基于DSR的瀝青砂漿粘彈特性研究

柳雪麗,趙春晨,昝文博

(1.陜西工業職業技術學院 土木工程學院,陜西 咸陽 712000;2.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

瀝青路面是現有國內路面普遍的結構形式,其在復雜路域環境-荷載耦合作用下會產生各種路面病害,極大地降低瀝青路面服役壽命。目前對瀝青混合料力學性能的研究主要集中于瀝青、集料或級配類型等方面,對瀝青砂漿的相關研究相對較少。瀝青砂漿由瀝青、礦粉及細集料等相組成,為整體瀝青混合料結構提供了必要的強度和粘接力。瀝青砂漿的粘彈特性與瀝青路面路用性能密切相關,因此對其粘彈特性的研究十分必要。

有研究分析了圍壓、溫度、加載應力等因素對瀝青砂漿回彈模量的影響[7];不同老化程度下瀝青砂漿的粘彈性能[8]?；跒r青混合料去除粗骨料保持細集料比例不變的方法確定了瀝青砂漿級配[9]。認為瀝青砂漿力學性能隨砂漿級配中最大公稱粒徑的減少而變小[10];瀝青砂漿中瀝青含量越高,瀝青砂漿動態模量越低[11]。提出了一種基于動態力學分析方法(DMA)的瀝青砂漿動態彎拉試驗方法,通過不同的試驗認為礦料級配是影響瀝青砂漿體積參數與動態粘彈特性的重要因素[12-13]?；诖?研究從瀝青砂漿組成比例、制備工藝及粘彈性能進行了全面的研究。

1 試驗材料組成及制備

1.1 瀝青砂漿組成

1.1.1基質瀝青

本文選用遼河70#基質瀝青,其針入度、軟化點和延度測試結果如表1所示。

表1 瀝青3大指標

1.1.2瀝青砂漿的級配

瀝青砂漿級配由對應瀝青混合料去除粗集料,保持細集料比例不變確定。本文中AC-13瀝青混合料級配采用JTGF 40—2004推薦級配中值,瀝青砂漿集料公稱最大粒徑選取2.36 mm,瀝青砂漿級配曲線如圖1所示。

圖1 AC-13瀝青混合料及對應瀝青砂漿級配曲線

1.1.3瀝青砂漿的瀝青用量

1)瀝青混合料最佳油石比的確定

選擇5個瀝青用量:4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%,采用馬歇爾雙面擊實法制備瀝青混合料試件,瀝青混合料相關體積參數及力學性能參數與瀝青用量的關系如圖2所示[14]。

圖2 AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗結果

由圖2可知,馬歇爾穩定度最大值、VV中值、ρ最大值和VFA中值對應的瀝青含量分別為4.5%、5.0%、4.5%和4.6%。由式(1)得最佳瀝青用量初始值OAC1為4.66%,在OACmin=4.2%與OACmax=5.4%之間,滿足規范要求。

根據式(2)得最佳瀝青用量初始值OAC2為4.8%,最后由式(3)得AC-13最佳油石比為4.73%。綜合穩定度、密度等各指標關系,最后取值4.7%。

(1)

(2)

(3)

當瀝青用量為4.7%,其瀝青混合料相關體積參數及力學性能參數如表2所示。

表2 最佳瀝青用量下的瀝青混合料各性能參數

2)瀝青砂漿瀝青用量的確定

粉膠比指有效瀝青百分比含量(Pbe)與0.075 mm通過率(P0.075)之比,其計算步驟:

(1)按照式(4)和式(5)分別計算γsb及γse;

(2)將上式結果代入式(6)及式(7)中求被集料吸收的瀝青含量(Pba)和有效瀝青含量(Pbe);

(3)通過維持粉膠比(FB=P0.075/Pbe)不變,將P0.075替換為砂漿級配中0.075 mm篩孔通過率求得瀝青砂漿的Pba;

(4)將瀝青砂漿的Pba代入公式(7)中,變換得到式(8)并求解出瀝青砂漿的等效瀝青含量。

(4)

(5)

式中:γsb為表觀相對密度;Pn為各檔礦料所占百分比;γn為各檔礦料毛體積相對密度;Pb為瀝青混合料中瀝青含量;γb為瀝青相對密度;γmm為瀝青混合料最大相對密度。

(6)

(7)

式中:Pba為瀝青混合料中被集料吸收的瀝青膠結料比例,%;Pbe為瀝青混合料中有效瀝青含量,%;Ps為礦料質量比例,即100-Pb,%。

(8)

上述公式計算后所獲取參數見表3,最終瀝青砂漿瀝青用量為9.7%。

表3 瀝青混合料及瀝青砂漿相關參數

1.2 瀝青砂漿制備

采用旋轉壓實成型試件后鉆芯取樣的方法制備瀝青砂漿,試件制備如圖3所示[16]。

(a)旋轉壓實成型試件

(1)將按比例稱好的細集料倒入拌和鍋內,攪拌時間為150 s;倒入已經加熱至指定溫度的瀝青,攪拌150 s;最后再加入預熱的礦粉攪拌150 s;

(2)將拌和好的瀝青砂漿倒入預加熱后的直徑150 mm旋轉壓實模具中,進行旋轉壓實成型。壓力設置600 kPa,壓實高度60 mm,靜置后脫模;

(3)利用小型取芯機對成型后的旋轉壓實試件取芯獲取直徑12.5 mm高度45 mm的瀝青砂漿試件,置于干燥皿中防止受潮。

1.3 試驗方法

對瀝青砂漿試件進行-5、10、25、40和55 ℃溫度下的頻率掃描試驗,頻率為0.01～60 Hz,各工況加載條件均選取線性粘彈區域應力[15]。

2 結果及討論

2.1 瀝青砂漿粘彈參數變化規律

圖4為瀝青砂漿模量及相位角隨溫度及頻率的變化曲線。

(a)復數模量

由圖4(a)可知,隨著溫度升高,瀝青砂漿復數模量逐漸降低;同一溫度條件下,復數模量隨著頻率增加而逐漸增大,但高溫條件下變化趨勢比低溫條件顯著。由圖4(b)、(c)可知,瀝青砂漿儲存模量的變化趨勢與復數模量基本相同;但-5 ℃條件下,瀝青砂漿損耗模量隨著頻率的增加而降低。由圖4(d)可知,同一頻率下,隨溫度升高,瀝青砂漿試件相位角逐漸增大。這是因為瀝青砂漿試件在低溫時彈性較強而黏性較弱;同一溫度下,頻率越大而相位角越小,這也說明瀝青砂漿粘彈特性符合時溫等效原理,高頻等效于低溫,故而相位角較小。

2.2 瀝青砂漿主曲線

2.2.1時溫等效原理

瀝青在不同溫度和時間下具有相同的力學狀態,說明溫度和時間對材料的粘彈行為具有等效性?；跁r溫等效原理,對于不同溫度下材料的黏彈參數曲線具有相同的幾何形狀,可以將其沿著時間軸左右平移,形成一個完整曲線,稱之為粘彈參數主曲線。該曲線可進一步可分析瀝青材料在寬頻率域內的粘彈特性。

對于移位因子的描述,目前最常用的是WLF方程[16]:

(9)

式中:αT為溫度位移因子;T為試驗溫度,℃;Tg為參考溫度,℃;C1、C2為常數。

2.2.2瀝青砂漿有效性驗證

以2個瀝青砂漿試件的復數模量為例,利用時溫等效原則確定20 ℃基準溫度下的瀝青砂漿模量主曲線,如圖5所示。

圖5 瀝青砂漿復數模量主曲線平行件對比

從圖5可以看出,試件1和試件2的復數模量主曲線平行性良好,僅在低頻條件下存在細微差別,表明本文的瀝青砂漿制備方法具有一定可靠性。

2.2.3基于主曲線的瀝青砂漿粘彈特性分析

根據瀝青砂漿復數模量主曲線可知,復數模量隨頻率的增加而增大,在高頻末端趨于穩定,根據時溫等效原理,高頻等效于低溫,說明瀝青砂漿在低溫時復數模量趨于穩定,表現為彈性行為。此外,復數模量和儲存模量主曲線變化趨勢極為接近,而損耗模量和復數模量主曲線在低頻范圍內較接近,在高頻范圍變化中出現峰值。相位角隨頻率的增加呈現先增加后降低的趨勢,高頻時相位角接近0°,這是由于瀝青砂漿中集料引起的高彈性造成的[20]。

除主曲線外,復數模量-相位角曲線和儲存模量-損耗模量曲線和也是描述瀝青動態粘彈特性的重要曲線,分析可知隨著相位角的增加,瀝青的復數模量呈不斷下降趨勢,但開始下降速度較緩慢,當復數模量-相位角曲線出現轉折點后復數模量下降速度增加。儲存模量隨損耗模量的增加先增加后降低,儲存模量-損耗模量曲線存在峰值。

3 瀝青類型及空隙率對瀝青砂漿粘彈性能的影響

瀝青、瀝青砂漿及改性瀝青砂漿主曲線如圖6所示。

(a)復數模量主曲線

從圖6(a)可以看出,雖然瀝青及瀝青砂漿主曲線形狀均符合S型函數曲線,但瀝青砂漿的復數模量遠遠高于基質瀝青。低頻條件下SBS改性瀝青砂漿模量明顯高于基質瀝青砂漿,這是由于SBS的加入,顯著提高了砂漿的高溫性能;高頻條件下,瀝青砂漿復數模量主曲線趨于平緩,且基質瀝青砂漿模量基本接近SBS改性瀝青砂漿模量,這是由于高頻下瀝青砂漿粘彈性能基本呈現純彈性行為。從圖6(b)可以看出,瀝青相位角主曲線和瀝青砂漿相位角主曲線呈現較大的差別且隨著SBS改性劑的加入,瀝青砂漿相位角低頻條件下降低,高頻條件下基本一致。這與復數模量主曲線的變化趨勢是一致的。

不同空隙率條件下瀝青砂漿的主曲線如圖7所示。

(a)復數模量主曲線

從圖7可以看出,復數模量隨著空隙率的增加而增加,但復數模量主曲線的形狀基本一致。相位角隨著空隙率的增加而降低,但是僅在低頻條件下,不同空隙率瀝青砂漿的相位角是重合的。這是由于高溫條件下瀝青砂漿的粘彈比例對瀝青砂漿空隙率不敏感。

4 結語

(1)瀝青砂漿復數模量主曲線平行性良好,表明本文瀝青砂漿組分確定方法和制備方法是可行的;

(2)瀝青砂漿復數模量及儲存模量均隨頻率增大而逐漸增大,損耗模量隨著頻率的增加先增加后減小,相位角隨著頻率的增加同樣呈現先增加后減小的趨勢。瀝青砂漿復數模量隨相位角的增加呈不斷下降趨勢,但是開始下降速度較緩慢,當復數模量-相位角曲線出現轉折點后下降速度增加;儲存模量隨著損耗模量的增加先增加后降低;

(3)隨著改性劑的加入及空隙率的增加,瀝青砂漿復數模量不斷增加,相位角不斷降低。