料是一種黏彈性材料，在高頻狀態(tài)下，瀝青混合料主要表現(xiàn)為彈性性質(zhì)，在低頻狀態(tài)下，瀝青混合料黏性增強(qiáng)，模量減小。此外，發(fā)現(xiàn)在高溫低頻的情況下瀝青混合料的模量最低，此時(shí)混合料最易出現(xiàn)車轍。

圖1 60 ℃動(dòng)態(tài)模量對(duì)比

與普通型瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量相比，高模量添加劑的加入可明顯提高瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，其中A 型高模量添加劑效果最為明顯。這是因?yàn)闉r青混合料模量的改善源自于其內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化，高模量添加劑使混合料內(nèi)摩擦角增大，限制了集料間的相對(duì)摩擦，從而提高其動(dòng)態(tài)模量［17］。

2.1.3 60 ℃條件下相位角數(shù)據(jù)分析

由圖2 可見，A 型高模量瀝青混合料相位角隨加載頻率的降低呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，這是因?yàn)榧虞d頻率降低能夠促進(jìn)高分子鏈段的移動(dòng)，相位角增大，但隨著加載頻率的不斷降低，滯后現(xiàn)象減弱相位角減小。B、C、D 和普通型混合料相位角隨著加載頻率的降低呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是由于在60 ℃條件下，瀝青材料呈現(xiàn)明顯的黏性，瀝青膠漿變軟，混合料骨架效應(yīng)起主導(dǎo)作用，相位角變小。

圖2 60 ℃相位角對(duì)比

A、B、C、D 型高模量瀝青混合料相位角與普通型瀝青混合料相位角相比，加入高模量添加劑可使混合料相位角變小，這是因?yàn)橄辔唤潜碚鳛r青材料彈性和黏性成分相對(duì)比例，相位角越小，材料的彈性越大，黏性越??；越大則反之。加入添加劑后相位角降低，這說明添加劑的加入提高了瀝青的彈性成分的比例，荷載卸載后變形更容易恢復(fù)。

2.2 黏聚力結(jié)果與分析［13］

根據(jù)公式（1）～（7）計(jì)算瀝青混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角：

式中：Rτ—單軸貫入強(qiáng)度，MPa；fτ—貫入指數(shù)0.34；σP—單軸貫入壓力，MPa；P—極限荷載，N；A—加載頭的橫截面積，mm2；

式中：σu—無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；P—極限荷載，N。

根據(jù)單軸貫入試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果，計(jì)算出內(nèi)摩擦角和黏聚力：

式中：σP1—第一主應(yīng)力，MPa；σP3—第三主應(yīng)力，MPa；c—黏聚力，kPa；φ—內(nèi)摩擦角，°。

5 種瀝青混合料的黏聚力結(jié)果見表3。普通型瀝青混合料黏聚力平均值為240.29 kPa，均大于4 種高模量瀝青混合料黏聚力。因?yàn)轲ぞ哿Ρ碚鞯氖菫r青與集料之間的黏附強(qiáng)度和瀝青分子之間的黏結(jié)強(qiáng) 度［15］，高模量添加劑融于瀝青，在瀝青中起到加筋作用，瀝青黏度增大，瀝青分子間的作用力增強(qiáng)，但是瀝青與集料間的黏附強(qiáng)度降低，導(dǎo)致高模量瀝青混合料黏聚力降低。

表3 黏聚力數(shù)據(jù)/kPa

2.3 相位角與黏聚力的相關(guān)性分析

相位角表征材料黏性與彈性成分比例，60 ℃條件下瀝青混合料10 Hz 對(duì)應(yīng)的相位角見表4。

表4 相位角數(shù)據(jù)/（°）

經(jīng)過多個(gè)擬合公式比選，相位角與黏聚力多項(xiàng)式關(guān)系的相關(guān)性最高，擬合關(guān)系見圖3?？梢钥闯觯?0 ℃條件下，隨著相位角的增大，黏聚力增大，呈正相關(guān)性。這是因?yàn)橄辔唤潜碚鳛r青材料彈性和黏性成分相對(duì)比例，相位角越大，材料的黏性越大，彈性越小；黏聚力表征的是瀝青與集料之間的黏附強(qiáng)度和瀝青分子之間的黏結(jié)強(qiáng)度。高溫條件下，瀝青材料從彈性向黏性轉(zhuǎn)化，高模量添加劑可使瀝青材料彈性成分增加，瀝青分子之間黏結(jié)強(qiáng)度增加，使相位角減小，但高模量添加劑的使用減弱了瀝青膠漿與集料之間的黏附強(qiáng)度，從而降低了黏聚力。即60 ℃條件下，高模量瀝青混合料相位角越大，黏性成分越高，瀝青膠漿與集料之間的黏附效果越好，黏聚力越大。

圖3 60 ℃、10 Hz 加載頻率對(duì)應(yīng)相位角與其黏聚力變化規(guī)律

3 結(jié)語

（1）4 種高模量添加劑使得瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量顯著增加，動(dòng)穩(wěn)定度明顯改善，進(jìn)而提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能；4 種高模量添加劑可作為新型路用材料應(yīng)用到更多實(shí)際工程中。高模量添加劑能夠使瀝青混合料的相位角減小，彈性成分增加，荷載卸載后變形更容易恢復(fù)。高模量添加劑的使用使得瀝青混合料的瀝青膠漿與集料之間的黏附強(qiáng)度減弱，黏聚力變小。（2）60 ℃條件下，高模量瀝青混合料的黏聚力隨著相位角的增大而增大，呈正相關(guān)性；建立了相位角與黏聚力的相關(guān)性模型，可通過此模型預(yù)估高模量瀝青混合料60 ℃、10 Hz 相位角對(duì)應(yīng)黏聚力，用于評(píng)價(jià)瀝青與集料間的黏附強(qiáng)度。