駱建平，魏建國(guó)，楊科偉，王 彬，熊保林，徐 倩

近年來(lái)，中國(guó)的高速公路迅速發(fā)展，同時(shí)，隨著高速公路不斷向山區(qū)推進(jìn)，受山區(qū)氣候和地形復(fù)雜等自然條件制約，不可避免地出現(xiàn)較多的長(zhǎng)陡坡路段；加上燃油價(jià)格上漲等因素影響，公路運(yùn)輸成本大幅度提高，從而出現(xiàn)大量超載車(chē)輛；另外，近幾年夏季高溫情況特別突出。由于受陡坡、超載及高溫等外在因素的影響，而加快了陡坡路段瀝青混凝土路面車(chē)轍損壞等早期病害的出現(xiàn)［1－2］。國(guó)內(nèi)、外研究［3－5］表明，模量高的瀝青（高模量瀝青）勁度模量和粘度較大，可以顯著提高混合料的勁度模量。一定溫度和加載速率下，抗剪切變形能力越強(qiáng)，瀝青混合料抗車(chē)轍性能越好，路面車(chē)轍深度明顯降低，且疲勞性能比普通瀝青混合料有大幅提高。

很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)高模量瀝青進(jìn)行了研究，盧輝［3］等人比較了高模量瀝青及瀝青膠漿與SBS改性瀝青及改性瀝青膠漿的抗車(chē)轍因子等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是瀝青還是瀝青膠漿，高模量瀝青抗車(chē)轍能力與之相比都提高了2倍左右；金芳［6］對(duì)比了高模量瀝青與3.5%SBS改性瀝青的抗高溫性能，發(fā)現(xiàn)高模量瀝青老化前、后的高溫指標(biāo)都比SBS改性瀝青高得多。大多數(shù)學(xué)者的研究都集中于高模量瀝青與基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青的高溫性能的對(duì)比，而對(duì)高溫性能影響因素的研究較少。針對(duì)路面出現(xiàn)的高溫、長(zhǎng)陡坡及超載現(xiàn)象，作者擬運(yùn)用DSR來(lái)測(cè)定不同溫度、荷載頻率及應(yīng)變下高模量瀝青的抗車(chē)轍因子和中、低溫時(shí)的疲勞開(kāi)裂因子，對(duì)比基質(zhì)瀝青，分析這些因素對(duì)高模量瀝青抗車(chē)轍能力的影響及兩種瀝青的抗疲勞性能，以期驗(yàn)證高模量瀝青在高溫、低頻及重載等不利條件下具有良好的抗車(chē)轍能力，且其抗疲勞性能要優(yōu)于基質(zhì)瀝青的，可用于溫度較高、長(zhǎng)陡坡較多及行車(chē)荷載較大地區(qū)。

1 原材料

試驗(yàn)采用的兩種瀝青：“殼牌”高模量瀝青和“殼牌”70?；|(zhì)瀝青。該兩種瀝青的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

2 溫度的影響

瀝青作為一種典型的粘彈性材料，隨著溫度的變化其粘彈性勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生很大的變化。為了分析不同材料組成、不同溫度及不同狀態(tài)等因素對(duì)瀝青流變性能的影響，運(yùn)用動(dòng)態(tài)剪切流變儀來(lái)測(cè)量70＃基質(zhì)瀝青及高模量改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G＊、相位角δ及抗車(chē)轍因子G＊／sinδ，對(duì)比分析溫度對(duì)其高溫抗車(chē)轍能力的影響。兩種瀝青的G＊、δ及G＊／sinδ 與溫度的關(guān)系分別如圖1，2所示。

表1 兩種瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The results of two asphalt technical index

圖1 不同瀝青的G＊和δ與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系Fig.1 The semilog of the different asphalt G＊andδwith temperature

從圖1中可以看出：

1）無(wú)論是基質(zhì)瀝青還是高模量改性瀝青，隨著溫度的升高，復(fù)數(shù)剪切模量G＊呈下降趨勢(shì)。這是由于溫度的升高，加劇了分子鏈段的運(yùn)動(dòng)、分子間的交聯(lián)作用和分子力減弱，削弱了對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的約束，表現(xiàn)為瀝青材料的勁度不斷下降，即復(fù)數(shù)剪切模量G＊隨溫度升高而減小。該值越大，表明材 料 的 彈 性 性 能 越 好［7－8］。 采 用 經(jīng) 驗(yàn) 公 式lnG＊＝AT＋B的斜率A來(lái)反映G＊隨溫度變化的敏感程度，斜率A的絕對(duì)值越大，說(shuō)明G＊隨溫度變化衰減得越快，溫度敏感性越強(qiáng)［9］。添加高模量改性劑后，斜率A明顯變小，瀝青的溫度敏感性顯著降低，大大提高了瀝青的抗高溫剪切能力。

2）隨著溫度的升高，高模量瀝青的相位角δ要比基質(zhì)瀝青的小得多。這說(shuō)明在相同溫度條件下，高模量瀝青能夠提供的抗剪切變形的彈性成分比例要比基質(zhì)瀝青的大得多，瀝青在施加荷載后的變形更容易恢復(fù)?；|(zhì)瀝青的相位角隨著溫度的升高而增大，溫度在76℃時(shí)，相位角達(dá)到了89.2°，接近90°。這說(shuō)明基質(zhì)瀝青在較高溫度時(shí)已經(jīng)接近粘性狀態(tài)，在外力作用下的變形是不可能恢復(fù)的。高模量瀝青的相位角隨著溫度的升高而降低。在71℃時(shí)，相位角達(dá)到極值。溫度高于71℃時(shí)，相位角呈上升趨勢(shì)，但是，仍未達(dá)到60°。這說(shuō)明在較高溫度時(shí)，高模量瀝青中的彈性部分仍能發(fā)揮主導(dǎo)作用。

圖2 不同瀝青的G＊／sinδ與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系Fig.2 The semilog of the different asphalt G＊／sinδwith temperature

從圖2中可以看出：

1）兩種瀝青的抗車(chē)轍因子G＊／sinδ隨著溫度的升高都呈下降趨勢(shì)，高模量瀝青的抗車(chē)轍因子整體要比基質(zhì)瀝青的大得多。從圖2中可以看出，瀝青抗車(chē)轍因子G＊／sinδ與溫度呈良好的線(xiàn)性關(guān)系。比較它們的斜率可以發(fā)現(xiàn)，高模量瀝青的G＊／sinδ隨溫度升高的衰減程度要比基質(zhì)瀝青的慢，該變化趨勢(shì)與G＊的變化趨勢(shì)一致。這說(shuō)明高模量瀝青的溫度敏感性要弱于基質(zhì)瀝青的，在高溫下，它不易產(chǎn)生剪切變形，其混合料的抗永久變形能力更強(qiáng)。

2）隨著溫度的升高，基質(zhì)瀝青的G＊／sinδ從5.82kPa減小到0.17kPa，高模量瀝青的G＊／sinδ從15.52kPa減小到1.53kPa?！稙r青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［10］中，將瀝青混合料在60℃時(shí)的抗車(chē)轍能力作為評(píng)價(jià)混合料高溫性能的指標(biāo)。在60℃時(shí)，基質(zhì)瀝青的G＊／sinδ僅為2.5kPa，而高模量瀝青的G＊／sinδ則達(dá)到了13.0kPa，是基質(zhì)瀝青的5倍?；|(zhì)瀝青在67℃時(shí)，G＊／sinδ已接近0kPa，失去抗車(chē)轍能力。而高模量瀝青的G＊／sinδ為8kPa，仍具有很好的抗車(chē)轍能力。隨著溫度的升高，高模量瀝青在71℃時(shí)的G＊／sinδ與基質(zhì)瀝青在53℃時(shí)的G＊／sinδ相差不大。這說(shuō)明在同樣的抗車(chē)轍能力條件下，高模量瀝青的溫度可達(dá)到71℃。若基質(zhì)瀝青在53℃時(shí)不發(fā)生車(chē)轍，則高模量瀝青在71℃高溫下也不會(huì)出現(xiàn)車(chē)轍。高模量瀝青在83℃時(shí)的G＊／sinδ與基質(zhì)瀝青在60℃時(shí)的G＊／sinδ相差不大，說(shuō)明基質(zhì)瀝青在60℃時(shí)滿(mǎn)足規(guī)范要求。高模量瀝青在83℃的極端高溫下仍能滿(mǎn)足規(guī)范要求，說(shuō)明高模量瀝青具有非常顯著地高溫抗車(chē)轍能力。

3 頻率的影響

加載頻率的大小對(duì)應(yīng)的是路面行車(chē)速度的快慢。高頻代表路面行車(chē)的高速，低頻代表路面行車(chē)的慢速。通過(guò)動(dòng)態(tài)頻率掃描試驗(yàn)，可以建立起瀝青的模量－速度關(guān)系，能夠涵蓋描述瀝青路面不僅會(huì)在行車(chē)路面承受10－2s量級(jí)的瞬時(shí)車(chē)輪荷載影響，也會(huì)在道路的斜坡處可能承受數(shù)十年之久的自重蠕變荷載影響［11］。在Superpave規(guī)范中，動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR所涉及到的角頻率ω均為10rad／s，而不同的荷載作用頻率下，瀝青也會(huì)呈現(xiàn)出不同的粘彈性質(zhì)。結(jié)合路面實(shí)際情況，選取30，50和70℃3個(gè)溫度為試驗(yàn)溫度，對(duì)70?；|(zhì)瀝青和高模量改性瀝青在1～100rad／s范圍內(nèi)進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)，分析在不同頻率下，其G＊，δ及G＊／sinδ變化關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3～5所示。

圖3 不同溫度兩種瀝青的G＊隨頻率的變化Fig.3 The change of G＊of two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由圖3可知，不同溫度下兩種瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G＊隨頻率的增大而增大，兩者呈良好的線(xiàn)性關(guān)系。在此溫度范圍內(nèi)，瀝青處于粘彈性狀態(tài)，變形包括可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的粘性變形。隨著荷載作用頻率的增大，作用時(shí)間的減少，相應(yīng)的變形減小，導(dǎo)致G＊增大。由高頻到低頻過(guò)程中，在30℃條件下，基質(zhì)瀝青的G＊由1 196kPa降至43.08kPa，高模量瀝青的G＊由1 338kPa降至74.55kPa；在50℃條件下，基質(zhì)瀝青的G＊由33.64kPa降至1kPa，高模量瀝青的G＊由102 345Pa降至6 264Pa。在70℃條件下，基質(zhì)瀝青的G＊由6 483Pa降至71.35Pa，高模量瀝青的G＊由19 460Pa降至1 167Pa。由此可知，從高頻到低頻過(guò)程，高模量瀝青能顯著提高瀝青的模量，且隨著溫度的升高，這種增幅體現(xiàn)得越明顯。對(duì)比同溫度下兩種瀝青的G＊隨頻率變化的幅度發(fā)現(xiàn)，從高頻到低頻過(guò)程，基質(zhì)瀝青衰減的幅度要大于高模量瀝青的，這說(shuō)明高模量瀝青不僅能有效提高瀝青在低頻段的抗剪切變形能力，還能更好地承受行車(chē)荷載頻率變化對(duì)路面的剪切破壞。

圖4 不同溫度兩種瀝青的δ隨頻率的變化Fig.4 The change ofδof two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由圖4可知，基質(zhì)瀝青的相位角δ隨著頻率的增大而減小，高模量瀝青的相位角δ隨著頻率的增大呈增大趨勢(shì)。對(duì)于基質(zhì)瀝青，溫度越低，δ隨著頻率增大降低的幅度越大。其原因是荷載頻率越大，作用時(shí)間越短，彈性變形所需時(shí)間越短，恢復(fù)得越快，使得相位角減小。隨著溫度的升高，基質(zhì)瀝青溫度敏感性較強(qiáng)，彈性成分比例減少，減小的幅度變緩。對(duì)于高模量瀝青，在低頻段1～10rad／s時(shí)，δ隨頻率的增大而增大；在高頻段10～100rad／s時(shí)，δ的變化規(guī)律受溫度的影響，溫度在30℃時(shí)，δ隨著頻率的增大而減少，溫度大于50℃時(shí)，δ隨著頻率的增大而增大。其原因是頻率越大，荷載作用時(shí)間越短，而高模量瀝青產(chǎn)生變形所需時(shí)間較長(zhǎng)，變形來(lái)不及恢復(fù)，變形就越來(lái)越大，導(dǎo)致相位角增大。高模量瀝青在小于71℃的情況下，隨著溫度的升高，δ呈下降趨勢(shì)。由高頻到低頻過(guò)程中，在50℃時(shí)，基質(zhì)瀝青δ由81°增至88°，高模量瀝青δ由65°降至50°；在70℃時(shí)，基質(zhì)瀝青δ由86.5°增至88.5°，高模量瀝青δ由60°降至46°。由此可知，在高溫、低頻情況下，高模量瀝青能夠提高的彈性成分比例要比基質(zhì)瀝青的高得多，瀝青由于荷載產(chǎn)生的變形更容易恢復(fù)。

圖5 不同溫度兩種瀝青的G＊／sinδ隨頻率的變化Fig.5 The change of G＊／sinδof two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由圖5可知，不同溫度下，兩種瀝青抗車(chē)轍因子G＊／sinδ隨著頻率的降低而降低，兩者呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，這就是在停車(chē)場(chǎng)、急剎車(chē)處或陡坡段更容易產(chǎn)生車(chē)轍的原因。由高頻到低頻過(guò)程中，在30℃時(shí)，基質(zhì)瀝青G＊／sinδ由1 267kPa降至43kPa，高模量瀝青G＊／sinδ由1 475kPa降至84kPa；在50℃時(shí)，基質(zhì)瀝青G＊／sinδ由34kPa降至1kPa，高模量瀝青G＊／sinδ由110kPa降至8kPa；在70℃時(shí)，基質(zhì)瀝青G＊／sinδ由6.5kPa降至0.07kPa，高模量瀝青G＊／sinδ由22.4kPa降至1.6kPa。可見(jiàn)，不同溫度從高頻到低頻的過(guò)程，高模量瀝青能顯著提高瀝青的抗車(chē)轍能力，溫度越高，其增幅越大。頻率為1rad／s、溫度分別為30，50和70℃時(shí)，高模量瀝青的G＊／sinδ分別為基質(zhì)瀝青的2倍、8倍和23倍；頻率為100rad／s、溫度分別為30，50和70℃時(shí)，高模量瀝青的G＊／sinδ分別為基質(zhì)瀝青的1.2倍、3.2倍和3.4倍。同溫度下，頻率越高，G＊／sinδ的增幅越小。從高頻到低頻，基質(zhì)瀝青衰減的幅度要大于高模量瀝青的。頻率在3rad／s時(shí)，高模量瀝青70℃時(shí)的G＊／sinδ與基質(zhì)瀝青50℃的G＊／sinδ相差不大。這說(shuō)明頻率低于3rad／s時(shí)，基質(zhì)瀝青和高模量瀝青擁有相同的抗車(chē)轍能力，高模量瀝青的溫度能達(dá)到70℃甚至更高。高模量瀝青在高溫、低頻可顯著提高瀝青的抗車(chē)轍能力。

4 應(yīng)變的影響

應(yīng)變與路面實(shí)際的結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系?？刂坪脩?yīng)變，才能真實(shí)地反映路面的實(shí)際結(jié)構(gòu)。為了分析應(yīng)變對(duì)抗車(chē)轍因子G＊／sinδ的影響，測(cè)試了兩種瀝青在不同應(yīng)變條件下G＊／sinδ的變化，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖6，7所示。

圖6 50℃應(yīng)變與G＊／sinδ的關(guān)系Fig.6 The relation ship between strain and G＊／sinδat 50℃

圖7 70℃應(yīng)變與G＊／sinδ的關(guān)系Fig.7 The relation ship between strain and G＊／sinδat 70℃

由圖6可知，在50℃時(shí)，應(yīng)變對(duì)高模量瀝青的G＊／sinδ影響很

小，僅降低了0.6kPa，基質(zhì)瀝青的G＊／sinδ隨著應(yīng)變的增大由10.2kPa降至7.4kPa。這說(shuō)明隨著應(yīng)變的增加，所需的振動(dòng)應(yīng)力增大，使得基質(zhì)瀝青的變形增大，導(dǎo)致G＊／sinδ變小。高模量瀝青的G＊／sinδ隨著應(yīng)變的增加變化很小，不受影響。這說(shuō)明在50℃條件下，高模量瀝青能很好地承受較大的應(yīng)力而不發(fā)生變形，且路面抗車(chē)轍能力受行車(chē)荷載影響很小，可用于氣溫較高且行車(chē)荷載較大的地區(qū)。

由圖7可知，在70℃時(shí)，基質(zhì)瀝青的G＊／sinδ隨應(yīng)變的增大而不發(fā)生變化。其原因是：溫度在70℃時(shí)，基質(zhì)瀝青相位角已經(jīng)接近90°，瀝青已接近粘性狀態(tài)。高模量瀝青的G＊／sinδ隨著應(yīng)變的增大由5.6kPa降至3.7kPa，其原因是：在70℃高溫下，瀝青粘性成分較多，瀝青變形更容易。隨著應(yīng)變的增大，所需振動(dòng)應(yīng)力增大，導(dǎo)致變形增大，相位角增大，G＊／sinδ變小。比較兩種瀝青G＊／sinδ降低的幅度，基質(zhì)瀝青在50℃降低了2.8kPa，高模量瀝青在70℃降低了1.9kPa。這說(shuō)明高模量瀝青即使在70℃的高溫，受應(yīng)變的影響也要低于基質(zhì)瀝青的，高模量瀝青能顯著提高瀝青高溫承受荷載的能力。

5 抗疲勞開(kāi)裂性能

瀝青路面在使用期間經(jīng)受車(chē)輪荷載的反復(fù)作用，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)重復(fù)作用超過(guò)一定次數(shù)后，路面內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)超過(guò)結(jié)構(gòu)抗力，路面出現(xiàn)裂縫，隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂破壞。Superpave規(guī)范指出，在路面投入使用一段時(shí)間后，在低溫到中溫時(shí)會(huì)發(fā)生疲勞，采用疲勞開(kāi)裂因子G＊sinδ≤5 000kPa作為瀝青疲勞開(kāi)裂的控制標(biāo)準(zhǔn)。為研究高模量瀝青抗疲勞開(kāi)裂性能，采用SHRP試驗(yàn)方法，對(duì)兩種瀝青進(jìn)行RTPO／PAV老化，分析其在中、低溫條件下的流變性能，兩種瀝青的G＊、δ及G＊sinδ與溫度的關(guān)系分別如圖8，9所示。

圖8 兩種瀝青老化后，G＊和δ隨溫度的變化Fig.8 The change of G＊andδwith temperature after being aged for two kinds of asphalts

由圖8，9可知，隨著溫度的降低，兩種瀝青RTPO／PAV老化后的G＊逐漸增大，δ逐漸變小，G＊sinδ逐漸增大。這說(shuō)明瀝青的抗疲勞性能隨著溫度的降低而削弱。Superpave規(guī)范中提到理想的膠結(jié)料抗疲勞品質(zhì)應(yīng)具有像軟彈性材料的功能，能從許多次加載后恢復(fù)。為了使瀝青結(jié)合料具有良好的抗疲勞性能，期望瀝青具有較小的G＊sinδ，使路面在行車(chē)荷載作用下的變形能迅速恢復(fù)，減少路面因產(chǎn)生應(yīng)力累積而導(dǎo)致疲勞破壞。從41℃降到26℃，基質(zhì)瀝青的G＊、δ及G＊sinδ都高于高模量瀝青的，且隨著溫度的降低，兩種瀝青的δ相差越來(lái)越小，G＊相差越來(lái)越大，G＊sinδ相差越來(lái)越大。從41℃到26℃，基質(zhì)瀝青的G＊sinδ由227.2kPa升到2 276kPa，高模量瀝青的G＊sinδ由249.2kPa升到1 614kPa。對(duì)比兩種瀝青在41℃和26℃的G＊sinδ發(fā)現(xiàn)，溫度越低，G＊sinδ相差越大，基質(zhì)瀝青的G＊sinδ達(dá)到5 000kPa的速率更快、溫度更高。可見(jiàn)，在相同溫度下，高模量瀝青具有更好的抗疲勞能力；當(dāng)達(dá)到相同抗疲勞性能時(shí)，高模量瀝青的溫度更低。高模量瀝青可提高瀝青的抗疲勞性能。

圖9 兩種瀝青老化后，G＊sinδ隨溫度的變化Fig.9 The change of G＊sinδwith temperature after being aged for two kinds of asphalts

6 結(jié)論

1）隨著溫度的升高，兩種瀝青的G＊逐漸降低，基質(zhì)瀝青的δ逐漸升高，高模量瀝青的δ呈先下降后上升趨勢(shì)，G＊／sinδ逐漸降低。對(duì)比基質(zhì)瀝青，高模量瀝青的G＊和G＊／sinδ要高得多，且溫度敏感性較低，其G＊和G＊／sinδ衰減得較慢，具有相同抗車(chē)轍能力時(shí)達(dá)到的溫度更高，能顯著提高瀝青的高溫抗車(chē)轍能力。

2）兩種瀝青的G＊和G＊／sinδ都隨著頻率的降低而降低，基質(zhì)瀝青降低的幅度大于高模量瀝青的。在高溫段，基質(zhì)瀝青的δ隨著頻率的降低而增大，高模量瀝青的δ隨著頻率的降低而降低。與基質(zhì)瀝青相比，溫度越高，頻率越低，高模量瀝青的G＊／sinδ提高的幅度越大。高模量瀝青能顯著提高瀝青在高溫、低頻時(shí)的抗車(chē)轍能力。

3）50℃時(shí)，基質(zhì)瀝青的G＊／sinδ隨應(yīng)變的增大而降低，高模量瀝青的G＊／sinδ沒(méi)有變化；70℃時(shí)，基質(zhì)瀝青已接近粘性狀態(tài)，高模量瀝青的G＊／sinδ隨著應(yīng)變的增大而降低。隨著應(yīng)變的增大，高模量瀝青在70℃時(shí)降低的幅度要小于基質(zhì)瀝青在50℃降低的幅度。高模量瀝青能顯著提高瀝青在高溫、重載時(shí)的抗車(chē)轍能力。

4）在中、低溫段，隨著溫度的降低，兩種瀝青的G＊逐漸增大，δ逐漸變小，G＊sinδ逐漸增大，基質(zhì)瀝青的G＊、δ及G＊sinδ都高于高模量瀝青的，且隨著溫度的降低，G＊sinδ相差越來(lái)越大。達(dá)到相同抗疲勞性能時(shí)，高模量瀝青的溫度更低，高模量瀝青具有更好的抗疲勞性能。

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