郭詠梅 倪富健

(1東南大學交通學院，南京210096)

(2揚州大學建筑科學與工程學院，揚州225127)

近年來，許多具有不同特點的改性瀝青在道路 工程中得到廣泛應用.因改性瀝青及混合料在路面重復荷載作用下會表現出不同于靜態(tài)荷載下的動態(tài)特性[1]，故采用有效手段測試其動態(tài)黏彈性能往往能更為準確地描述材料在實際使用條件下的真實受力特點.1993年，美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)提出的動態(tài)剪切流變儀(DSR)就是采用振動模式對瀝青試樣施加小振幅正弦交變荷載，通過測定相應的流變參數表征其動態(tài)黏彈性能.現在該領域已有不少研究[2-3]，但大多數研究對象都是只針對瀝青，有關瀝青混合料的相關研究尚少.

目前部分高級流變儀已設置了不同類型的測試夾具，可以在相似加載條件下分別對瀝青及其混合料進行測試分析.該研究的局限性主要在于應用于DSR的瀝青混合料試件體量較小，與常規(guī)試件相比不具代表性.但Velasquez等[4]最近通過對不同尺寸瀝青混合料試件的試驗測試及有限元分析發(fā)現，在包括動態(tài)荷載的特定條件下，瀝青與礦質集料之間模量的不匹配度下降，可使混合料中集料尺度與分布的影響作用相對減小，因而不同尺寸瀝青混合料試件的測試結果比較接近.鑒于此，本文基于DSR，通過頻率掃描試驗分別構建了改性瀝青及混合料的流變主曲線，并對主曲線形態(tài)和流變模型擬合結果進行了對比分析.

1 材料與試驗

1.1 改性瀝青

選擇目前在華東地區(qū)高等級瀝青路面應用較廣泛的SBS、高彈、高黏、高強4種改性瀝青，其編號和主要性能指標如表1所示.這些改性瀝青都具有優(yōu)良的高溫性能，且性能各有特點[5].由表1可看出:高強改性瀝青的軟化點和60℃動力黏度測試值最低，其Superpave高溫等級卻最高(PG82);而SBS、高彈和高黏改性瀝青的Superpave高溫等級都是PG76，它們的60℃動力黏度卻相差很大.這說明不同的瀝青高溫指標對4種改性瀝青的評價結果不一致，有必要對改性瀝青的黏彈性能進行深入探討.

表1 改性瀝青的性能指標

1.2 混合料設計與試件制備

受DSR夾具的限制，改性瀝青混合料試件尺寸不宜選擇太大，本文采用50 mm×10 mm×10 mm的小梁試件.為防止某些大粒徑集料導致試驗數據變異性增大，對目前工程中應用的公稱最大粒徑在10 mm以下的瀝青混合料級配型式進行篩選，確定超薄瀝青混合料UTA-6.7和UTA-10作為試驗級配型式，其級配設計參照文獻[6].

粗、細集料分別采用玄武巖和石灰?guī)r，填料選擇石灰?guī)r礦粉，其技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求.2種級配混合料分別以4%為目標空隙率，通過馬歇爾試驗確定最佳油石比，再以最佳油石比成型車轍試件，采用高精度雙面鋸切割技術得到小梁試件，要求試件尺寸最大誤差不超過0.2 mm.

1.3 儀器設備與試驗準備

試驗儀器采用美國TA公司生產的Advanced Rheometer-2000ex高級流變儀，該流變儀配備了分別適用于瀝青試樣和瀝青混合料小梁試件的測試夾具.在對改性瀝青進行試驗時，由于試驗溫度在30℃以上，選擇直徑為25 mm的平形板夾具，板間距為1 mm.在對改性瀝青混合料進行試驗時，將小梁試件置于固體夾具上，保證其中心位置處于上、下夾具的正中，以避免產生偏心扭矩，關上爐門，在達到試驗溫度并恒溫1 h后進行試驗.

1.4 試驗方案

改性瀝青頻率掃描試驗的方案設計如下:參考儀器的測溫范圍，并考慮瀝青路面的工作溫度區(qū)間，試驗溫度選擇 30，40，50，60，70，80，90 ℃ 共 7個溫度.試驗施加連續(xù)正弦交變荷載，采用應變控制模式.為保證改性瀝青試樣處于線性黏彈性范圍，加載應變應先由應變掃描試驗結果確定[5].考慮儀器的加載扭矩區(qū)間要求，頻率掃描范圍取0.1～10.0 Hz.

改性瀝青混合料頻率掃描試驗的試驗溫度和頻率掃描范圍均與改性瀝青試驗的方案相同.試驗時施加的應變同樣不宜太大，以確保改性瀝青混合料試件也處于線性范圍，本文的加載應變參照文獻[7]進行取值.

2 結果與分析

2.1 流變主曲線的構建

改性瀝青及混合料作為典型的黏彈性材料，在承受動態(tài)交變荷載作用時會因黏滯效應產生能量耗散，故其加載應變與應力響應相位不同，存在0～90°的相位差，即相位角δ;其模量則以復數形式表示，數值記為這是黏彈性材料的重要特征之一.

為了在較寬頻率范圍內描述改性瀝青及其混合料的動態(tài)黏彈性能，可通過控制加載應變，使材料處于線性黏彈性范圍，從而應用時間-溫度等效原理構建流變主曲線.該原理認為，改變溫度尺度和改變頻率尺度是等效的.它可表示為WLF公式，由此可以計算水平移位因子 αT[8]，即

式中，T為試驗溫度，℃;Tr為參考溫度，℃;C1，C2為經驗常數.

根據lgαT將不同溫度下的頻率掃描試驗結果分別進行水平移位，并疊加于參考溫度下就可得到流變主曲線.

2.2 流變主曲線形態(tài)對比

2.2.1 復數剪切模量主曲線

圖1為雙對數坐標軸上改性瀝青及其混合料的40℃復數剪切模量主曲線，復數剪切模量是反映材料抗車轍變形能力的指標，圖中UTA-6.7(A)表示膠結料為改性瀝青A、級配型式為UTA-6.7的改性瀝青混合料，其余符號類似.

圖1 改性瀝青及混合料的40℃復數剪切模量主曲線

由圖1可看出:

1)4種改性瀝青及對應混合料的復數剪切模量主曲線形態(tài)很相似，都在低頻(或高溫)時達到最小模量值，高頻(或低溫)時達到最大模量值，這與實際瀝青路面的性能變化規(guī)律相同.

2)在全頻范圍內不同改性瀝青動態(tài)黏彈性響應的差異大于對應的混合料，特別是低頻(或高溫)條件下，A，B和C這3種改性瀝青的有很大不同，但其對應的同級配混合料的卻趨近于相等.究其原因可能是礦質集料的骨架作用對改性瀝青混合料的影響效應在低頻(或高溫)時會占據主導地位，而此時改性瀝青的作用則要較中、高頻(或中、低溫)時小很多.

4)對改性瀝青膠結料相同但級配型式不同的2種混合料UTA-6.7(A)和UTA-10(A)的復數剪切模量主曲線進行對比發(fā)現，較粗級配混合料的明顯大于較細級配混合料，表明粗集料對改性瀝青混合料的影響更大一些.

2.2.2 相位角主曲線

圖2為單對數坐標軸上改性瀝青及混合料的40℃相位角主曲線.相位角δ反映的是黏彈性材料動態(tài)響應中彈性行為和黏性行為所占份額的關系.材料的δ越小，越接近0°，說明其力學響應越接近彈性行為;材料的δ越大，越接近90°，說明其力學響應越接近黏性行為.

圖2 改性瀝青與混合料的40℃相位角主曲線

由圖2可看出:

1)4種改性瀝青的δ隨頻率的變化無共同規(guī)律，但改性瀝青A，B和C的相位角主曲線形態(tài)比較接近，低頻時δ均較小，之后隨頻率的增大而增大，在達到某一頻率值后，δ開始保持不變，甚至稍有減少.其中改性瀝青B的δ在頻率小于0.1 Hz時遠低于其他改性瀝青，說明其表現出更明顯的彈性行為，這與該改性瀝青的25℃彈性恢復值(98%)最大一致.改性瀝青D則與其他改性瀝青完全相反，其δ在全頻范圍內都隨頻率增大而減小.該改性瀝青的各項高溫指標測試值不符合一般規(guī)律，且在工程實踐中表現出極為優(yōu)異的抗車轍性能[9]，其δ的反常變化規(guī)律是否與之有關聯，尚需對此作深入探討.

2)級配型式相同的4種改性瀝青混合料的δ變化規(guī)律與采用的改性瀝青膠結料相似，但其數值明顯小于后者，說明礦質集料的存在大大增加了改性瀝青混合料的彈性效應.改性瀝青混合料的δ在頻率較低時趨近相等，表明低頻(或高溫)時改性瀝青對其混合料黏彈響應的影響作用逐漸弱化，而礦質集料的骨架作用成為主要影響因素，該結論與前述對復數剪切模量主曲線的分析結果一致.

3)2種膠結料相同但級配型式不同的改性瀝青混合料UTA-6.7(A)和UTA-10(A)的相位角主曲線很相似，幾乎重疊;而級配型式都為UTA-6.7但膠結料不同的4種改性瀝青混合料的相位角主曲線卻存在較大差異(尤其在高頻時).這表明改性瀝青對混合料力學響應中黏、彈性行為的影響作用大于集料;低溫時這種效應更突出說明改性瀝青對其混合料低溫性能的貢獻遠大于集料.

2.3 基于改進型CAM模型的擬合分析

改性瀝青及其混合料的復數剪切模量主曲線的形態(tài)相似，且能在較寬頻率范圍內反映不同類型改性瀝青及混合料的性能差異.但是因儀器量程的限制，這些復數剪切模量主曲線還無法清楚地反映材料在極端高頻和極端低頻時的差異，故采用流變模型作進一步擬合分析，本文選擇改進型CAM模型進行深入研究.

2.3.1 改進型CAM 模型簡介

近年來，各種流變模型開始廣泛應用于瀝青和瀝青混合料的性能研究中，從早期的冪率模型到CA和CAM模型等[7]，研究人員一直致力于尋找能夠準確描述瀝青和瀝青混合料黏彈性能的流變模型.Zeng等[10]在CAM模型基礎上提出的改進型CAM模型可同時適用于擬合瀝青與瀝青混合料的復數剪切模量主曲線，其數學表達式為

雖然改進型CAM模型著重于對瀝青及混合料宏觀表象進行描述，但是其各構成參數仍然包含著相應的物理含義[11]代表高頻或低溫條件下材料的最大復數剪切模量代表低頻或高溫條件下材料的最小復數剪切模量;fc代表貯能剪切模量G'和損耗剪切模量G″近似相等時對應的頻率;而2個形狀參數me與k的比值則與流變指標RG關系密切.RG為G*(fc)和之間的差值，可反映材料的松弛譜寬度，RG數值越大意味著黏彈性材料從彈性行為向黏性行為過渡得越平緩，其頻率敏感性也就越小.RG的計算公式為

2.3.2 擬合結果及分析

采用改進型CAM模型對4種改性瀝青及其混合料的復數剪切模量主曲線進行非線性擬合計算，結果如表2所示.

表2 改性瀝青及混合料40℃復數剪切模量主曲線的擬合結果

由表2可看出:

1)改進型CAM模型對改性瀝青及其混合料的復數剪切模量主曲線擬合計算的相關系數R2都在0.996以上，表明該模型對改性瀝青及其混合料復數剪切模量主曲線的擬合度很高.

3 結論

1)改性瀝青復數剪切模量主曲線和相位角主曲線的變化規(guī)律與對應混合料基本一致，改性瀝青的動態(tài)力學響應能夠反映其混合料的黏彈性能.但低頻(或高溫)時改性瀝青的作用明顯減小，集料的骨架作用逐漸占據主導地位;而高頻(或低溫)時改性瀝青的貢獻遠大于集料.

2)改性瀝青及混合料的復數剪切模量主曲線形態(tài)相似，采用改進型CAM模型進行擬合的效果很好，相關系數達到0.996以上.

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