道路沥青材料动力性质的关系

宋小金， 曾梦澜， 樊 亮

(1.湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082； 2.湖南中大建设工程检测技术有限公司， 湖南 长沙 410205；3.山东省交通科学研究院， 山东 济南 250031)

沥青混合料是一种具有多级胶凝结构的分散系统，宏观上是粗集料和沥青砂浆形成的粗分散系、细集料与沥青胶浆形成的细分散系以及矿物填料与沥青形成的微分散系.沥青、沥青胶浆及沥青混合料等沥青材料均是黏弹性材料，其中沥青是沥青胶浆和沥青混合料黏弹性的本源.由于沥青胶浆形成复杂，包含多种多样的吸附过程，使该体系在沥青混凝土中既起到黏结作用，又起到填充粗细分散系中空隙的作用,因此在沥青混合料组成中沥青胶浆是一个很重要的材料结构相，其强度特征、黏度在一定程度上可以表征混合料的性能.由此可见，沥青、沥青胶浆及沥青混合料三者的性能联系紧密.在实验室条件下，沥青和沥青胶浆性能试验要比沥青混合料性能试验便捷得多，且受外界及操作水平影响小，因此通过沥青和沥青胶浆性能来估算沥青混合料性能不仅可行而且方便，还可节省大量的试验工作[1].

车辆荷载是一种动力荷载，研究动力荷载作用下沥青材料的性质具有重要意义.近年来，国内外对动力荷载作用下沥青材料的性质，包括复数模量和相位角进行了大量研究，并取得了丰硕的成果[2-5].但是，迄今为止，对于沥青、沥青胶浆和沥青混合料三者性质的关系研究较少.Bahiau等[6]和Zeng等[7]针对沥青与沥青混合料性质的关系进行了研究，但这些研究均未考虑沥青胶浆.鉴于此，本文对沥青、沥青胶浆和沥青混合料的动力性质开展了研究.

1 试验材料

结合料采用70#道路石油沥青和MAC沥青，其中MAC沥青是多级化学改性沥青.两者技术指标分别达到JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中对70#和50#沥青的技术要求.玄武岩与石灰岩粗集料、细集料、矿物填料(矿粉)以及木质素纤维等原材料的技术指标均满足相关规范要求.

在沥青胶浆制备过程中，先选取0.075mm筛孔以下的填料在105℃下烘干，再在拌和温度下，将沥青加热融化，将热填料缓慢加入，同时进行搅拌，直至形成均匀的胶浆样品.为研究沥青混合料的动力性质，制备了5种类型的沥青混合料：SMA-13，AC-13，AC-20，AC-25和LSPM-25，其中LSPM(large stone porous asphalt mixes)为透水性大粒径碎石沥青混合料.需要说明的是：SMA-13，AC-20和LSPM-25采用MAC沥青，AC-13和AC-25采用70#道路石油沥青；SMA-13采用玄武岩集料，其余各沥青混合料均采用石灰岩集料.5种沥青混合料的技术指标均满足相关规范要求.

2 试验方法

沥青和沥青胶浆的试验参考JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0628—2011《沥青流变性质试验(动态剪切流变仪)》方法进行.采用动态剪切流变仪(dynamic shear rheometer，DSR)采集沥青和沥青胶浆的复数模量和相位角数据.试验参数为：转子直径25mm，转子间隙1mm，频率0.01～25.00Hz(角频率0.06～157.00rad/s)，应力水平100Pa.由于JTG F40—2004规范中规定常用的公称最大粒径为13.2～19mm的密级配沥青混合料粉胶比(mf/mb)宜控制在0.8～1.2，因此试验将mf/mb设定为0.6，0.8，1.0，1.2和1.4.沥青和沥青胶浆的试验温度设置为30，40，50，60和70℃.

沥青混合料动态模量试验参考AASHTO T342—11“Standard method of test for determining dynamic modulus of hot mix asphalt(HMA)”方法进行.采用沥青混合料性能试验机(asphalt mixture performance tester，AMPT)采集沥青混合料的动态模量和相位角数据.先用旋转压实仪成型高度为175mm的试件，然后用取芯机从试件中取出直径为100的芯样，再用双面锯切割出尺寸为φ100×150mm的试件.动态模量试验采用常应变控制方式，对试件施加正弦荷载，将应变控制在75～125μm/m，试验温度为40℃.

需要说明的是，沥青和沥青胶浆的DSR试验结果是剪切复数模量G*，而沥青混合料的AMPT试验结果是轴向复数模量E*，两者在数值上有所不同，但具有确定的对应关系.与弹性材料相同，在线性、小变形条件下，黏弹性材料的剪切复数模量与轴向复数模量存在如下关系：G*=E*/[2(1+μ)]，其中μ为泊松比，因此当材料不可压缩(μ=0.5)时，剪切复数模量约为轴向复数模量的1/3.

3 沥青与沥青胶浆性质的关系

考虑粉胶比的影响，沥青和沥青胶浆的剪切复数模量关系可以用式(1)表示：

(1)

式中：a，c，d和f均为常数.

表1为式(1)的拟合参数值.由表1可见：公式判定系数R2均超过0.990，沥青与沥青胶浆剪切复数模量的相关性良好，说明采用沥青模量来计算沥青胶浆模量是完全可行的；沥青与沥青胶浆之间的关系不依赖于频率和温度的变化，即试验条件对二者的关系不产生影响[7].

图1 沥青与沥青胶浆(mf/mb=1.0)的剪切复数模量关系Fig.1 Relationship of shear complex modulus between asphalt and asphalt mastic(mf/mb=1.0)

Asphalt typeacdfR270# asphalt1.0501.0001.1300.0005590.999MAC asphalt0.8011.0600.9610.0105000.998

黏弹性材料的基本动态性质包括复数模量和相位角，两者共同反映材料性质，具有相同模量、不同相位角的材料其性质是不同的.沥青材料动态参数中的相位角可以反映材料的黏弹性特征.对相同加载条件下，沥青与不同粉胶比的沥青胶浆相位角(δb和δj)关系进行分析，如图2所示.

图2 沥青与不同粉胶比沥青胶浆相位角关系Fig.2 Relationship of phase angles between asphalt and asphalt mastic with different filler-binder ratio

沥青胶浆为沥青与填料的混合物，表现出类似沥青混合料的特性.当试验频率较高时，沥青和沥青胶浆的性质均接近弹性体，相位角较小，极值趋向0；随着试验频率的减小，沥青的黏性成分增加，沥青和沥青胶浆的相位角逐渐增加，在频率达到一定区域时，由于填料的存在，沥青胶浆的相位角达到峰值，其后随着频率的继续减小，沥青胶浆的相位角逐渐减小，表现为填料的特点，而沥青的相位角单调递增.因此，沥青与沥青胶浆的相位角存在非单调的特点，在一定试验频率区域内存在峰值.由图2可以看出，在试验的粉胶比范围内，沥青与沥青胶浆的相位角关系变化不大.因此对沥青胶浆数据统一进行回归分析.沥青与沥青胶浆的相位角关系可用式(2)表示：

(2)

式中：p，k和m均为常数.

由式(2)可见，当δb→0°时，δj→0°；δb→90°时，δj→0°.

表2为式(2)的拟合参数值.由表2可见，公式判定系数R2均超过0.950，这说明沥青与沥青胶浆相位角的相关性良好.

表2 式(2)拟合参数

4 沥青与沥青混合料性质的关系

对于给定的结合料，不同集料会在一定程度上影响结合料与混合料动态性质关系.不同公称最大粒径的沥青混合料，由于自身体积指标的不同，其动态模量及相位角存在一定差异.虽然这种影响与集料岩性、粗细和表面纹理等具有某种复杂关系，但是总体上集料的影响只存在于较小的量级范围，并没有导致结合料与混合料动力性质关系质的变化[8].即沥青仍然是沥青混合料黏弹性的本源，在微观层次到宏观体系的递进过程中，颗粒级配的影响会带来模量的变化(突出表现为模量升高)，且混合料的相位角数值依赖于沥青的黏弹性质.考虑到沥青材料具有时温等效性，且加载频率覆盖了一定的范围，温度对混合料性质的影响与频率是一致的，因此根据沥青路面现场的温度特点，进行了40℃沥青混合料的动态模量试验，以进行沥青材料性质的相关性分析.

不同的沥青混合料类型与沥青的关系是有区别的，但变化趋势相似，所以沥青混合料的模量和相位角可以通过沥青的模量和相位角表示.选择沥青和沥青混合料加载频率为25.00，10.00，5.00，1.00，0.50，0.10，0.01Hz，温度为40℃的模量和相位角数据进行关系分析.通过对试验数据的变化趋势观察分析并反复尝试发现，沥青和沥青混合料的复数模量关系可用式(3)

表示：

(3)

式中：a，c和f均为常数，其中f代表沥青混合料的最小模量值.

式(3)的拟合参数见表3.

表3 式(3)拟合参数

由于沥青混合料与沥青胶浆具有类似特点，因此采用类似的拟合公式，对沥青和沥青混合料的相位角关系进行分析，见式(4)：

(4)

式中：δm为沥青混合料相位角；k，m和p均为常数.

由式(4)可见，当δb→0°时，δm→0°；当δb→90°时，δm→0°.

式(4)的拟合参数见表4.

表4 式(4)拟合参数

图3为沥青与沥青混合料动力性质的关系.由图3可以看出，拟合效果良好.

图3 沥青与沥青混合料动力性质关系Fig.3 Relationship of dynamic properties between asphalt and asphalt mixture

5 沥青胶浆与沥青混合料性质的关系

选择沥青胶浆和沥青混合料加载频率为25.00，10.00，5.00，1.00，0.50，0.10，0.01Hz，温度为40℃的模量和相位角数据进行关系分析.借鉴沥青与沥青混合料动力性质的关系公式，同时考虑粉胶比对沥青胶浆模量的影响，建立沥青混合料模量、沥青胶浆模量及粉胶比的多元关系式，拟合模型见式(5)：

(5)

式中：a，c，d和f均为常数.

采用式(5)对沥青胶浆与沥青混合料40℃时相同加载频率下的复数模量进行分析，拟合参数值见表5.由表5可以看出，拟合结果良好，判定系数R2均超过0.990.

表5 式(5)拟合参数

对沥青胶浆与沥青混合料40℃的相位角关系进行观察，发现在试验频率范围两者呈现平方关系，因此采用式(6)对其进行分析.

δm=rδj2+sδj+t

(6)

式中：r，s和t为常数.

采用式(6)对沥青胶浆和沥青混合料在40℃时相同加载频率下的相位角进行分析，相位角关系的拟合参数值见表6.由表(6)可以看出，拟合结果良好.

表6 式(6)拟合参数

图4为沥青胶浆与沥青混合料动力性质的关系曲线.由图4可以看出，拟合效果良好.

图4 沥青胶浆与沥青混合料动力性质关系Fig.4 Relationship of dynamic properties between asphalt mastic and asphalt mixture

6 结论

(1)由于沥青是沥青胶浆和沥青混合料黏弹性的本源，因此沥青、沥青胶浆及沥青混合料等沥青材料的动力性质之间存在良好的相关性，这些关系主要与沥青种类、粉胶比和沥青混合料种类相关，且不受频率(或加载时间)和温度等条件的影响.

(2)沥青材料之间的模量存在幂函数关系；沥青与沥青胶浆、沥青与沥青混合料的相位角均存在正弦函数关系，沥青胶浆与沥青混合料的相位角存在平方关系；建立了沥青与沥青胶浆、沥青与沥青混合料及沥青胶浆与沥青混合料动力性质的相关表达式.由于沥青和沥青胶浆的室内试验具有快捷、稳定、准确的特点，因此通过沥青、沥青胶浆与沥青混合料动力性质关系表达式，可以快速估算出沥青混合料的动态模量和相位角.

(3)由于沥青性质与沥青混合料体积指标存在差异，后续研究中应针对沥青的性能和沥青混合料的体积指标、级配类型展开研究，考虑沥青性质或沥青混合料体积指标的参数，增加试验温度范围，完善拟合公式的普适性，提高通过沥青或沥青胶浆估算沥青混合料性能的精度，为进一步的研究与实际应用奠定基础.