熱氧老化作用下溫拌膠粉改性瀝青混合料的疲勞性能

王 嵐,趙子豪,胡江三,王利強

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 引 言

瀝青路面在服役過程中,長期經(jīng)受紫外光照、溫度、氧氣等因素作用而導(dǎo)致瀝青老化,這對瀝青混合料疲勞性能有著明顯影響[1-2]。López-Montero 等[3]通過直接拉伸式疲勞試驗對比研究了水損害和老化作用對基質(zhì)瀝青混合料疲勞性能的影響,結(jié)果表明,老化作用對基質(zhì)瀝青混合料疲勞性能影響更為顯著。Zhu等[4]在15 ℃條件下,通過四點彎曲疲勞試驗對不同老化時長的聚合物改性瀝青混合料進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)老化作用明顯降低了混合料的疲勞壽命,且相較于短期老化,長期老化對此類混合料疲勞性能的影響更為顯著。Hasan等[5]在不同老化程度下研究溫拌劑對瀝青混合料疲勞性能的影響發(fā)現(xiàn),Sasobit型溫拌劑對提升混合料抗疲勞性能具有積極作用。

膠粉瀝青作為一種環(huán)保型路面材料,在過去幾十年已得到廣泛的應(yīng)用[6]。溫拌膠粉瀝青混合料因具有較低的拌合溫度和優(yōu)良的路用性能而得到廣大學(xué)者的關(guān)注。崔亞楠等[7]研究表明,膠粉改性瀝青具有較好的抗疲勞、抗老化、和高溫穩(wěn)定性。Alloza和 Kim[8-9]等發(fā)現(xiàn),石蠟溫拌劑的加入降低了瀝青混合料拌合時的黏度,而LEADCAP 溫拌劑的加入可提升膠粉瀝青混合料的抗裂性能。吉增暉等[10]對熱拌膠粉瀝青混合料和泡沫溫拌膠粉瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行研究,通過對比二者的累計耗散能,得出了泡沫溫拌橡膠瀝青混合料具有更優(yōu)抗疲勞性能的結(jié)論。王嵐[11]等通過四點彎曲疲勞試驗對比研究凍融循環(huán)次數(shù)、鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)及表面活性劑的加入對膠粉改性瀝青混合料抗疲勞性能的影響程度表明,膠粉瀝青混合料的疲勞壽命隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,鹽濃度過高時會對水的凍脹有一定抑制;表面活性劑的加入提高了混合料的疲勞壽命。隆然等[12]認(rèn)為橡膠粉粒徑越小,混合料的疲勞壽命越高,且通過灰關(guān)聯(lián)分析表明橡膠粉摻量對混合料疲勞壽命影響最大。

綜上,溫拌膠粉改性瀝青混合料已成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點,而老化作為瀝青路面服役過程中重要的影響因素之一,其對于混合料疲勞性能影響明顯。因此,對熱氧老化作用下溫拌膠粉改性瀝青混合料的疲勞性能開展相關(guān)研究,具有一定的參考意義。

2 實 驗

2.1 原材料

瀝青采用盤錦90#瀝青,改性劑采用60目和混合目(粒 徑 組 成:40 目(43%)、60 目(43%)、80 目(14%))的橡膠粉顆粒,摻量為瀝青質(zhì)量的20%;溫拌劑采用SDYK 表面活性劑,摻量為瀝青質(zhì)量的0.6%,配制后的膠粉改性瀝青各項指標(biāo)見表1。粗、細(xì)集料均為玄武巖,礦粉為石灰?guī)r礦粉。

表1 膠粉改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technological index of crumb rubber powder modified asphalt

2.2 瀝青混合料配合比及拌合溫度

研究表明,膠粉改性瀝青混合料適宜選用ARAC間斷級配,配合比設(shè)計見圖1。

圖1 瀝青混合料配合比設(shè)計結(jié)果Fig.1 Design results of asphalt mixture

拌合溫度方面,根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)論[13],設(shè)定本研究中熱拌膠粉瀝青混合料(HMA)拌和溫度為180 ℃;溫拌膠粉瀝青混合料(WMA)的拌和溫度為160 ℃,該溫度由等空隙率法測算得到。

2.3 試件成型

在設(shè)定溫度下(HMA 180 ℃,WMA 160 ℃)對混合料進(jìn)行拌合;使用剪切壓實儀(asphalt shear box,ASC)制備出混合料的剪切壓實試塊,使用切割機(jī)對試塊進(jìn)行切割,得到尺寸為380 mm×63.5 mm×50 mm 的立方體梁狀試件。

2.4 老化試驗

短期老化:將拌合完成的散料松鋪(約 21～22 kg/m2)后,置于(135±3)℃的通風(fēng)環(huán)境下,加熱 4 h±5 min。

長期老化:將短期老化后的散料制備成小梁試件,于(85±3) ℃條件下加熱5 d(120 h±0.5 h) ;5 d 后結(jié)束加熱,待試件充分冷卻16 h后取出。

2.5 疲勞試驗設(shè)計

按JTG F40—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗相關(guān)要求,采用應(yīng)變控制模式;試驗溫度分別為10,15 和20 ℃;采用半正弦波型,分別施加400、500和600 με的應(yīng)變荷載,加載頻率10 Hz[14]。

3 疲勞壽命分析

圖2為四種膠粉瀝青混合料在不同溫度、荷載水平下,疲勞壽命隨老化程度變化的趨勢圖。從圖2可見,隨著溫度升高、荷載水平下降,膠粉改性瀝青混合料的疲勞壽命增加,當(dāng)20 ℃、400 με時,混合料的疲勞壽命最高。這是因為瀝青混合料中彈性成分占比隨溫度的升高而降低,處于較高溫度下的瀝青混合料初始勁度模量更小[15],在應(yīng)變控制模式下,初始勁度模量小的瀝青混合料抗疲勞性能更好。同時,較低的應(yīng)變水平,不易造成大幅度損傷,使得路面可以經(jīng)受更多的荷載次數(shù),混合料的疲勞壽命越高。隨著老化程度增加,膠粉瀝青混合料疲勞壽命降低,這是因為老化作用導(dǎo)致瀝青混合料的抗荷載損傷能力下降從而影響疲勞壽命。

圖2 不同老化程度下(a)60目熱拌膠粉瀝青混合料;(b)60目溫拌膠粉瀝青混合料;(c)混合目熱拌膠粉瀝青混合料和(d)混合目溫拌膠粉瀝青混合料疲勞壽命Fig.2 Fatigue life of rubber powder asphalt mixture under different aging degree (a) fatigue life of 60-mesh hot-mix asphalt mix; (b) fatigue life of 60-mesh warm-mix asphalt mix; (c) fatigue life of mixed-mesh hot-mix asphalt mix; (d) fatigue life of mixed-mesh warm-mix asphalt mix

4 勁度衰減速率分析

4.1 老化對勁度衰減速率的影響分析

研究表明,彎曲勁度模量可用來表征瀝青混合料疲勞損傷的演化過程[15]。有學(xué)者定義勁度模量的衰減速率Dv為[11]:

式中:S0為初始勁度模量,T為總加載時間;SN表示加載結(jié)束時的勁度模量。其中,T取加載總時長,則式(1)實際計算所得僅為整個加載過程的平均勁度衰減速率,即因此采用式(1)難以表征整個加載過程中,各時刻混合料勁度衰減速率的變化情況。故本研究對式(1)進(jìn)行如下變換:

式中:f為加載頻率,Ni為加載次數(shù),Si為每次加載之后的勁度模量。

當(dāng)式(3)中Ni等于混合料的疲勞壽命Nf時,可計算得到混合料的平均勁度衰減速率,即式(1);而當(dāng)Ni分別取到每次加載,可得到勁度衰減速率隨加載次數(shù)的變化曲線。

勁度衰減速率表征混合料的勁度模量隨加載次數(shù)增加而下降的速度。相同加載次數(shù)下,勁度衰減速率越大說明混合料的損傷程度越大,抵抗荷載的能力越弱。

由圖3可見,膠粉改性瀝青混合料的Dv隨加載次數(shù)增加呈三階段變化[16]。在第一階段,隨加載次數(shù)增加,Dv短暫上升,且在經(jīng)歷一定加載次數(shù)后達(dá)到最大值,此時瀝青混合料的勁度衰減量最大。第二階段中,隨荷載作用次數(shù)的增加,Dv曲線急劇下降,隨后進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段。Dv之所以呈現(xiàn)出階段性變化是因為膠粉瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在細(xì)小空隙和微觀缺陷,荷載作用時,這些結(jié)構(gòu)上的微小缺陷處會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,并逐步發(fā)展成為小范圍的局部損壞[17]。隨著加載次數(shù)的增加,更多的微觀缺陷發(fā)展成為局部損傷,并在某一時刻達(dá)到峰值。但峰值出現(xiàn)并不意味著所有結(jié)構(gòu)缺陷均發(fā)展完全,因而在峰值之后的第二階段中Dv仍處于較高水平。當(dāng)荷載次數(shù)進(jìn)一步增加時,混合料內(nèi)部損傷發(fā)展達(dá)到新的動態(tài)平衡狀態(tài)[18],Dv開始趨于穩(wěn)定,即第三階段。圖3(b)可見,在雙對數(shù)坐標(biāo)下Dv在各階段內(nèi)數(shù)據(jù)點的疏密程度明顯不同,第一、二階段較為稀疏,第三階段最為密集,這說明在一二階段內(nèi)隨加載次數(shù)的增加,Dv變化較快,這與圖3(a)中Dv在一、二階段的變化規(guī)律相同。第三階段內(nèi),隨加載次數(shù)增加,Dv緩慢下降且呈線性規(guī)律。瀝青混合料為多相材料,內(nèi)部微觀缺陷的存在無法避免,裂紋也往往萌發(fā)于材料內(nèi)部的薄弱區(qū)域。瀝青混合料中裂紋的擴(kuò)展速率與其中瀝青、集料的材料性質(zhì)和外部因素相關(guān),但當(dāng)控制荷載、溫度等外部變量后,此速率便具有了體現(xiàn)混合料中材料本身性質(zhì)的可能;疲勞破壞的最終結(jié)果是開裂,疲勞損傷的宏觀表現(xiàn)既為混合料性能衰減和模量的降低;因此,以勁度衰減速率描述混合料疲勞損傷發(fā)展速率進(jìn)而評價混合料本身的疲勞性能,理論上存在可行性。研究表明[16],以勁度模量定義的損傷因子能夠良好地描述瀝青混合料疲勞損傷演化過程。圖4為膠粉瀝青混合料的損傷因子與損傷因子斜率。從圖可見,瀝青混合料損傷發(fā)展速率在加載初期存在峰值,斜率曲線的變化規(guī)律與圖3中Dv曲線基本相同。

圖3 老化程度與勁度衰減速率關(guān)系;(a)線性直角坐標(biāo)系中不同老化程度下膠粉瀝青混合料的勁度衰減速率;(b)雙對數(shù)坐標(biāo)系中不同老化程度下膠粉瀝青混合料的勁度衰減速率Fig.3 Relationship between aging degree and stiffness decay rate;(a) the stiffness decay rate of the mastic asphalt mixture under different aging degrees in the line right-angle coordinate system; (b) the stiffness decay rate of the mastic asphalt mixture under different aging degrees in the double logarithmic coordinate system

圖4 損傷因子和損傷因子斜率;(a)不同老化程度下膠粉瀝青混合料的損傷因子;(b)不同老化程度下膠粉瀝青混合料的損傷因子斜率Fig.4 Damage factor and damage factor slope;(a) Damage factor of mastic asphalt mixes under different aging degrees;(b) slope of damage factor of mastic asphalt mixes under different aging degrees

對比圖3中曲線可知,老化程度越大,Dv曲線越高,損傷發(fā)展越快,混合料的疲勞壽命越短。這是因為瀝青老化后各組分發(fā)生轉(zhuǎn)變:其中,飽和分含量的變化相對較小,其他組分則按照芳香分—膠質(zhì)—瀝青質(zhì)的方向發(fā)生轉(zhuǎn)化,即輕質(zhì)組分向重質(zhì)組分變化[16];同時輕質(zhì)組分自身還伴隨有揮發(fā)現(xiàn)象,這使老化后瀝青中輕質(zhì)組分含量進(jìn)一步減少,重質(zhì)組分增加,從而導(dǎo)致瀝青中彈性成分占比增大、混合料的初始勁度模量上升[19]。而初始勁度模量越大,會使得混合料在產(chǎn)生相同應(yīng)變時承受更大的作用力,產(chǎn)生更大的損傷;損傷越大,混合料勁度模量下降越快即勁度衰減速率越快。此外,老化作用會降低瀝青材料的黏附性能,瀝青與集料界面處黏附力強弱是影響瀝青混合料疲勞損傷或開裂的重要因素,此影響將貫穿混合料損傷發(fā)展的全過程。因此,老化程度的增加會導(dǎo)致Dv曲線整體上升,且在峰值區(qū)域最為顯著。如圖3(a)中,原樣瀝青混合料Dv峰值僅0.6左右,經(jīng)過短期老化后變?yōu)?.9,而長期老化后Dv峰值提高到2.4;圖3(b)中,短期-長期老化之間曲線高度變化的差值明顯大于原樣-短期老化,說明長期老化對膠粉瀝青混合料疲勞壽命的影響更大。表2為四種膠粉瀝青混合料的Dv曲線峰值和其疲勞壽命在對數(shù)坐標(biāo)下的線性擬合結(jié)果,此擬合的R2均在0.98以上,精度良好,說明二者之間具備較好的相關(guān)性。

表2 各條件下 Dv 曲線峰值及線性擬合結(jié)果Table 2 Peak value of Dv curve and the linear fitting results under each condition

4.2 SDYK 溫拌劑對勁度衰減速率的影響

從圖5可見,相比于HMA,WMA 的疲勞壽命更長。這是由于溫拌劑的加入,使瀝青、水和活性劑中的基團(tuán)在混合料拌合過程中能夠借助分散力而彼此交融,在膠結(jié)料內(nèi)部形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性水膜,水膜的潤滑作用增強了混合料的施工和易性,使瀝青與集料更好的交互[20]。溫拌劑中的非極性親油基團(tuán)和極性親水基團(tuán)促進(jìn)了膠粉瀝青與集料的黏附[21-22],瀝青與集料界面上的黏附性能越好,混合料在經(jīng)受荷載作用時抵抗損傷的能力越強,因此WMA 具有更高的疲勞壽命[23]。同時,圖5中WMA 的Dv曲線低于HMA,說明WMA 的老化程度低于HMA,這是因為溫拌劑的加入顯著地降低了混合料拌和與壓實溫度,從而降低了此過程當(dāng)中混合料的熱氧老化程度。

圖5 SDYK 溫拌劑與勁度衰減速率的關(guān)系Fig.5 Relationship between SDYK warm mix and stiffness decay rate

5 結(jié) 論

應(yīng)變控制模式下,膠粉改性瀝青混合料的疲勞損傷速率呈三階段發(fā)展,且在第一、二階段間存在峰值;第三階段中,隨著加載次數(shù)增加,Dv緩慢下降,并且在雙對數(shù)坐標(biāo)下呈線性規(guī)律。

隨著老化程度的增加,膠粉改性混合料的疲勞壽命隨之下降,勁度衰減速率明顯升高。Dv曲線峰值在雙對數(shù)坐標(biāo)下與膠粉瀝青混合料的疲勞壽命線性相關(guān)。由Dv曲線峰值分析可知,長期老化對膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的影響更為嚴(yán)重。

SDYK 型溫拌劑的加入,降低了老化前后膠粉改性瀝青混合料的勁度衰減速率,提高了混合料的抗疲勞性能。