利用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭u價瀝青自愈合性能

黃立葵，閆朝亮，宋 偉

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

疲勞開裂是瀝青路面的主要病害之一，開裂進一步發(fā)展會使路面面層出現(xiàn)松散、坑槽等病害，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞基層[1]。長壽命瀝青路面目前受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，瀝青材料的疲勞特性是制約瀝青路面長期使用性能的重要因素。1967年BAZIN等在進行瀝青混合料疲勞試驗時發(fā)現(xiàn)瀝青混合料具有自愈合的特性，這一特性引起道路工作者的廣泛關(guān)注[2]。瀝青混合料的愈合行為表現(xiàn)為材料在加載間歇期間疲勞壽命、模量等力學(xué)性能的部分恢復(fù)[3]。瀝青混合料的自愈合行為主要源于瀝青結(jié)合料的自愈合特性。SHEN等對瀝青結(jié)合料和瀝青混合料進行了疲勞損傷試驗和自愈合試驗，結(jié)果證明了這一結(jié)論的正確性[4]。

動態(tài)剪切流變儀(DSR)在研究瀝青結(jié)合料的損傷自愈合性能中得到了應(yīng)用。一些研究者采用DSR試驗研究了影響瀝青結(jié)合料自愈合性能的主要因素，提出了不同的指標(biāo)來表征瀝青的自愈合特性。羅蓉[5]等采用考慮間歇時間的動態(tài)剪切流變試驗，通過時間掃描模式研究了基質(zhì)瀝青和改性瀝青間歇期的自愈合特性對瀝青疲勞性能的影響。孫大權(quán)[6]采用動態(tài)剪切流變試驗研究了瀝青在不同粉膠比、溫度、應(yīng)力條件下，通過表象評價指標(biāo)、能量指標(biāo)評價瀝青的疲勞壽命，提出了計算瀝青疲勞壽命的模型。湯文[7]的試驗研究發(fā)現(xiàn)，間歇時間越長，瀝青的愈合效果越好，分析了當(dāng)前評價瀝青自愈合性能的主要評價方法以及瀝青在不同間歇時間和應(yīng)力條件下的愈合能力，采用自愈合率和自愈合速率評價瀝青損傷愈合能力。目前對于瀝青結(jié)合料自愈合性能的研究集中在影響瀝青結(jié)合料損傷愈合的主要因素上，如瀝青種類、愈合溫度、愈合時間等，涉及瀝青結(jié)合料自愈合性能評價方法和指標(biāo)的研究相對較少，若自愈能力評價指標(biāo)無法準(zhǔn)確表征，則相關(guān)研究會存在偏差[8]。

BHASIN等首次提出了利用DSR試驗?zāi)M裂紋表面愈合過程的雙片組測試方法[9-10]。本文嘗試采用動態(tài)剪切流變儀，進行多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(Muti-Stress Creep and Recovery，MSCR)來測試瀝青的愈合能力。MSCR試驗?zāi)軌蛴行У啬M路面受力情況，試驗采用加載1 s、卸載9 s的方式，當(dāng)停止加載后給予瀝青結(jié)合料一定的愈合時間，瀝青不能恢復(fù)的形變將累積到下一個加載、卸載環(huán)節(jié)。試驗過程能夠捕捉到瀝青自愈合的能力，MSCR試驗?zāi)軌蛴行У卦u價瀝青的自愈合性能[11]。由于試驗樣品是雙片組(3 mm+3 mm)和單片組(6 mm)，考慮到過厚的樣品難以進行高溫試驗，且瀝青混合料的疲勞損傷主要發(fā)生在常溫情況下，故采用中溫區(qū)段進行MSCR試驗和溫度掃描試驗。采用雙片組瀝青試樣模擬瀝青結(jié)合料分次灌注形成的內(nèi)部損傷及其愈合情況，與未損傷的瀝青試樣中溫MSCR試驗和溫度掃描試驗結(jié)果比較，評價瀝青結(jié)合料的愈合特性。

1 試驗

1.1 材料

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)的相關(guān)試驗方法測定了高富70#基質(zhì)瀝青的主要參數(shù)，結(jié)果見表 1。該瀝青試驗結(jié)果均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)要求。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table1 Maintechnicalindicatorsofasphalt類型針入度(25℃)/0.1mm軟化點/℃延度(15℃)/cm密度(15℃)/(g·cm-3)粘度(135℃)/(Pa·s)70#基質(zhì)瀝青77.450.0>1001.0250.4708

1.2 試驗方案

1.2.1試樣準(zhǔn)備

a.將用甘油和滑石粉制備好的隔離劑拌和均勻，涂于試樣環(huán)內(nèi)側(cè)表面和試樣板，并將試樣環(huán)放在試樣板上(見圖1)。

圖1 試樣環(huán)

b.按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)T 0602準(zhǔn)備瀝青結(jié)合料，然后將瀝青結(jié)合料緩慢均勻地倒入試樣環(huán)內(nèi)，至瀝青略高于試樣環(huán)表面為止。

c.將試樣連同試樣環(huán)在室溫冷卻30 min后，用鑷子按住試樣環(huán)，使用熱刮刀從中間向試樣環(huán)兩邊緩慢地刮除多余的瀝青，使試樣與環(huán)面齊平。

d.將試樣環(huán)連同試樣和底板一同放入冰箱冷藏30 min后，將試樣從試樣環(huán)中仔細拿出，放入室溫中恢復(fù)至常溫,見圖2。

圖2 瀝青試樣

1.2.2試驗方法

采用由Anton Paar公司研制的Physical SmartPave動態(tài)剪切流變儀，按照MSCR模式進行試驗。在測試過程中改變試驗溫度、平行板間距、愈合的間歇時間和溫度[9]，測試不同條件下的瀝青性能?？紤]到試樣制作的難度和精度，平行板尺寸選擇25 mm；控制應(yīng)力大小為0.1 Pa，以保證瀝青處于線粘彈性范圍；加載頻率為10 rad/s，對應(yīng)80 km/h的行車荷載作用；試驗溫度為25 ℃、28 ℃、31 ℃。由于試驗樣品需要修剪邊緣，所以選擇平行板間距為5、4.5、4 mm，試樣愈合時間為0、15、30 min，愈合溫度為40 ℃、46 ℃、52 ℃。

同時對各個相同條件下的試樣進行溫度掃描試驗，取γ=0.01%，ω=10 rad/s，從19 ℃掃描到31 ℃，得到同等條件下瀝青的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，以便與MSCR試驗數(shù)據(jù)進行比較，見圖3、圖4。

圖3 雙片組(3 mm+3 mm)試驗

圖4 單片組(6 mm)試驗

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗溫度的影響

保持平行板間距為5 mm，在40 ℃保溫2 min條件下將瀝青試樣固定在上下平行板上。試驗溫度為25、28、31 ℃，MSCR試驗結(jié)果見表2。

表2 不同試驗溫度條件下的試驗結(jié)果Table2 TestresultsatdifferenttesttemperaturesE6E3+3R0.1/%R3.2/%Jnr0.1/%Jnr3.2/%δ/(°)G?/MPaG?sinδ/MPa25℃48.0743.654.14.766.91.2271.12952.4947.023.64.167.61.2751.17928℃42.3035.4811.612.869.60.5560.52144.8937.6410.811.870.10.5740.54031℃35.3133.6920.721.271.50.3550.33735.4933.9020.020.472.10.3580.341

表2中，E表示由MSCR試驗和溫度掃描試驗得到的瀝青結(jié)合料力學(xué)指標(biāo)；E3+3表示雙片組瀝青試樣的結(jié)果；E6表示單片組瀝青試樣的結(jié)果；R0.1、R3.2分別表示在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下的平均恢復(fù)率；Jnr0.1、Jnr3.2分別表示在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?。進行溫度掃描時，得到指定條件下的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*和疲勞開裂因子G*sinδ。

由表2可知：當(dāng)試驗溫度升高時，R0.1、R3.2、G*、G*sinδ下降，Jnr0.1、Jnr3.2、δ上升，說明試驗溫度對恢復(fù)率和疲勞開裂因子的影響顯著；與單片組(6 mm)試樣比較，雙片組(3 mm+3 mm)試樣恢復(fù)率和復(fù)數(shù)模量都較低，應(yīng)是試樣內(nèi)部損傷所致；雙片組(3 mm+3 mm)和單片組(6 mm)試樣試驗結(jié)果的變化規(guī)律一致；MSCR試驗與溫度掃描試驗得到的數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致。

用S表示瀝青結(jié)合料的自愈合能力，定義：

(1)

其中,X表示R0.1、R3.2、G*、G*sinδ。

(2)

其中,Y表示Jnr0.1、Jnr3.2、δ。

由表2計算可得反映瀝青愈合能力的有關(guān)指標(biāo)(見表3)。

分析表3，SR0.1、SR3.2都達到了90%以上，這表明基質(zhì)瀝青的自愈合能力很強，當(dāng)試驗溫度從25 ℃升到31 ℃時，基質(zhì)瀝青的愈合效果明顯增強，當(dāng)溫度升到31 ℃，基質(zhì)瀝青的愈合程度高。Sδ基本不受試驗溫度影響，SG*和SG*sinδ均大于95%，受溫度影響區(qū)分不明顯；SR0.1、SR3.2受溫度影響較小。SJnr0.1和SJnr3.2受試驗溫度影響區(qū)分明顯，適用于瀝青愈合性能的評價。

表3 不同試驗溫度條件下各指標(biāo)所反映的瀝青愈合能力Table3 Thehealingabilityreflectedbyeachindicator試驗溫度SR0.1/%SR3.2/%SJnr0.1/%SJnr3.2/%Sδ/%SG?/%SG?sinδ/%25℃9293888799969628℃9494939299979631℃99999796999999

2.2 平行板間距的影響

在40 ℃保溫2 min條件下將瀝青試樣固定在上下平行板上。平行板間距分別為5、4.5、4 mm，保持試驗溫度均為25 ℃，MSCR試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同平行板間距條件下試驗結(jié)果Table4 TestresultsatdifferentparallelplatespacinE6E3+3R0.1/%R3.2/%Jnr0.1/%Jnr3.2/%δ/(°)G?/MPaG?sinδ/MPa5mm48.0743.654.14.766.91.2271.12952.4947.023.64.167.61.2751.1794.5mm46.7741.515.66.067.00.9300.85648.7443.815.15.467.70.9530.8824mm46.0837.656.36.667.30.7810.72047.0838.525.86.067.90.8010.742

從表4可以看出：隨著平行板間距減小，R0.1、R3.2、G*、G*sinδ下降，Jnr0.1、Jnr3.2、δ上升，整體上受平行板間距影響較小。雙片組(3 mm+3 mm)和單片組(6 mm)試樣各指標(biāo)的變化規(guī)律一致，MSCR試驗得到的數(shù)據(jù)變化規(guī)律和溫度掃描得到的一致。

表5 不同平行板間距條件下各指標(biāo)所反映的愈合能力Table5 Thehealingabilityreflectedbyeachindicator %平行板間距SR0.1SR3.2SJnr0.1SJnr3.2SδSG?SG?sinδ5mm929388879996964.5mm969591909998974mm98989291999897

分析表5可知，隨著平行板間距變小，基質(zhì)瀝青愈合效果變好，總體來說受平行板間距影響較小。

2.3 愈合時間的影響

保持平行板間距為5 mm，首先在40 ℃保溫2 min條件下將瀝青試樣固定在上下平行板上，其后保持愈合時間為0、15、30 min，試驗溫度均為25 ℃，得到試驗數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同愈合時間條件下試驗結(jié)果Table6 TestresultsatdifferenthealingtimesE6E3+3R0.1/%R3.2/%Jnr0.1/%Jnr3.2/%δ/(°)G?/MPaG?sinδ/MPa0min48.0743.654.14.766.91.2271.12952.4947.023.64.167.61.2751.17915min44.0043.455.05.667.60.8850.81845.4545.714.65.167.90.9090.84230min37.6043.225.35.967.90.8180.75838.0944.625.25.768.20.8430.783

從表6可以看出：隨著愈合時間逐漸延長，R0.1、R3.2、G*、G*sinδ下降，Jnr0.1、Jnr3.2、δ上升，蠕變恢復(fù)率、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?fù)數(shù)模量和疲勞開裂因子受愈合時間的影響較大。雙片組(3 mm+3 mm)和單片組(6 mm)試樣各指標(biāo)的變化規(guī)律一致，MSCR試驗得到的數(shù)據(jù)變化規(guī)律和溫度掃描得到的一致。

分析表7可知，MSCR試驗中反映的基質(zhì)瀝青愈合程度受愈合時間影響較大，而溫度掃描試驗得到的指標(biāo)對愈合時間區(qū)分不敏感。

表7 不同愈合時間條件下各指標(biāo)所反映的愈合能力Table7 Thehealingabilityreflectedbyeachindicator %愈合時間SR0.1SR3.2SJnr0.1SJnr3.2SδSG?SG?sinδ0min9293888799969615min97959291100979730min999798971009797

2.4 愈合溫度的影響

保持平行板間距為5 mm，分別在40 ℃、46 ℃、52 ℃保溫2 min條件下將瀝青試樣固定在上下平行板上，試驗溫度均為25 ℃，得到試驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 不同愈合溫度條件下試驗結(jié)果Table8 TestresultsatdifferenthealingtemperaturesE6E3+3R0.1/%R3.2/%Jnr0.1/%Jnr3.2/%δ/(°)G?/MPaG?sinδ/MPa40℃48.0743.654.14.766.91.2271.12952.4947.023.64.167.61.2751.17946℃43.0537.175.05.867.71.0360.95945.1638.524.75.467.91.0670.98952℃41.6236.845.78.168.40.8560.79642.7738.415.67.868.70.8810.821

從表8可以看出：當(dāng)愈合溫度升高時，R0.1、R3.2、G*、G*sinδ下降，Jnr0.1、Jnr3.2、δ上升，考慮到只保溫了2 min各數(shù)據(jù)指標(biāo)明顯出現(xiàn)變化，說明愈合溫度對于基質(zhì)瀝青的愈合程度影響很大。雙片組(3 mm+3 mm)和單片組(6 mm)試樣各指標(biāo)的變化規(guī)律一致，MSCR試驗得到的數(shù)據(jù)變化規(guī)律和溫度掃描得到的一致。

根據(jù)表8數(shù)據(jù)計算得到的愈合率見表9，可見隨著愈合溫度的上升，各指標(biāo)所反映的愈合率都有提升。MSCR試驗得到的指標(biāo)區(qū)分明顯，而溫度掃描試驗指標(biāo)對不同愈合溫度的區(qū)分不明顯。

表9 不同愈合溫度條件下各指標(biāo)所反映的愈合能力Table9 Thehealingabilityreflectedbyeachindicator %愈合溫度SR0.1SR3.2SJnr0.1SJnr3.2SδSG?SG?sinδ40℃9293888799969646℃95969493100979752℃979698961009797

3 結(jié)論

a.同單片組(6 mm)試樣的試驗結(jié)果比較，雙片組(3 mm+3 mm)試樣的蠕變恢復(fù)率、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?fù)數(shù)模量和疲勞開裂因子均存在差別，試驗結(jié)果能夠反映瀝青試樣損傷的影響。

b.由MSCR試驗得到的反映瀝青愈合能力的指標(biāo)與DSR溫度掃描試驗得到的反映瀝青抗疲勞性能的指標(biāo)存在相關(guān)性。

c.基于MSCR試驗的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐笜?biāo)，能夠明顯地區(qū)分瀝青在不同的試驗條件下的愈合性能，是一種評價瀝青愈合性能的合適指標(biāo)。建議試驗溫度為25 ℃，平行板間距為5 mm，以40 ℃保溫2 min條件下的單片組(6 mm)與雙片組(3 mm+3 mm)試樣不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐茸鳛樵u價瀝青愈合能力的新指標(biāo)。