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        基于簡化能量耗散率的巖瀝青改性瀝青疲勞性能

        2015-11-28 08:40:46林發(fā)金劉黎萍
        建筑材料學(xué)報(bào) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:壽命基質(zhì)次數(shù)

        王 明,林發(fā)金,劉黎萍

        (1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804;2.福建省泉州市公路局,福建 泉州 362000)

        與SBS等聚合物改性劑相比,天然布敦巖瀝青(BRA)與基質(zhì)瀝青相容性好,性能更加穩(wěn)定,而且成本較低,是一種很好的天然改性劑.BRA可增加瀝青和集料之間的黏附力,再加上其獨(dú)有的抗老化能力強(qiáng)、耐候性好等特點(diǎn),常被稱為瀝青“活性劑”[1-2].但是,BRA中灰分等顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高達(dá)75%左右,且瀝青組分與灰分等顆粒相互包裹,是一種微觀相態(tài)極其復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)[2].

        目前,有關(guān)BRA 改善瀝青混合料高低溫及疲勞性能的研究較多,普遍認(rèn)為BRA 可以很好改善瀝青混合料的高溫、疲勞性能,降低其低溫性能.杜少文[3]的研究表明,BRA 不僅可以改善瀝青混合料的疲勞性能,其性能甚至優(yōu)于SBS改性瀝青.但是,對(duì)于BRA 中瀝青組分對(duì)基質(zhì)瀝青疲勞性能影響的研究還未見報(bào)道.本文的主要目的是評(píng)價(jià)BRA 中瀝青組分的天然特性及其對(duì)基質(zhì)瀝青疲勞性能的影響,確定巖瀝青在瀝青混合料中的最佳摻量,以期為研究SBS復(fù)合改性瀝青技術(shù),推廣巖瀝青路面應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

        1 試驗(yàn)

        1.1 原材料

        基質(zhì)瀝青選用殼牌70#道路石油瀝青,其技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求;改性劑選用BRA,黑色顆粒,其性能指標(biāo)見表1.

        表1 BRA的性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of BRA

        1.2 純巖瀝青組分的抽提

        采用瀝青旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器分離三氯乙烯和BRA 中瀝青組分的混合液,得到較為純凈的巖瀝青組分,其25℃針入度為13(0.1mm),軟化點(diǎn)為83℃.

        1.3 純巖瀝青摻量的確定

        依據(jù)文獻(xiàn)[4]推薦的天然巖瀝青改性劑添加量,通過外摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,15%,20%的純巖瀝青(編號(hào)為A-10,B-15,C-20)進(jìn)行瀝青改性.

        1.4 疲勞試驗(yàn)方法

        試樣經(jīng)過RTFOT 老化,直徑為8mm,厚度為2mm.利用美國TA 公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀,通過“時(shí)間-掃描”試驗(yàn),循環(huán)施加動(dòng)態(tài)剪切作用力,直至試件疲勞破壞.試驗(yàn)條件:溫度20 ℃,頻率10Hz;應(yīng)力水平為0.35,0.40,0.45,0.50 MPa;應(yīng)變水平為2.0%,2.5%,3.0%,3.5%.

        2 疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

        關(guān)于瀝青膠結(jié)料疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),最常用的是G*50(試樣復(fù)數(shù)剪切模量衰減至初始值50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載作用次數(shù))及SHRP 規(guī)范中的G*sinδ(此數(shù)值越小,疲勞壽命越好),其次是DER,ER,RDR,δ 等[5-8],其中RDR(簡化能量耗散率,即復(fù)數(shù)剪切模量和加載次數(shù)的乘積)與瀝青混合料疲勞性能有很大的相關(guān)性.本文采用G*50和RDR 對(duì)巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命N 進(jìn)行評(píng)價(jià).

        2.1 應(yīng)力控制模式試驗(yàn)結(jié)果

        在應(yīng)力(0.4MPa)控制模式下,G*與荷載作用次數(shù)的關(guān)系如圖1所示,RDR 與荷載作用次數(shù)的關(guān)系如圖2所示,采用G*50和RDR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的試樣疲勞壽命(N)如表2所示.

        圖1 G*與荷載作用次數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relation between complex shear modulus and number of load

        由圖1,2可見,在應(yīng)力控制模式下,無論采用哪種評(píng)價(jià)指標(biāo),試樣的疲勞壽命大小順序均為:C-20>B-15>A-10>基質(zhì)瀝青,即不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的試驗(yàn)結(jié)果一致.同時(shí),由表2可見,采用G*50作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),純巖瀝青摻量為10%的改性瀝青疲勞壽命由基質(zhì)瀝青的13 598次提高到52 188次,提高近3.8倍;純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青,疲勞壽命提高了9.5倍;采用RDR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),純巖瀝青摻量為10%的改性瀝青疲勞壽命由基質(zhì)瀝青的11 998次提高到40 028次,提高近3.4倍;純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青,疲勞壽命提高了8.5倍.

        圖2 RDR 與荷載作用次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relation between reduced dissipated energy ratio and number of load

        表2 應(yīng)力控制模式下試樣的疲勞壽命Table 2 Asphalt fatigue life in stress control mode times

        上述結(jié)果表明,在應(yīng)力控制模式下,巖瀝青的摻入提高了改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量,使其疲勞性能明顯改善,并且隨著純巖瀝青摻量的增加,疲勞壽命逐漸提高.

        2.2 應(yīng)變控制模式試驗(yàn)結(jié)果

        在應(yīng)變(2%)控制模式下,G*與荷載作用次數(shù)的關(guān)系如圖3所示,RDR 與荷載作用次數(shù)的關(guān)系如圖4所示,采用G*50和RDR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的疲勞壽命如表3所示.

        圖3 G*與荷載作用次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relation between complex shear modulus and number of load

        圖4 RDR 與荷載作用次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relation between reduced dissipated energy ratio and number of load

        表3 應(yīng)變控制模式下試樣的疲勞壽命Table 3 Asphalt fatigue life in strain control mode times

        由圖3,4 可見,在應(yīng)變控制模式下,無論是用G*50作為評(píng)價(jià)指標(biāo),還是用RDR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo),隨著純巖瀝青摻量的增加,改性瀝青的疲勞壽命先增大后減小,疲勞壽命的大小順序均為:B-15>A-10>基質(zhì)瀝青>C-20.這說明,在應(yīng)變控制模式下,純巖瀝青摻量存在最佳值.由表3可見,純巖瀝青摻量為10%,15%時(shí),改性瀝青的疲勞壽命提高近1.4倍.但是,純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青其疲勞壽命卻遠(yuǎn)低于基質(zhì)瀝青.因此,在應(yīng)變控制模式下,純巖瀝青摻量不宜大于15%.

        由以上分析可知,巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命依賴于加載模式,相同純巖瀝青摻量的改性瀝青,在不同的加載模式下,其疲勞壽命改善程度的量化不同,甚至?xí)玫较喾吹脑囼?yàn)結(jié)果.但是,在相同的加載模式下,采用G*50和RDR 來比較不同純巖瀝青摻量改性瀝青的疲勞壽命時(shí),其結(jié)果一致.相對(duì)而言,RDR 評(píng)價(jià)指標(biāo)由于反彎點(diǎn)的存在,疲勞壽命容易求得.因此,本文為簡化試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算分析,選擇RDR 來評(píng)價(jià)疲勞壽命.

        3 不同應(yīng)力、應(yīng)變水平的疲勞性能研究

        3.1 不同應(yīng)力水平的疲勞性能

        不同應(yīng)力水平的疲勞壽命方程擬合曲線如圖5所示,疲勞壽命方程擬合參數(shù)如表4所示.

        由圖5可見,在不同應(yīng)力水平對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下,疲勞壽命和應(yīng)力水平近似線性關(guān)系,R2大于0.900 0.同時(shí),由表5可見,隨著純巖瀝青摻量的增加,k 值和b 值逐漸增大,前者說明疲勞耐久性越來越好,后者說明對(duì)應(yīng)力水平的變化較為敏感.當(dāng)純巖瀝青摻量為10%和15%時(shí),b 值相差不大,并且均小于基質(zhì)瀝青的b值,而當(dāng)純巖瀝青摻量為20%時(shí),b值顯著增大.這說明,過大的純巖瀝青摻量會(huì)提高改性瀝青對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度.因此,在工程實(shí)際應(yīng)用中,純巖瀝青摻量應(yīng)控制在15%以內(nèi).

        圖5 疲勞壽命方程擬合曲線Fig.5 Fitting curve of fatigue equation

        表4 疲勞壽命方程擬合參數(shù)Table 4 Fitting results of fatigue equation parameters

        3.2 不同應(yīng)變水平的疲勞性能

        不同應(yīng)變水平的疲勞壽命方程擬合曲線如圖6所示.

        圖6 疲勞壽命方程擬合曲線Fig.6 Fitting curve of fatigue equation

        由圖6可見,疲勞壽命和應(yīng)變水平的線性關(guān)系不明顯,而且,從圖中各直線斜率來看,巖瀝青改性瀝青的直線斜率均大于基質(zhì)瀝青,表明在應(yīng)變控制模式下,巖瀝青降低了基質(zhì)瀝青的抗變形能力,提高了基質(zhì)瀝青對(duì)應(yīng)變水平的敏感程度.純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青,其直線斜率顯著增大,表明巖瀝青的摻入明顯提高了基質(zhì)瀝青對(duì)應(yīng)變水平的敏感程度,即過大的純巖瀝青摻量可降低基質(zhì)瀝青的疲勞壽命.

        4 結(jié)論

        (1)可采用“時(shí)間-掃描”試驗(yàn)來評(píng)價(jià)巖瀝青改性瀝青的疲勞性能,為了避免灰分等顆粒導(dǎo)致的“假性疲勞”現(xiàn)象的產(chǎn)生,要求改性劑必須是經(jīng)過抽提的純巖瀝青組分.

        (2)無論是應(yīng)力控制模式還是應(yīng)變控制模式,RDR 均能方便確定巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命,并且評(píng)價(jià)結(jié)果與G*50 的評(píng)價(jià)結(jié)果一致,因此,RDR適合于評(píng)價(jià)巖瀝青改性瀝青的疲勞性能.

        (3)在應(yīng)力控制模式下,純巖瀝青摻量的增加可明顯改善瀝青膠結(jié)料的疲勞性能,但是,當(dāng)純巖瀝青摻量大于15%時(shí),會(huì)提高改性瀝青對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度;在應(yīng)變控制模式下,當(dāng)純巖瀝青摻量小于15%時(shí),可以改善瀝青膠結(jié)料的疲勞性能,然而,當(dāng)純巖瀝青摻量大于15%時(shí),改性瀝青的疲勞性能開始變差;當(dāng)純巖瀝青摻量為20%時(shí),改性瀝青的疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青.

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