利用動態(tài)模量主曲線研究瀝青混合料水穩(wěn)定性*

陳 輝 劉涵奇 羅 蓉 呂慧杰 馮光樂

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2) 武漢 430014)

利用動態(tài)模量主曲線研究瀝青混合料水穩(wěn)定性*

陳 輝1)劉涵奇1)羅 蓉1)呂慧杰1)馮光樂2)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2)武漢 430014)

針對目前國內(nèi)評價瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗方法存在的試件個體差異性明顯以及試驗溫度條件單一等不足，利用動態(tài)模量主曲線對評價方法進行改進.采用2種瀝青混合料進行單軸壓縮動態(tài)模量試驗，隨后將其凍融循環(huán)并再次進行試驗，繪制凍融前后動態(tài)模量主曲線.提出動態(tài)模量比的概念，并計算各頻率下的動態(tài)模量比.結(jié)果表明，70#基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性隨頻率增大而明顯增強并逐漸接近SBS改性瀝青混合料，并且水損害對兩種瀝青混合料低頻時(或高溫時)的粘彈性質(zhì)影響均更為顯著.

瀝青混合料；動態(tài)模量；動態(tài)模量主曲線；凍融循環(huán)；水穩(wěn)定性

0 引 言

瀝青路面的水損害可以定義為水進入瀝青路面與瀝青材料(瀝青、瀝青混合料)發(fā)生相互作用，削弱瀝青材料的力學(xué)性質(zhì)，從而降低瀝青路面的服務(wù)品質(zhì)[1-2]，因此，評價瀝青混合料水穩(wěn)定性對預(yù)防瀝青路面水損害具有十分重要的意義.目前，國內(nèi)評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗方法均是在實驗室條件下采用特定方式模擬水侵蝕對瀝青混合料造成的損害，如浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和浸水車轍試驗，并采用物理力學(xué)指標作為判別標準，如殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比和動穩(wěn)定度，評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性[3].

其中，浸水馬歇爾試驗采用浸水48 h后的條件試件與浸水30～40 min后標準試件的穩(wěn)定度比值，即殘留穩(wěn)定度MS0作為評價指標；凍融劈裂試驗采用凍融循環(huán)后的試件與未凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強度比值，即凍融劈裂強度比TSR作為評價指標；浸水車轍試驗則采用條件試件與標準試件的最大車轍變形的對比關(guān)系作為評價指標.浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗出自我國現(xiàn)行試驗規(guī)程，是常用的評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法,而浸水車轍試驗方法處于正在探索的階段，具體試驗方法規(guī)程尚未統(tǒng)一，目前也無一致的評價指標[4].

以上試驗方法用于評價水穩(wěn)定性主要存在以下三方面的不足：①殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比和動穩(wěn)定度等物理力學(xué)指標均是評價瀝青混合料承受單次荷載的能力，不等同于實際路面中瀝青混合料承受車輛動態(tài)重復(fù)荷載的能力；②三種試驗方法均是在某一指定溫度下進行，不能表征瀝青混合料力學(xué)性質(zhì)的溫度相關(guān)性；③試驗方法均是通過兩組平行試件測定其分別在無水損害條件和遭受水損害條件下的力學(xué)指標,并作對比來評價水穩(wěn)定性，忽略了試件的個體差異性，因此,有可能出現(xiàn)殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比和最大車轍變形比超過100%的情形.

因此，本文將利用材料試驗機對經(jīng)受凍融循環(huán)前后的同一個瀝青混合料試件進行單軸壓縮動態(tài)荷載試驗，用于模擬瀝青混合料在實際路面的服役情況，并分析遭受水損害前后的力學(xué)性質(zhì)變化情況.動態(tài)模量試驗是在多種溫度和多種頻率耦合的試驗條件下進行，用于研究瀝青混合料試件的時間溫度相關(guān)性的試驗方法.在得到凍融前后瀝青混合料試件在不同溫度和頻率下的動態(tài)模量數(shù)據(jù)后，根據(jù)時間-溫度等效原理繪制動態(tài)模量主曲線，通過對比瀝青混合料凍融前后的動態(tài)模量主曲線，評價瀝青混合料在不同溫度下的水穩(wěn)定性.該試驗方法與上述方法相比，雖均利用瀝青混合料遭受水損害前后的力學(xué)指標分析其水穩(wěn)定性，但由于測試的是同一個瀝青混合料試件的力學(xué)性質(zhì)變化，能夠避免試件差異性造成的試驗誤差，同時也能分析各種溫度和加載頻率下水損害前后瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律.

1 動態(tài)模量主曲線

1.1 時間-溫度等效原理

瀝青混合料作為一種典型的粘彈性材料，其力學(xué)性質(zhì)與溫度、加載頻率相關(guān)，通常采用動態(tài)模量表征瀝青混合料的頻率、溫度相關(guān)性.繪制瀝青混合料動態(tài)模量主曲線的前提是測得部分溫度和頻率條件下的動態(tài)模量，而理論依據(jù)則是時間-溫度等效原理.時間-溫度等效原理為：對于熱流變簡單材料，如處于線性粘彈性階段的瀝青混合料，以試驗溫度和參考溫度的力學(xué)性質(zhì)做對比，當試驗溫度低于參考溫度時，該試驗溫度對參考溫度下該材料力學(xué)性質(zhì)的影響相當于在參考溫度下增大試驗頻率；當試驗溫度高于參考溫度時，該試驗溫度對參考溫度下該材料力學(xué)性質(zhì)的影響相當于在參考溫度下降低試驗頻率[5-6].

運用時溫等效原理的關(guān)鍵在于如何準確地將各溫度、頻率下的動態(tài)模量平移至參考溫度，即確定各溫度的動態(tài)模量曲線平移至參考溫度位置的平移距離.該距離稱為各溫度相對于參考溫度的移位因子.將原頻率處的動態(tài)模量平移至參考溫度下對應(yīng)的頻率即為縮減頻率fr.其中縮減頻率和平移因子之間的關(guān)系為

fr=f·αT

(1)

式中：f為試驗的加載頻率，Hz；fr為對應(yīng)的參考溫度下的縮減頻率，Hz；αT為平移因子.

對于瀝青混合料，存在多種模型確定移位因子，其中常用的有阿列紐斯方程(Arrhenius)、威廉姆斯-蘭德爾-費里方程(Williams-Landel-Ferry，W.L.F方程)、對數(shù)線性方程(log-linear)等[7-8].試驗采用W.L.F方程計算移位因子，即

(2)

式中：C1，C2為由擬合確定的材料常數(shù)；T為試驗溫度，℃；T0為參考溫度，℃.

1.2 動態(tài)模量主曲線擬合模型

建立動態(tài)模量主曲線時，通過試驗計算出瀝青混合料試件在不同溫度和頻率下的動態(tài)模量值，選定參考溫度，利用時間-溫度等效原理將試驗溫度下的頻率依據(jù)相應(yīng)的移位因子換算成對應(yīng)參考溫度下的頻率，并依托擬合模型將測得試驗數(shù)據(jù)進行擬合優(yōu)化，形成一條平滑的曲線，即動態(tài)模量主曲線[9].

關(guān)于動態(tài)模量主曲線的擬合模型，目前國內(nèi)普遍采用的是西格摩德模型(Sigmoidal)[10]，該模型只適用于采集點關(guān)于轉(zhuǎn)折點對稱的情況，擬合得到的主曲線形狀是對稱的.而當采集點并不關(guān)于轉(zhuǎn)折點對稱時，擬合得到的曲線與實際測量結(jié)果存在偏差，尤其在曲線的上、下兩端會出現(xiàn)明顯的偏離，因此，為了避免出現(xiàn)這種情況，文中采用廣義西格摩德模型(generalized logistic Sigmoidal)[11]，該模型在西格摩德模型基礎(chǔ)上進行了修正，模型公式為

(3)

式中：E(fr)為動態(tài)模量，MPa；fr為在參考溫度下的縮減頻率，Hz；δ為較低漸近線值，MPa；α為較高漸近線值與較低漸近線值得差值，MPa；β和γ為形狀系數(shù)；λ為用來考慮西格摩德模型中非對稱性效應(yīng)的系數(shù).

2 試驗方案

2.1 試驗材料和試件成型

試驗采用輝綠巖作為集料，瀝青為70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，各材料性能均滿足規(guī)范要求.選用AC-13C級配制備瀝青混合料試件，通過馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.3%，具體礦料級配見表1.

按照AASHTO規(guī)范要求，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型直徑150 mm、高度170 mm的圓柱形試件，再經(jīng)鉆心機和切割鋸鉆心切割后獲得尺寸為直徑100 mm、高度150 mm的試件.試件空隙率應(yīng)保證控制在4.0%±0.5%范圍內(nèi).同時，為了避免試驗的偶然性，各采用2個基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料試件進行平行試驗.

表1 瀝青混合料級配組成

2.2 試驗步驟

試驗采用MTS并參照美國AASHTO TP62-07規(guī)范完成.試驗溫度分別為-10,4.4,21.1,37.8和54.4 ℃；加載頻率分別為0.1,0.5,1,5,10,25 Hz；施加荷載控制應(yīng)變在(50～100)×10-6之間從而保證試驗為無損試驗；試驗加載波形為半正矢波并且按照從低溫到高溫、高頻到低頻的順序進行，具體試驗步驟如下.

1) 分別對4個試件進行指定溫度和頻率下的單軸壓縮動態(tài)模量試驗.

2) 待動態(tài)模量試驗完成后，按照規(guī)范要求依次將4個試件進行凍融循環(huán)處理.

3) 凍融循環(huán)結(jié)束后，取出4個試件放在室溫條件下干燥.接著對凍融循環(huán)后的試件再次進行單軸壓縮動態(tài)模量試驗.

3 試驗結(jié)果及分析

在動態(tài)模量試驗中，動態(tài)模量定義為應(yīng)力振幅與應(yīng)變振幅的比值，即

(4)

完成凍融前后的單軸壓縮動態(tài)模量試驗后，通過數(shù)據(jù)處理計算得到的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青瀝青混合料凍融前后的動態(tài)模量.兩種瀝青混合料凍融前后動態(tài)模量隨溫度和頻率的變化曲線見圖1～2.

圖1 基質(zhì)瀝青混合料凍融前后動態(tài)模量隨溫度和頻率的變化曲線

圖2 SBS改性瀝青混合料凍融前后動態(tài)模量隨溫度和頻率的變化曲線

為避免個別試件偶然性對試驗結(jié)論造成影響，以上所有試驗數(shù)據(jù)均取平行試驗的兩個試件動態(tài)模量平均值，且保證兩試件數(shù)據(jù)相差不大.據(jù)試驗數(shù)據(jù)顯示，存在多種因素影響動態(tài)模量，包括試驗條件(溫度和頻率)、瀝青類型,以及水損害的影響，具體影響分析如下.

3.1 試驗條件對動態(tài)模量的影響

從動態(tài)模量計算結(jié)果中分析得出瀝青混合料的動態(tài)模量總是隨著溫度的升高和頻率的升高而降低，表明瀝青混合料這種粘彈性材料，其動態(tài)模量與溫度和頻率相關(guān).同時，這也解釋了規(guī)范要求動態(tài)模量試驗遵循從低溫到高溫、高頻到低頻的順序進行的原因，是因為以此順序進行試驗時試件所承受荷載總是由大到小，從而保證試件不易產(chǎn)生破壞以及試驗?zāi)馨踩樌瓿?

3.2 瀝青類型對動態(tài)模量的影響

將基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青各個溫度、頻率下的動態(tài)模量值進行對比發(fā)現(xiàn)，與基質(zhì)瀝青制備的瀝青混合料相比，無論在何種溫度和頻率條件下，SBS改性瀝青制備的瀝青混合料試件動態(tài)模量更高，說明SBS改性瀝青力學(xué)性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青.換而言之，在級配相同的情況下，SBS改性瀝青制備的瀝青混合料表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青瀝青混合料.

3.3 水損害對動態(tài)模量的影響

從凍融前后21.1 ℃條件下的數(shù)據(jù)來看，不論是基質(zhì)瀝青混合料還是SBS改性瀝青混合料，各頻率的動態(tài)模量均出現(xiàn)減小的趨勢.這是因為經(jīng)歷凍融循環(huán)后，水分逐步侵入到瀝青和集料界面上，由于水動力的作用，瀝青膜漸漸地從集料表面剝離，導(dǎo)致集料之間的粘結(jié)力喪失而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致瀝青混合料強度降低[12],因此，瀝青混合料遭受水損害后動態(tài)模量減小.另一方面，通過對比SBS改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料在該溫度下凍融前后的動態(tài)模量下降幅度后發(fā)現(xiàn)，水損害對改性瀝青混合料動態(tài)模量的影響并沒有基質(zhì)瀝青混合料顯著，對此結(jié)論是否成立待進一步驗證，同時水損害是否存在其他影響也待進一步分析討論.

4 瀝青混合料水穩(wěn)定性

試驗方法參考凍融劈裂試驗?zāi)M水損害的方法對瀝青混合料進行凍融循環(huán)[13]，然后對試件進行單軸壓縮動態(tài)模量試驗測定動態(tài)模量并繪制動態(tài)模量主曲線，通過對比凍融前后的動態(tài)模量主曲線評價水穩(wěn)定性.

4.1 凍融前后動態(tài)模量主曲線

試驗將以21.1 ℃為參考溫度繪制動態(tài)模量主曲線，對模型參數(shù)規(guī)劃求解并采用判定系數(shù)R2判斷廣義西格摩德模型的擬合優(yōu)度.其中兩種瀝青混合料凍融前的動態(tài)模量主曲線分別見圖3～4.

采用相同方法繪制經(jīng)凍融循環(huán)后的動態(tài)模量主曲線，其擬合參數(shù)匯總見表2.兩種瀝青混合料凍融前后的動態(tài)模量主曲線匯總圖分別見圖5～6.

圖3 基質(zhì)瀝青混合料凍融前動態(tài)模量主曲線

圖4 SBS改性瀝青混合料凍融前動態(tài)模量主曲線

建立的兩種瀝青混合料動態(tài)模量主曲線擬合度較高，可準確反映出該瀝青混合料試件的粘彈性質(zhì).

表2 動態(tài)模量主曲線擬合參數(shù)匯總

圖5 基質(zhì)瀝青混合料凍融前后動態(tài)模量主曲線

圖6 SBS改性瀝青混合料凍融前后動態(tài)模量主曲線

對比兩種瀝青混合料凍融前后的動態(tài)模量主曲線，發(fā)現(xiàn)凍融前后的動態(tài)模量隨著縮減頻率的變化存在差異性，甚至混合料類型不同，動態(tài)模量變化也不盡相同，因此通過建立凍融前后的數(shù)值對比關(guān)系反映其變化規(guī)律.

4.2 動態(tài)模量比

參照殘留穩(wěn)定度以及凍融劈裂強度比[14-15]，提出動態(tài)模量比的概念，即凍融后的動態(tài)模量與凍融前的動態(tài)模量的比值.

(5)

計算參考溫度下不同頻率凍融前后的動態(tài)模量比.同時，研究表明在10-3～102s范圍內(nèi)的動態(tài)模量主曲線足以反應(yīng)瀝青路面在大多數(shù)車輛荷載以及溫度條件下的服役情況[16].根據(jù)Schapery提出的頻率域內(nèi)角頻率與時間域內(nèi)時間的近似轉(zhuǎn)換公式ω=1/2t，10-3～102s對應(yīng)的角頻率范圍為0.005～500 rad/s，再換算成頻率為8×10-4～80 Hz，因此，選取8×10-4～80 Hz頻率區(qū)間的11個點的動態(tài)模量比匯總見表3.

由表3可知，在各個頻率下SBS改性瀝青混合料的凍融前后動態(tài)模量比均大于70#基質(zhì)瀝青混合料，說明經(jīng)過凍融循環(huán)后的SBS改性瀝青混合料動態(tài)模量下降幅度低于基質(zhì)瀝青混合料，反映出SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定性強于基質(zhì)瀝青.進一步將兩種瀝青混合料的動態(tài)模量比隨縮減頻率變化趨勢繪制成圖，見圖7.由圖7可知，基質(zhì)瀝青混合料的動態(tài)模量比隨著縮減頻率的增大而迅速增大并逐漸接近SBS改性瀝青混合料，說明在高頻條件下基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性也不遜色.對于車輛荷載頻率較高路段而言，考慮到水穩(wěn)定性問題時，采用基質(zhì)瀝青混合料也能滿足要求，經(jīng)濟效益也更優(yōu).

表3 凍融前后不同頻率下動態(tài)模量比

圖7 兩種瀝青混合料動態(tài)模量比隨縮減頻率變化趨勢

此外，隨著頻率的增大，兩種瀝青混合料的凍融前后動態(tài)模量比均呈現(xiàn)增大趨勢.由此說明經(jīng)過凍融循環(huán)后，不管是基質(zhì)瀝青混合料還是SBS改性瀝青混合料，當處于較低頻率段(或高溫段)的動態(tài)模量急劇下降，而在較高頻率段(或低溫段)動態(tài)模量則變化不顯著.這說明凍融循環(huán)帶來的水損害對瀝青混合料低頻時(或高溫時)的粘彈性質(zhì)影響更為顯著，原因分析可能是瀝青混合料經(jīng)過凍融循環(huán)后，結(jié)構(gòu)雖發(fā)生破壞，但瀝青并沒有老化，在低溫條件下，瀝青粘度非常大且粘度變化較小，此時瀝青較集料骨架來說對混合料的強度貢獻更大，因此凍融前后強度變化小.對應(yīng)于實際交通路況，瀝青混合料的水穩(wěn)定性亦不是一成不變的，水損害對瀝青路面強度的破壞影響在高溫條件或者低加載頻率條件下更加惡劣，在道路設(shè)計時應(yīng)更加關(guān)注該種條件下瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)變化.

5 結(jié) 論

1) 瀝青混合料的動態(tài)模量總是隨著溫度的升高而減小，隨著頻率的升高而降低，并且溫度和頻率不同時動態(tài)模量變化顯著.并且在級配相同的情況下，SBS改性瀝青瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青瀝青混合料.

2) 凍融循環(huán)后的水損害現(xiàn)象對SBS改性瀝青混合料在各種溫度和頻率條件下造成的影響均小于基質(zhì)瀝青混合料，即SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定性全面優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，但基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性隨著頻率的升高而顯著增強，結(jié)合實際工程環(huán)境條件合理選擇瀝青混合料類型.

3) 兩種瀝青混合料經(jīng)過凍融循環(huán)后動態(tài)模量比隨著頻率的升高(或者溫度的降低)而增大，因此水損害對瀝青混合料低頻時(或高溫時)的粘彈性質(zhì)影響更為明顯，因此在實際工程中分析瀝青混合料水穩(wěn)定性時應(yīng)更加關(guān)注其在低頻荷載作用或高溫環(huán)境作用下的力學(xué)性質(zhì)變化.

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Research of Water Stability in Asphalt Mixture with Dynamic Modulus Master Curve

CHEN Hui1)LIU Hanqi1)LUO Rong1)LYU Huijie1)FENG Guangle2)

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(Engineering Quality Supervision Bureau, Transportation Department of Hubei Province, Wuhan 430014, China)2)

Targeting at that the current moisture stability test methods of asphalt mixtures have deficiencies such as the significant specimen-to-specimen variability and single test temperature condition, the dynamic modulus master curve is employed to improve the evaluation methods. Uniaxial dynamic modulus tests are performed on two types of asphalt mixtures including 70# asphalt and SBS modified asphalt before and after the freeze-thaw cycles, the results of which are used to calculate the dynamic modulus and to further determine the dynamic modulus master curve. The concept of dynamic modulus ratio is proposed and the dynamic modulus ratio at each frequency is calculated. The results indicate that the moisture stability of asphalt mixture increases significantly with the frequency and gradually approaches to that of SBS modified asphalt mixture. Besides, the moisture damage is found to have a more pronounced impact on the viscoelastic properties of asphalt mixture at low frequencies or under high temperature.

asphalt mixture; dynamic modulus; dynamic modulus master curve; freeze-thaw cycles; water stability

2017-03-02

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)青年科學(xué)家專題項目資助(2015CB060100)

U416.217

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.029

陳輝(1994—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域為路面材料、道路與橋梁工程