基于SHRP計劃的瀝青試驗頻率選擇的研究分析

馮保杰，栗振鋒，李 彤

(太原科技大學交通與物流學院，太原 030024)

瀝青路面因為其良好的力學特性，比如行車舒適度好、路面平整、噪音小、適宜分期修建等，在全國范圍內應用極其廣泛。而且在目前，在建的公路項目90%以上都在使用瀝青混凝土路面[1]。但是瀝青在高溫環境下容易產生車轍破壞，在中低溫狀態下容易產生開裂破壞，而車轍破壞和開裂破壞不僅會對路面的外觀造成破壞，同時對路面的使用功能也會產生很大影響,如圖1和圖2所示。聞名全球的美國 SHRP 計劃，其重要的研究內容之一就是瀝青，根據美國戰略公路研究計劃(SHRP)的研究結論，瀝青對高溫車轍的貢獻率占40%,對低溫性能的貢獻率占 80%[2-4]。但是，在SHRP計劃中，規定使用動態剪切流變儀(DSR)測量瀝青各力學性能指標的頻率為10 rad/s，試驗頻率要求比較單一且固定，因此，本文從基質瀝青入手，基于SHRP計劃對瀝青性能對試驗頻率的選取進行研究，分析在哪個角頻率下評價瀝青抗車轍能力與抗疲勞開裂的能力更加明顯。

圖1 疲勞開裂Fig.1 Fatigue cracking

圖2 車轍Fig.2 Rutting

1 SHRP簡介

SHRP計劃，即Strategic Highway Research Program，是美國國會在1987年批準的一個期限為5年(1987-1993)的基礎研究項目，由 NRC(美國國家科學研究院)管理，由FHWA(聯邦公路局)和AASHTO(美國州公路和運輸工作者協會)合作完成，主要的研究內容有四個，分別是路面長期性能、混凝土與結構、公路運營與瀝青，取得了130多項主要成果。瀝青模塊主要研究內容是Superpave(Superior Performing Asphalt Pavements)，即高性能瀝青路面，也就是人們常說的超級公路，包括一系列集料的試驗與規范，主要的膠結料測試試驗有動態剪切流變試驗，采用動態剪切流變儀(DSR)，來測量瀝青的高溫與中溫性能；旋轉粘度試驗，采用旋轉粘度儀(RV)，來模擬施工攪拌的溫度性能；瀝青低溫性能試驗，采用彎曲梁流變儀(BBR)、直接拉伸實驗儀(DDT)，來測量瀝青的低溫性能[5]；模擬硬化試驗，采用薄膜烘箱(RTFO)、壓力老化容器(PAV)，來測量瀝青路面的耐久度特性，其中薄膜烘箱(RTFO)是用來模擬瀝青混合料的早期老化，即在混合料拌和和運輸過程中的老化，而壓力老化容器(PAV)是用來模擬瀝青路面在役期間的老化。圖3-圖8為每個試驗需要的設備。

圖3 DSRFig.3 DSR

圖4 RVFig.4 RV

圖5 BBRFig.5 BBR

圖6 DDTFig.6 DDT

圖7 RTFOFig.7 RTFO

圖8 PAVFig.8 PAV

2 瀝青的抗車轍與抗疲勞開裂的評價指標

復模量是最大剪應力與最大剪應變的比值，而施加的應力和產生應變的時間之差就是相位角,如圖所示9.瀝青材料的復模量是指在反復施加剪力后，瀝青材料的抵抗變形的總量，它由兩個部分組成，一個是彈性變形，即暫時變形，另一個是粘性變形，即永久變形。對于完全的彈性材料，施加的應力與產生的應變之間沒有時間差，所以完全的彈性材料的相位角為0[6]；而瀝青屬于粘彈性材料，在正常溫度下所施加的應力與產生的應變之間會有一個時間差，這就是瀝青材料的相位角。復模量與相位角均可以在動態剪切流變試驗中采用動態剪切流變儀(DSR)測量得到。

圖9 相位角Fig.9 Phase angle

SHRP中控制路面車轍而定的指標是車轍因子，其公式為

其中G*為瀝青的復模量；

δ為瀝青材料的相位角。

SHRP中控制路面疲勞開裂而定的指標是疲勞因子，其公式為

G*sin(δ)

其中G*為瀝青的復模量

δ為瀝青材料的相位角

SHRP中疲勞開裂用G*sin(δ)表示，要求經PAV瀝青G*sin(δ)≤5 MPa，G*和δ值越小,材料越具柔性,抗疲勞開裂的能力越強[8]。

但是由于試驗頻率不同，所得到的復模量與相位角肯定也有所區別，為了試驗分析的客觀性，本文提出了單位復模量、單位相位角、單位車轍因子和單位疲勞因子的概念。

單位復模量、單位相位角、單位車轍因子和單位疲勞因子都是指無論試驗角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s，當角頻率每改變1 rad/s是對應的復模量、相位角、車轍因子和疲勞因子的數值，單位分別是°/( rad/s)、Pa/( rad/s)、kPa/( rad/s)、kPa/( rad/s).

通過復模量、相位角、車轍因子、疲勞因子與單位復模量、單位相位角、單位車轍因子、單位疲勞因子的比較，就可以更加客觀的對SHRP計劃中動態剪切流變試驗的最佳試驗角頻率選擇進行分析。

3 實驗設計

3.1 瀝青材料的選擇

在我國，道路石油瀝青標號多數為25 ℃的針入度，其對瀝青的性能有較大影響，并且標號對SBS改性瀝青的低溫性能也有很大影響。而由基質鎮海70號瀝青拌和而成的瀝青混合料剛度、強度和耐久性良好，這樣的瀝青混合料可以防治路面老化，延緩路面開裂，適用于我國整個東北、華北地區，適用范圍較廣，所以本實驗材料采用未老化基質鎮海70號瀝青。試驗材料的性能列于表1.

表1 試驗瀝青的性能Tab.1 The performance of test asphalt

3.2 試驗儀器

本次實驗儀器采用動態剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，簡稱DSR)，如圖10所示。該儀器通過作用已知扭矩來測量試樣的復數剪切模量和相位角，配合相應軟件可進行應變控制(測量其應力)和應力控制(測量其應變)，試驗結果可用來確定瀝青抵抗車轍和疲勞的能力[9]。

圖10 DSRFig.10 DSR

3.3 試驗原理

由圖11DSR結構圖可以看出，動態剪切流變儀(簡稱DSR)包括固定板，瀝青和振蕩板三個主要部分。DSR的工作原理很簡單，一般來說，瀝青試樣放在固定板與振蕩板之間，振蕩板從A運動到B，然后再反方向從B轉向A，繼續轉到C,最后再改變方向從C轉動到A完成一個正弦周期，如圖12所示。當DSR完成一個旋轉周期時，儀器自動獲取瀝青的相關力學響應指標，包括復模量、相位角、車轍因子和疲勞因子等。

圖11 DSR結構圖Fig.11 DSR structure

圖12 正弦周期Fig.12 Sinusoidal periodic

3.4 試驗方案

瀝青路面溫度突變和極低溫引起的路面開裂，與瀝青路面疲勞、車轍共稱為瀝青路面的三大病害[10-12]。因為瀝青的低溫性能與溫度和頻率有很大的關系，所以試驗方案選采用未老化基質鎮海70號瀝青進行溫度掃描試驗。

(1)按下水浴裝置工作按鈕(位于該裝置上方控制面板上，右側第一個，按下該鈕后裝置馬達開始運轉)，此時打開調節水浴裝置出水閥(位于裝置上方背部)，小心調節該閥門直至流變儀上ADS單元內有水面上下運動且不溢出位置；

(2)待軟件上溫度顯示在設定溫度的±0.5 ℃以內后，將水位限制罩(為白色四角塑料罩)套在上夾具上方的鎖扣和插銷之間，并用鎖扣將上夾具鎖緊；

(3)按下流變儀面板上ZERO按鈕，流變儀系統對板間距校零，校零結束后，面板上GAP顯示屏數值為“0000”，待“OK”指示燈亮后，按下面板“▲”按鈕，抬至最高處或其他合適位置；

(4)預熱好瀝青樣品(約130 ℃下預熱)，分以下情形操作；

(5)點擊軟件上“start”按鈕，夾具下壓至某一間距處，刮樣工具沿上下夾具外沿將多余樣品刮去，刮樣要盡量貼緊上下夾具，且不要帶出樣品。將水位限制罩插在下方ADS內插孔內，并繼續調節進水閥，直至水將樣品完全浸泡且不溢出ADS進樣結束后，拔開插銷，點擊軟件上確認按鈕，儀器將繼續下壓50 μm后開始測試；

(6)實驗過程中，軟件界面中可以查看車轍因子、疲勞因子、溫度等參數曲線。

4 數據分析

4.1 不同角頻率下瀝青的復模量、相位角、車轍因子與疲勞因子

如圖13所示，無論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時，復模量都隨著溫度的升高而逐漸降低，表明瀝青抵抗變形的能力隨著溫度的上升而逐漸減弱。當溫度為-15 ℃時，復模量的大小次序為：15 rad/s>5 rad/s>10 rad/s，并且角頻率為15 rad/s時的復模量分別是5 rad/s和10 rad/s的3.2倍和5.9倍；隨著溫度的上升，當溫度為50 ℃時，復模量逐漸變小，并逐漸接近于20 000 Pa，大小次序為15 rad/s>10 rad/s>5 rad/s.其中，當角頻率15 rad/s時，復模量的變化最為明顯。

圖13 三個不同角頻率下復模量的變化曲線Fig.13 The change curve of complex modulus at three different angular frequencies

如圖14所示，無論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時，相位角都隨著溫度的升高而逐漸增大，表明瀝青的粘彈性比例逐漸增大，也就是說隨著溫度的升高，瀝青慢慢從彈性占主體的性質走向粘性占主體的性質。當溫度為-15 ℃時，復模量的大小次序為10 rad/s>5 rad/s>15 rad/s；隨著溫度的上升，當溫度為50 ℃時，相位角逐漸變大，大小次序為10 rad/s>5 rad/s>15 rad/s.其中，當角頻率10 rad/s時，復模量的變化最為明顯。

圖14 三個不同角頻率下相位角的變化曲線Fig.14 The change curve of phase angle at three different angular frequencies

如圖15和圖16所示，在降溫速率為1 ℃/min時，根據SHRP計劃成果中評價瀝青的抗車轍能力的車轍因子和抗疲勞開裂的疲勞因子，隨著溫度的升高都逐漸降，并且在不同頻率下的車轍因子和疲勞因子變化率大小依次是15 rad/s、5 rad/s、10 rad/s.并且在低溫環境下(-15～5 ℃)下三個實驗頻率下的車轍因子與疲勞因子相差比較明顯，表明DSR試驗在頻率為15 rad/s時，能更清楚明了的表明瀝青的抗車轍能力和抗疲勞開裂的能力。

圖15 三個不同角頻率下車轍因子的變化曲線Fig.15 The change curve of rutting factor under three different angular frequencies

圖16 三個不同角頻率下疲勞因子的變化曲線Fig.16 The variation curve of fatigue factor under three different angular frequencies

4.2 不同角頻率下瀝青的單位復模量、單位相位角、單位車轍因子、單位疲勞因子

如圖17所示，三個試驗角頻率下的單位復模量都隨著溫度的升高而降低，速率逐漸變小。當試驗角頻率為5 rad/s和15 rad/s時的單位復模量比較接近，并且角頻率為15 rad/s時的單位復模量略大于角頻率為5 rad/s時的復模量；當試驗角頻率為10 rad/s時的單位復模量遠小于5 rad/s和15 rad/s時的單位復模量。這就表明，隨著溫度的上升，角頻率每變化1 rad/s，瀝青的抵抗變形的能力逐漸降低，尤其是在角頻率為15 rad/s時的單位復模量最為明顯。

圖17 三個不同角頻率下單位復模量的變化曲線Fig.17 The change curve of unit complex modulus at three different angular frequencies

如圖18所示，三個試驗角頻率下的單位相位角都隨著溫度的升高而緩慢變大，變化速率約為定值。當試驗角頻率為5 rad/s時的單位相位角最大，其次是10 rad/s和15 rad/s.這就表明，隨著溫度的上升，角頻率每變化1 rad/s，瀝青的粘彈性比例緩慢增大，即試驗瀝青逐漸從彈性向彈性轉變。

圖18 三個不同角頻率下單位相位角的變化曲線Fig.18 The change curve of unit phase angle at three different angular frequencies

如圖19和20所示，三個試驗角頻率下的單位車轍因子與單位疲勞因子都隨著溫度的升高而降低，速率由大變小。當試驗角頻率為5 rad/s和15 rad/s時的單位車轍因子與單位疲勞因子比較接近，并且角頻率為15 rad/s時的單位車轍因子與單位疲勞因子略大于角頻率為5 rad/s時的單位車轍因子與單位疲勞因子；當試驗角頻率為10 rad/s時的單位車轍因子與單位疲勞因子遠小于5 rad/s和15 rad/s時的單位車轍因子與單位疲勞因子。這就表明，隨著溫度的上升，角頻率每變化1 rad/s，瀝青的抵抗車轍變形與抵抗疲勞開裂的能力逐漸降低，尤其是在角頻率為15 rad/s時最為明顯。

圖19 三個不同角頻率下單位車轍因子的變化曲線Fig.19 The change curve of unit rutting factor under three different angular frequencies

5 結論

(1)無論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時，復模量與單位復模量都隨著溫度的升高而逐漸降低，表明瀝青抵抗變形的能力隨著溫度的上升而逐漸減弱。

圖20 三個不同角頻率下單位疲勞因子的變化曲線Fig.20 The variation curve of unit fatigue factor under three different angular frequencies

(2)無論角頻率為5 rad/s、10 rad/s還是15 rad/s時，相位角和單位相位角都隨著溫度的升高而逐漸增大，表明瀝青的粘彈性比例逐漸增大，也就是說隨著溫度的升高，瀝青慢慢從彈性占主體的性質走向粘性占主體的性質。

(3)DSR試驗在頻率為15 rad/s時，能更清楚明了的表明瀝青的抗車轍能力和抗疲勞開裂的能力，所以建議瀝青的動態剪切流變試驗在角頻率為15 rad/s下進行。