沥青胶浆抗车辙性能力学评价方法研究

2022-04-13刘婉秋孟祥宇朱晓锋

海南大学学报（自然科学版） 2022年1期

刘瑞，刘婉秋，孟祥宇，张峰，朱晓锋

（1.海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228；2.郑州海昌碧海置业有限公司，河南郑州 450000；3.大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116000；4.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215000）

车辙是一种常见的由于交通荷载引起的路面不可恢复损坏.车辙会导致路面层减薄，大大降低路面平整度，除会引起少量积水外，车辙过深还可能会影响路面结构，威胁行车安全［1］.由于我国沥青路面设计、施工和养护技术的进步，以龟裂、网裂为主的早期损坏已经得到大面积控制，然而车辙与反射裂缝为主的损坏增多，证明路面问题并未得以全面控制［2］.相比道路新材料、铺装新技术开发，以力学方法评价沥青胶浆实际抗车辙性能更为重要.

抗车辙评价方法从材料角度上分为沥青、沥青胶浆及沥青混合料评价.沥青材料评价是采用三大指标性能试验反映车辙性能，但三大指标只是沥青自身流体性能参数，不能有效反映实际路面沥青的受力变形特征.沥青混合料评价采用马歇尔试验、车辙试验等对混合料进行加载［3−4］，但直接对沥青混合料施加荷载，由于混合料内部自由沥青的非线性力学行为、集料的分布、形状以及随机孔隙，沥青混合料的宏观力学性能会产生较大的变异性［5］.沥青胶浆是均质材料，以沥青胶浆为研究对象评价其抗车辙性能可排除沥青混合料骨料骨架变异性影响.

现有研究评价沥青胶浆抗车辙性能时，大多借助动态剪切试验（DSR）测得的车辙因子定性评价沥青胶浆的优劣.丁蒙亭等［6］对沥青胶浆进行了动态剪切试验，并评价得出硅藻土替换矿粉较粉煤灰漂珠更易影响抗车辙性能.何阿甲等［7］采用动态剪切试验评价碳纤维沥青胶浆并得出碳纤维材料可显著提高胶浆的抗车辙性能；乔云雁等［8］分析了不同类型橡胶沥青胶浆的车辙因子并得出胶粉掺量对橡胶沥青胶浆的高温抗车辙性能影响最大，粉胶比次之.Azarhoosh等［9］采用DSR试验测试出SEPS改性沥青胶浆的车辙因子有所提高，提出SEPS改性剂改性沥青胶浆有较高的刚度和弹性特性.沥青胶浆车辙因子本身也是流体参数，流体的流变性反映的是其平衡破坏时的特征，并不能关联实际沥青路面材料平衡状态下的受力变形特征，因而不能做出定量评价.

此外，许多研究表明，动态剪切试验测定的G*/sinδ（车辙因子）不足以评价沥青胶浆的实际抗车辙性能，特别是在聚合物改性沥青胶浆方面.袁迎捷等［10］分析了Superpave结合料性能规范中流变模型的局限性，发现G*/sinδ并不能有效确保改性沥青具有良好的抗车辙性能.王鹏等［11］采用灰色关联度法分析了包含车辙因子在内的多种沥青高温指标，指出车辙因子不能用来反映改性沥青的高温性能.国外学者San⁃tagata等［12−13］同样阐述了车辙因子测定条件与实际损伤条件相差甚远的局限性.

Liu等［14−15］在沥青混合料重复加载试验中证明了混合料归一化应变曲线反映的仅是相对均匀的胶浆的性质，并不受集料骨架变异性以及荷载幅值的影响，阐释了沥青胶浆与集料骨架抗车辙性能分离分析的内在依据.换言之，沥青混合料归一化应变曲线不受局部胶浆分配到的荷载幅值影响，也说明在“最佳粉胶比”状态下，排除时间（在同一相对较低的加载速率下）的影响，沥青胶浆的受力−变形应存在线性关系.基于此前提，文章将以往研究对象从不均质的沥青混合料转移到均质的沥青胶浆，并提出以最佳粉胶比沥青胶浆的力学拉压性能评价胶浆材料在沥青混合料中承力性能的评价方法，以原沥青为基准，可定量评价新型沥青、沥青增强材料（改性剂、新填料）对胶浆的改性效果.文章抗车辙评价方法除孟祥宇［16］试验论证了其可行性外，国内外并无其他学者研究.

文章选用90#普通沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆作为研究对象，用矿粉替代其他集料，排除集料分布、形状以及随机孔隙的影响，改进QJ210A万能试验机，设计拉压试件，采用无侧限单轴加载试验测试特定温度下不同粉胶比的两种沥青胶浆力学性能，探讨沥青胶浆受力变形关系，定量评价沥青胶浆的力学性能以提高抗车辙病害的能力.研究成果可为沥青、沥青改性材料选取以及沥青混合料抗车辙设计提供依据.

1 原材料

文章研究重点是沥青胶浆力学评价方法，沥青、填料选取对评价方法探究并无影响.

1.1沥青试验选用的沥青为90#普通基质石油沥青，SBS改性沥青为原沥青掺加5%苯乙烯−丁二烯−苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性剂制备而成.按JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测得的技术指标参数如下表所示，均符合规范要求.

表1 沥青技术指标

1.2矿粉矿粉选用石灰岩矿粉，其相关技术指标见表.

表2 矿粉技术指标

2 试验概况

试验采用0.075 mm矿粉代替其他集料，将其按不同粉胶比与沥青均匀拌和，制备沥青胶浆拉压试件，测试出力学性能最优的最佳粉胶比，并以此粉胶比下的沥青胶浆试件反映胶浆在沥青混合料中的受力变形状态.预实验显示粉胶比为2.0~6.0的沥青胶浆承力性能先增大后减小，粉胶比为5.5的沥青胶浆承力性能最优.为进一步准确测试沥青胶浆的最佳粉胶比参数，将两种沥青胶浆待测试的粉胶比确定为5.0、5.5、6.0.

单轴加载试验采用上海倾技仪器公司QJ210A万能试验机，考虑到沥青材料的温感特性，在QJ210A万能试验机的基础上，加装水浴控温装置来实现不同粉胶比沥青胶浆试件的特定温度加载.控温装置由自制亚克力水槽、温度计、进水泵、出水泵和恒温水浴锅组成，如图1所示.试验加载全程控温（30±0.1）℃，每组试验在温度达到指定值并持续5分钟后进行.文章所有试验数据均采用Origin处理，每组试验进行4次平行试验，试验各指标参数采用平均值.

2.1单轴抗压试验单轴抗压试验采用5 mm·min−1全位移加载，加载温度为（30±0.1）℃，采样频率10 Hz.由于QJ210A万能试验机量程有限（最大力2 500 N），抗压试件设计为直径为15 mm，高度为15 mm的圆柱体.控温水槽采用亚克力板粘结而成，如图1a所示.抗压试验示意图如图2a所示.

图1 单轴抗压试验水浴控温装置

图2 抗压实验（a）和抗拉试验（b）示意图

2.2单轴抗拉实验沥青、沥青胶浆以及沥青混合料的直接拉伸试验设计一直都是沥青材料评价的难点，既要考虑沥青材料实际路用受力状态，又不能忽略试验仪器加载以及试件制备的可行性.拉伸试验最能反映沥青材料内部粘结性能，以往的沥青材料直接拉伸试验，通常形如圆柱体，在试验机加载中往往不能借助夹具有效夹持，而是用环氧树脂将端头固定，这种做法会引起端头的应力集中，给试件带来损伤.

抗拉试验试件形状、尺寸设计如图3和图4所示.试验机夹具采用挂式设计，以有效解决端部约束产生应力集中的问题，如图4所示.试验模具为开模设计，辅以钢框架固紧，方便脱模，如图5所示.单轴抗拉实验同样在（30±0.1）℃控温下，采用QJ210A万能试验机5 mm·min−1全位移加载，采样频率10 Hz，试验加载示意图如图2b所示.

图3 抗拉试件

图4 抗拉试件锚固与控温加载

图5 试件制备

2.3试件制备沥青取样、矿粉烘干及胶浆拌和均按JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》操作，试件制作具体过程：①取一定量沥青放入不锈钢盆，按照配比取定量矿粉放入不锈钢盆，将盛有沥青和矿粉的不锈钢盆放入烘箱，调节烘箱温度163℃（改性沥青为180℃），加热时间2 h.②加热完毕后，将盛有沥青的不锈钢盆放置在电炉上，少量多次添加烘干后的矿粉并用铁棒不断搅拌，矿粉过多不宜搅拌时可用铲刀辅助碾拌.③沥青胶浆拌和完成后，将其装入模具中用圆棒预压，再用击实锤压实，保证试件的压实度相同，制作完成后于室温冷却并放置12小时.

3 结果

3.1粉胶比对沥青胶浆力学性能的影响同类沥青、不同粉胶比沥青胶浆单轴加载受力变形曲线如图6和图7所示.从图6a和图7a可以看出，在沥青胶浆受轴压力时，受力变形曲线前段先下凹，此时轴压力持续加载，沥青胶浆试件内部逐渐压密，矿粉颗粒间的间隙逐渐减小；中段曲线近似直线上升，此时沥青胶浆处于弹塑性变形；中后段曲线上升趋于平缓并达到最大荷载值，此时沥青胶浆产生塑性破坏，出现平行于中轴的竖向裂缝.

从图6b和图7b可以看出，在沥青胶浆受轴拉力时，受力变形曲线前段受力变形曲线上凸，此时沥青胶浆内部应力小幅度陡增后趋于平缓上升；中段曲线近似直线上升，此时裹覆矿粉的结构沥青发挥其粘结性能，矿粉间作用力不断增加，试件出现横向细小裂纹，有断裂趋势；中后段曲线趋于平缓并达到最大荷载值，此时细小裂纹进一步扩展形成通缝，试件达到极限荷载.

从图6和图7拉压受力变形曲线各自对比可以看出：

图6 不同粉胶比普通沥青胶浆单轴抗压a、抗拉b受力−变形曲线（30℃）

图7 不同粉胶比改性沥青胶浆单轴抗压a、抗拉b受力−变形曲线（30℃、5%SBS）

粉胶比5.5的沥青胶浆承力性能较5.0、6.0时最优.当粉胶比从5.0增加至5.5时，附着在矿粉颗粒表面的发挥粘结力作用的沥青（结构沥青）含量增加，游离在沥青胶浆中的自由沥青减少，沥青胶浆的极限荷载值随之增大；当粉胶比从5.5增加至6.0时，极限荷载值明显减少，这是由于粉胶比的增加相当于减少了沥青的用量，是矿粉颗粒的总表面积过大，相对少的沥青不能完全裹覆，造成了承力性能的降低.此外，在拌和沥青胶浆时，从表观可以看出（图5），粉胶比5.0的沥青胶浆流体特征明显，粉胶比5.5颗粒分明，粉胶比6.0时则略显棕色，显然沥青用量的相对减少并不能完全裹覆矿粉，这也直接造成了承力性能的降低.

随着粉胶比的增大，沥青胶浆试件最大变形量逐渐减小.无论试件是受轴拉或是轴压力，从图6a、b受力变形曲线均证明了这一观点.这是由于粉胶比的增大，矿粉掺量也就相对增加，导致沥青材料的脆性增加，延展性减小［17］.从图6b可以看出，粉胶比6.0与粉胶比5.5时有相近的模量，但粉胶比6.0的沥青胶浆试件更易发生脆性破坏进而达到荷载极限.

沥青胶浆拉压性能有明显不对称的现象，对于材料来说这是不可忽视的.在抗压时，沥青胶浆极限荷载值较大，这是因为在沥青胶浆在受压时，主要是其内部的矿粉颗粒和结构沥青共同承力，少许的自由沥青也提供一定的静水压力.在抗拉时，沥青胶浆极限荷载值较小，这是由于无论是组成胶浆的沥青基质还是矿粉抗拉性都较差，在轴向拉力作用时主要是结构沥青的粘结力在发挥作用，受拉荷载极限的大小也反映了胶浆内部粘结力的作用.

从图7受力变形曲线可以看出，添加5%SBS的沥青胶浆受力变形曲线形状、走向趋势并没有改变，但增加了其弹性比例和极限荷载值.SBS改性剂对沥青胶浆试件的影响会在下小节详细讨论.

3.2SBS改性剂对沥青胶浆力学性能的影响在上文提到，对于添加SBS改性剂等聚合物的改性沥青，车辙因子不能定量有效评价其实际路用性能，只是以流变性能定性优劣，但聚合物改性沥青较原沥青力学性能增强多少，无从考究.本小节采用改进仪器测试改性沥青的受力变形特征，根据（1）式、（2）式分别计算沥青胶浆拉压强度极限、拉压模量，定量探讨SBS改性剂的改性效果.

σ：沥青胶浆强度极限（MPa）；Fmax：无侧限状态所受最大力（N）；A：试件受力面积（mm2）；E：沥青胶浆弹性模量，MPa；ε：竖向线应变.

3.2.1 强度极限在图8b抗拉试验中，SBS改性剂对最佳粉胶比沥青胶浆作用效果明显，对其抗拉强度增强了41.4%；在图8a抗压实验中，SBS改性剂对最佳粉胶比胶浆抗压强度增强了15.6%.SBS改性剂在沥青胶浆受轴拉力作用时显示了更为突出的贡献，这与SBS改性剂的作用机理有关.SBS改性剂在高温下经剪切、溶胀以及发育三个过程，与沥青分子形成贯穿网状结构［18］.在沥青胶浆受到轴拉力时，这种连续的网状结构最大限度发挥了增强结构沥青的粘结力的作用；而在受轴压力时，随着荷载值的逐渐增加，沥青胶浆内部孔隙越发紧密，承力性能主要靠矿粉颗粒来突显.

图8 不同粉胶比改性沥青胶浆与普通沥青胶浆抗压强度（a）和抗拉强度（b）

3.2.2 弹性模量弹性模量代表了材料的刚度，反映了材料发生弹性变形的难易程度.沥青胶浆作为一种复合材料，在试验加载过程中，轴力克服分子间作用力，使沥青胶浆内部各分子间距发生变化，其值也反映了沥青胶浆分子间结合力的大小.其计算结果如图9所示.

图9 不同粉胶比改性沥青胶浆与普通沥青胶浆抗压模量（a）和抗拉模量（b）

从图9可以看出，在单轴加载实验中，相同类型的沥青胶浆粉胶比从5.0增大至6.0时，模量同样先增大再减小，粉胶比5.5的沥青胶浆模量具有最大值，拉压模量相差8~10倍.沥青混合料和水稳层碎石的压缩模量大约是拉伸模量的1.5~2倍［19］.沥青胶浆的拉压模量差别更大.

在图9a单轴抗压试验中，粉胶比5.0的沥青胶浆在轴压力作用下，SBS改性效果不增反减，从图6和图7可以看出，SBS改性沥青胶浆与普通沥青胶浆破坏前所承受最大荷载值相当，但SBS改性沥青胶浆弹性变形较大.SBS改性剂可以降低改性沥青的流动性，提高胶浆弹性比例［20］.此外，粉胶比5.0的沥青胶浆中含有大量的自由沥青，这也让沥青胶浆的变形量增大，表现出更明显的粘弹性行为，图6b和图7b抗拉试验曲线中也证实了这一点.

在图9b单轴抗拉试验中，各个粉胶比SBS改性沥青胶浆的模量均大于普通沥青胶浆.同上文SBS改性剂对拉压强度的不均等增益效果一样，SBS改性沥青主要依靠其与沥青分子的网格结构发挥作用，在承受轴拉力时更为明显，并且会有较大的拉伸变形和较小的压缩变形［21］.

在抗拉试验中，SBS改性沥青胶浆的模量较普通沥青胶浆增加了22.6%；在抗压试验中，SBS改性沥青胶浆的模量较普通沥青胶浆增加了20.9%.由此可以看出，添加5%SBS改性剂的改性沥青可以增强沥青胶浆的弹性模量，增强了近20%.