基于DSR的改性沥青及混合料动态黏弹性能

郭咏梅 倪富健

(1东南大学交通学院，南京210096)

(2扬州大学建筑科学与工程学院，扬州225127)

近年来，许多具有不同特点的改性沥青在道路 工程中得到广泛应用.因改性沥青及混合料在路面重复荷载作用下会表现出不同于静态荷载下的动态特性[1]，故采用有效手段测试其动态黏弹性能往往能更为准确地描述材料在实际使用条件下的真实受力特点.1993年，美国战略公路研究计划(SHRP)提出的动态剪切流变仪(DSR)就是采用振动模式对沥青试样施加小振幅正弦交变荷载，通过测定相应的流变参数表征其动态黏弹性能.现在该领域已有不少研究[2-3]，但大多数研究对象都是只针对沥青，有关沥青混合料的相关研究尚少.

目前部分高级流变仪已设置了不同类型的测试夹具，可以在相似加载条件下分别对沥青及其混合料进行测试分析.该研究的局限性主要在于应用于DSR的沥青混合料试件体量较小，与常规试件相比不具代表性.但Velasquez等[4]最近通过对不同尺寸沥青混合料试件的试验测试及有限元分析发现，在包括动态荷载的特定条件下，沥青与矿质集料之间模量的不匹配度下降，可使混合料中集料尺度与分布的影响作用相对减小，因而不同尺寸沥青混合料试件的测试结果比较接近.鉴于此，本文基于DSR，通过频率扫描试验分别构建了改性沥青及混合料的流变主曲线，并对主曲线形态和流变模型拟合结果进行了对比分析.

1 材料与试验

1.1 改性沥青

选择目前在华东地区高等级沥青路面应用较广泛的SBS、高弹、高黏、高强4种改性沥青，其编号和主要性能指标如表1所示.这些改性沥青都具有优良的高温性能，且性能各有特点[5].由表1可看出:高强改性沥青的软化点和60℃动力黏度测试值最低，其Superpave高温等级却最高(PG82);而SBS、高弹和高黏改性沥青的Superpave高温等级都是PG76，它们的60℃动力黏度却相差很大.这说明不同的沥青高温指标对4种改性沥青的评价结果不一致，有必要对改性沥青的黏弹性能进行深入探讨.

表1 改性沥青的性能指标

1.2 混合料设计与试件制备

受DSR夹具的限制，改性沥青混合料试件尺寸不宜选择太大，本文采用50 mm×10 mm×10 mm的小梁试件.为防止某些大粒径集料导致试验数据变异性增大，对目前工程中应用的公称最大粒径在10 mm以下的沥青混合料级配型式进行筛选，确定超薄沥青混合料UTA-6.7和UTA-10作为试验级配型式，其级配设计参照文献[6].

粗、细集料分别采用玄武岩和石灰岩，填料选择石灰岩矿粉，其技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求.2种级配混合料分别以4%为目标空隙率，通过马歇尔试验确定最佳油石比，再以最佳油石比成型车辙试件，采用高精度双面锯切割技术得到小梁试件，要求试件尺寸最大误差不超过0.2 mm.

1.3 仪器设备与试验准备

试验仪器采用美国TA公司生产的Advanced Rheometer-2000ex高级流变仪，该流变仪配备了分别适用于沥青试样和沥青混合料小梁试件的测试夹具.在对改性沥青进行试验时，由于试验温度在30℃以上，选择直径为25 mm的平形板夹具，板间距为1 mm.在对改性沥青混合料进行试验时，将小梁试件置于固体夹具上，保证其中心位置处于上、下夹具的正中，以避免产生偏心扭矩，关上炉门，在达到试验温度并恒温1 h后进行试验.

1.4 试验方案

改性沥青频率扫描试验的方案设计如下:参考仪器的测温范围，并考虑沥青路面的工作温度区间，试验温度选择 30，40，50，60，70，80，90 ℃ 共 7个温度.试验施加连续正弦交变荷载，采用应变控制模式.为保证改性沥青试样处于线性黏弹性范围，加载应变应先由应变扫描试验结果确定[5].考虑仪器的加载扭矩区间要求，频率扫描范围取0.1～10.0 Hz.

改性沥青混合料频率扫描试验的试验温度和频率扫描范围均与改性沥青试验的方案相同.试验时施加的应变同样不宜太大，以确保改性沥青混合料试件也处于线性范围，本文的加载应变参照文献[7]进行取值.

2 结果与分析

2.1 流变主曲线的构建

改性沥青及混合料作为典型的黏弹性材料，在承受动态交变荷载作用时会因黏滞效应产生能量耗散，故其加载应变与应力响应相位不同，存在0～90°的相位差，即相位角δ;其模量则以复数形式表示，数值记为这是黏弹性材料的重要特征之一.

为了在较宽频率范围内描述改性沥青及其混合料的动态黏弹性能，可通过控制加载应变，使材料处于线性黏弹性范围，从而应用时间-温度等效原理构建流变主曲线.该原理认为，改变温度尺度和改变频率尺度是等效的.它可表示为WLF公式，由此可以计算水平移位因子 αT[8]，即

式中，T为试验温度，℃;Tr为参考温度，℃;C1，C2为经验常数.

根据lgαT将不同温度下的频率扫描试验结果分别进行水平移位，并叠加于参考温度下就可得到流变主曲线.

2.2 流变主曲线形态对比

2.2.1 复数剪切模量主曲线

图1为双对数坐标轴上改性沥青及其混合料的40℃复数剪切模量主曲线，复数剪切模量是反映材料抗车辙变形能力的指标，图中UTA-6.7(A)表示胶结料为改性沥青A、级配型式为UTA-6.7的改性沥青混合料，其余符号类似.

图1 改性沥青及混合料的40℃复数剪切模量主曲线

由图1可看出:

1)4种改性沥青及对应混合料的复数剪切模量主曲线形态很相似，都在低频(或高温)时达到最小模量值，高频(或低温)时达到最大模量值，这与实际沥青路面的性能变化规律相同.

2)在全频范围内不同改性沥青动态黏弹性响应的差异大于对应的混合料，特别是低频(或高温)条件下，A，B和C这3种改性沥青的有很大不同，但其对应的同级配混合料的却趋近于相等.究其原因可能是矿质集料的骨架作用对改性沥青混合料的影响效应在低频(或高温)时会占据主导地位，而此时改性沥青的作用则要较中、高频(或中、低温)时小很多.

4)对改性沥青胶结料相同但级配型式不同的2种混合料UTA-6.7(A)和UTA-10(A)的复数剪切模量主曲线进行对比发现，较粗级配混合料的明显大于较细级配混合料，表明粗集料对改性沥青混合料的影响更大一些.

2.2.2 相位角主曲线

图2为单对数坐标轴上改性沥青及混合料的40℃相位角主曲线.相位角δ反映的是黏弹性材料动态响应中弹性行为和黏性行为所占份额的关系.材料的δ越小，越接近0°，说明其力学响应越接近弹性行为;材料的δ越大，越接近90°，说明其力学响应越接近黏性行为.

图2 改性沥青与混合料的40℃相位角主曲线

由图2可看出:

1)4种改性沥青的δ随频率的变化无共同规律，但改性沥青A，B和C的相位角主曲线形态比较接近，低频时δ均较小，之后随频率的增大而增大，在达到某一频率值后，δ开始保持不变，甚至稍有减少.其中改性沥青B的δ在频率小于0.1 Hz时远低于其他改性沥青，说明其表现出更明显的弹性行为，这与该改性沥青的25℃弹性恢复值(98%)最大一致.改性沥青D则与其他改性沥青完全相反，其δ在全频范围内都随频率增大而减小.该改性沥青的各项高温指标测试值不符合一般规律，且在工程实践中表现出极为优异的抗车辙性能[9]，其δ的反常变化规律是否与之有关联，尚需对此作深入探讨.

2)级配型式相同的4种改性沥青混合料的δ变化规律与采用的改性沥青胶结料相似，但其数值明显小于后者，说明矿质集料的存在大大增加了改性沥青混合料的弹性效应.改性沥青混合料的δ在频率较低时趋近相等，表明低频(或高温)时改性沥青对其混合料黏弹响应的影响作用逐渐弱化，而矿质集料的骨架作用成为主要影响因素，该结论与前述对复数剪切模量主曲线的分析结果一致.

3)2种胶结料相同但级配型式不同的改性沥青混合料UTA-6.7(A)和UTA-10(A)的相位角主曲线很相似，几乎重叠;而级配型式都为UTA-6.7但胶结料不同的4种改性沥青混合料的相位角主曲线却存在较大差异(尤其在高频时).这表明改性沥青对混合料力学响应中黏、弹性行为的影响作用大于集料;低温时这种效应更突出说明改性沥青对其混合料低温性能的贡献远大于集料.

2.3 基于改进型CAM模型的拟合分析

改性沥青及其混合料的复数剪切模量主曲线的形态相似，且能在较宽频率范围内反映不同类型改性沥青及混合料的性能差异.但是因仪器量程的限制，这些复数剪切模量主曲线还无法清楚地反映材料在极端高频和极端低频时的差异，故采用流变模型作进一步拟合分析，本文选择改进型CAM模型进行深入研究.

2.3.1 改进型CAM 模型简介

近年来，各种流变模型开始广泛应用于沥青和沥青混合料的性能研究中，从早期的幂率模型到CA和CAM模型等[7]，研究人员一直致力于寻找能够准确描述沥青和沥青混合料黏弹性能的流变模型.Zeng等[10]在CAM模型基础上提出的改进型CAM模型可同时适用于拟合沥青与沥青混合料的复数剪切模量主曲线，其数学表达式为

虽然改进型CAM模型着重于对沥青及混合料宏观表象进行描述，但是其各构成参数仍然包含着相应的物理含义[11]代表高频或低温条件下材料的最大复数剪切模量代表低频或高温条件下材料的最小复数剪切模量;fc代表贮能剪切模量G'和损耗剪切模量G″近似相等时对应的频率;而2个形状参数me与k的比值则与流变指标RG关系密切.RG为G*(fc)和之间的差值，可反映材料的松弛谱宽度，RG数值越大意味着黏弹性材料从弹性行为向黏性行为过渡得越平缓，其频率敏感性也就越小.RG的计算公式为

2.3.2 拟合结果及分析

采用改进型CAM模型对4种改性沥青及其混合料的复数剪切模量主曲线进行非线性拟合计算，结果如表2所示.

表2 改性沥青及混合料40℃复数剪切模量主曲线的拟合结果

由表2可看出:

1)改进型CAM模型对改性沥青及其混合料的复数剪切模量主曲线拟合计算的相关系数R2都在0.996以上，表明该模型对改性沥青及其混合料复数剪切模量主曲线的拟合度很高.

3 结论

1)改性沥青复数剪切模量主曲线和相位角主曲线的变化规律与对应混合料基本一致，改性沥青的动态力学响应能够反映其混合料的黏弹性能.但低频(或高温)时改性沥青的作用明显减小，集料的骨架作用逐渐占据主导地位;而高频(或低温)时改性沥青的贡献远大于集料.

2)改性沥青及混合料的复数剪切模量主曲线形态相似，采用改进型CAM模型进行拟合的效果很好，相关系数达到0.996以上.

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