馮振剛， 孫安石， 張東陽(yáng)， 李新軍， 栗培龍

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507)

0 引言

廢橡膠裂解炭黑(PCB)是廢舊橡膠在高溫條件下熱分解得到的一系列裂解產(chǎn)物中的一種.采用PCB對(duì)瀝青進(jìn)行改性，不僅可以改善瀝青混合料一些方面的性能，而且可以降低成本，提高廢舊橡膠的回收利用率，具有良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益[1-3].目前，針對(duì)PCB改性瀝青混合料的性能研究主要是基于常規(guī)力學(xué)方法，獲得的參數(shù)可以用于評(píng)價(jià)或預(yù)測(cè)瀝青混合料的路用性能.然而，作為一種具有黏彈性質(zhì)的材料，對(duì)PCB改性瀝青混合料的黏彈特性進(jìn)行研究有助于深入認(rèn)識(shí)其在實(shí)際路面應(yīng)用中對(duì)環(huán)境因素與行車(chē)荷載的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

動(dòng)態(tài)模量與相位角作為表征瀝青混合料黏彈特性的重要參數(shù)，能較好地反映瀝青路面的實(shí)際受力狀況與動(dòng)態(tài)響應(yīng)[4-7].簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)(SPT)利用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法可以測(cè)定瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量與相位角，從而用于評(píng)估瀝青混合料的路用性能[8-9].趙延慶等[10]研究了荷載頻率和溫度對(duì)Superpave 20與SMA-13兩種瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響，分析了不同荷載頻率與溫度下動(dòng)態(tài)模量與相位角的變化；劉紅等[11]利用SPT研究了摻入聚酯纖維的瀝青混合料在不同溫度及荷載頻率下的動(dòng)態(tài)模量；王昊鵬等[12]測(cè)試了兩種高模量改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，預(yù)測(cè)了兩種高模量瀝青混合料的高、低溫性能.然而，基于SPT對(duì)PCB改性瀝青混合料黏彈特性的研究還鮮有報(bào)道.

筆者選用PCB對(duì)密級(jí)配瀝青混合料AC-13進(jìn)行改性，制備了PCB改性AC-13瀝青混合料.采用SPT分別測(cè)試了瀝青混合料在不同溫度與荷載頻率下的動(dòng)態(tài)模量和相位角，研究了PCB對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及相位角的影響.通過(guò)數(shù)值分析方法擬合了PCB改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線，進(jìn)一步分析了PCB對(duì)瀝青混合料黏彈特性的影響.

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 原材料

瀝青，韓國(guó)SK-70#基質(zhì)瀝青，物理性能見(jiàn)表1；礦料為玄武巖類材質(zhì)；廢橡膠裂解炭黑，由廢輪胎經(jīng)高溫裂解、超細(xì)化粉碎與表面活化而成，粒徑約為150 μm.

1.2 混合料級(jí)配

廢橡膠裂解炭黑改性瀝青混合料(PCB/AC-13)采用與普通密級(jí)配瀝青混合料(AC-13)相同的級(jí)配，瀝青混合料的級(jí)配見(jiàn)表2.

表1 SK-70#瀝青的物理性能

經(jīng)試驗(yàn)確定AC-13的最佳瀝青用量為4.51%，PCB/AC-13的最佳瀝青用量為4.49%，炭黑用量為最佳瀝青用量的10%.

1.3 試件制備

PCB改性瀝青混合料通過(guò)干法制備，采用JGUS-200型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，兩種瀝青混合料試件的尺寸均為Φ150 mm×h170 mm，混合料拌和溫度為180 ℃，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型溫度約為150 ℃，將成型試件進(jìn)行鉆芯取樣，并切割成Φ100 mm×h150 mm的圓柱體試件.

1.4 SPT試驗(yàn)

采用SPT對(duì)上述圓柱體試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn).依據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[13]規(guī)定，在4.4、21.1、37.8、54.4 ℃ 4個(gè)溫度和25、10、5、1、0.5、0.1 Hz 6個(gè)頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，按照由低溫向高溫、由高頻向低頻的順序測(cè)得不同溫度和不同頻率下兩種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角.

表2 AC-13瀝青混合料的級(jí)配

2 結(jié)果與討論

2.1 PCB對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響

PCB對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響見(jiàn)圖1.由圖1可知，與AC-13相比，PCB/AC-13在不同溫度和頻率下的動(dòng)態(tài)模量曲線呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，即隨著溫度的升高動(dòng)態(tài)模量逐漸減小.這主要是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，瀝青混合料呈現(xiàn)彈性特性，動(dòng)態(tài)模量較大；隨著溫度的升高，瀝青發(fā)生軟化，粘結(jié)力下降，使得瀝青混合料彈性逐漸減弱，黏性逐漸增加，由彈性逐漸向黏性轉(zhuǎn)變，因而動(dòng)態(tài)模量逐漸減小.

圖1 PCB對(duì)AC-13動(dòng)態(tài)模量的影響Fig.1 Influence of PCB on the dynamic modulus of AC-13

從圖1中可以看出，PCB/AC-13的動(dòng)態(tài)模量在較低溫度時(shí)(4.4 ℃和21.1 ℃)明顯大于AC-13，表明PCB的加入可以增大瀝青混合料抵抗變形的能力.隨著溫度的升高，兩種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量差值逐漸減小.在相同荷載頻率下，溫度升高至一定程度時(shí)(54.4 ℃)，兩種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量趨近相同.這表明PCB/AC-13與AC-13在較高溫度下，兩者表現(xiàn)出的黏彈性能比較接近.

PCB/AC-13與AC-13的動(dòng)態(tài)模量均隨著荷載頻率的降低而逐漸減小，溫度越低，動(dòng)態(tài)模量隨頻率的變化越明顯(見(jiàn)圖1).在較低溫度時(shí)(4.4 ℃和21.1 ℃)，兩種瀝青混合料在不同荷載頻率下的動(dòng)態(tài)模量差值比較接近，動(dòng)態(tài)模量曲線近似平行.當(dāng)溫度升至37.8 ℃時(shí)，PCB對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響受頻率的影響較為明顯，從25 Hz到1 Hz，PCB/AC-13的動(dòng)態(tài)模量相比于AC-13有所增大，且隨頻率的降低增大的幅度減小.當(dāng)頻率小于1 Hz時(shí)，PCB/AC-13與AC-13的動(dòng)態(tài)模量曲線幾乎重合.54.4 ℃時(shí)，PCB/AC-13與AC-13的動(dòng)態(tài)模量比較接近，幾乎不受頻率的影響.這表明較低溫度時(shí)(4.4 ℃和21.1 ℃)，頻率對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響較大，PCB對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的提高作用受頻率的影響不顯著；隨著溫度的升高(37.8 ℃)，頻率對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響減弱，PCB對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響依賴于頻率的變化；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高(54.4 ℃)，頻率對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響很小，PCB對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響幾乎不受頻率的影響.

2.2 PCB對(duì)瀝青混合料相位角的影響

PCB對(duì)瀝青混合料相位角的影響如圖2所示.PCB/AC-13在不同溫度和頻率下的相位角呈現(xiàn)出與AC-13相似的變化趨勢(shì)：在4.4 ℃和21.1 ℃時(shí)，兩種瀝青混合料的相位角均隨著荷載頻率的降低而逐漸增大；在37.8 ℃時(shí)，兩種瀝青混合料的相位角均隨著頻率的降低，表現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)；在54.4 ℃時(shí)，兩種瀝青混合料的相位角均隨著頻率的降低而減小.這表明在較低溫度時(shí)(4.4 ℃和21.1 ℃)，荷載頻率降低，瀝青混合料的黏性特征逐漸顯著；當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)(37.8 ℃)，瀝青混合料的黏彈性變化會(huì)在頻率為5 Hz左右出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，頻率大于5 Hz時(shí)，瀝青混合料隨頻率的降低黏性特征逐漸增強(qiáng)，頻率小于5 Hz時(shí)，瀝青混合料隨頻率的降低彈性特征逐漸增強(qiáng)；當(dāng)溫度繼續(xù)升高到54.4 ℃時(shí)，荷載頻率降低，瀝青混合料的彈性特征逐漸顯著.這是由于隨著溫度的升高，瀝青混合料的黏性行為逐漸顯著，隨著荷載頻率的降低，瀝青混合料應(yīng)力松弛所需要的時(shí)間增加.即高溫狀態(tài)時(shí)混合料對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變的敏感程度不如低溫狀態(tài)時(shí)敏感，所以導(dǎo)致相位角在高、低溫狀態(tài)出現(xiàn)相反的趨勢(shì)[14].此外，當(dāng)溫度升高和荷載頻率降低時(shí)，瀝青混合料會(huì)逐漸變軟，此時(shí)礦料骨架作用增加并強(qiáng)于結(jié)合料的黏性作用，混合料中的礦料多呈現(xiàn)彈性特性，黏性性能不再明顯，導(dǎo)致了相位角減小.

圖2 PCB對(duì) AC-13相位角的影響Fig.2 Influence of PCB on the phase angle of AC-13

從圖2可以看出，與AC-13相比，在4.4、21.1、37.8 ℃下，PCB/AC-13的相位角在不同溫度和頻率下均有所減小，表明PCB的加入可以增大瀝青混合料的彈性成分，彈性特征較為顯著.在54.4 ℃下，PCB/AC-13的相位角在低頻時(shí)略小于AC-13，隨著頻率的增大，兩者的相位角趨于一致，表明高溫PCB對(duì)瀝青混合料黏彈特性的影響不大.

2.3 PCB對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線的影響

以21.1 ℃為參考溫度，根據(jù)西格莫德函數(shù)，利用數(shù)值分析軟件進(jìn)行系數(shù)回歸和檢驗(yàn),西格莫德函數(shù)模型：

(1)

式中：|E*|為瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的模；fr為縮減頻率；δ為動(dòng)態(tài)模量極小值的對(duì)數(shù)；α為動(dòng)態(tài)模量極大值的對(duì)數(shù)；β、γ分別為回歸參數(shù).

在主曲線構(gòu)成過(guò)程中，將各溫度下的動(dòng)態(tài)模量曲線平行移動(dòng)，得到各個(gè)溫度下的移位因子，如表3所示.在擬合過(guò)程中，獲得各溫度下的移位因子后，可計(jì)算出不同溫度和頻率所對(duì)應(yīng)的縮減頻率，結(jié)果見(jiàn)表4.最后利用Origin數(shù)值分析軟件進(jìn)行非線性擬合，擬合出西格莫德函數(shù)的回歸參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5.

表3 PCB/AC-13和AC-13的移位因子

表4 PCB/AC-13和AC-13的縮減頻率

表5 動(dòng)態(tài)模量主曲線的回歸系數(shù)

根據(jù)回歸結(jié)果，確定在參考溫度21.1 ℃下AC-13與PCB/AC-13兩種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線，結(jié)果分別見(jiàn)圖3和圖4.由圖3可知，兩種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線呈“S”型，通過(guò)分析動(dòng)態(tài)模量主曲線可以確定兩種瀝青混合料在極端溫度及荷載頻率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也能表征任意溫度和任意荷載頻率下瀝青混合料的黏彈特性.由圖4可知，兩種瀝青混合料的相位角主曲線不是一條相對(duì)光滑的曲線.相位角主曲線可以直觀地判別出瀝青混合料的黏彈特性，將其與動(dòng)態(tài)模量主曲線結(jié)合起來(lái)，能夠全面地表征瀝青混合料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性.

由圖3和圖4可以看出，在圖中“標(biāo)定線”右側(cè)(低于37.8 ℃)的頻率范圍內(nèi)，即低溫和高頻時(shí),PCB/AC-13的動(dòng)態(tài)模量大于AC-13，而相位角小于AC-13.這表明在低溫和高頻時(shí)，PCB的加入使得瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量明顯增大，相位角明顯減小，彈性特征增強(qiáng)，黏性特征減弱.在圖中“標(biāo)定線”左側(cè)(高于37.8 ℃)的頻率范圍內(nèi)，即高溫和低頻時(shí),PCB/AC-13的動(dòng)態(tài)模量主曲線和相位角主曲線與AC-13基本重合，表明高溫和低頻時(shí)，PCB對(duì)瀝青混合料黏彈性的影響不明顯.

圖3 PCB對(duì)AC-13動(dòng)態(tài)模量主曲線的影響Fig.3 Influence of PCB on dynamic modulus master curve of AC-13

圖4 PCB對(duì)AC-13相位角主曲線的影響Fig.4 Influence of PCB on phase angle master curve of AC-13

3 結(jié)論

(1)PCB改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量隨溫度的升高與荷載頻率的降低逐漸減小，減小速率隨溫度的升高而減緩.PCB改性瀝青混合料的相位角在較低溫度時(shí)隨著荷載頻率的降低逐漸增大，當(dāng)溫度升高至一定值時(shí)相位角隨著頻率的降低，表現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，溫度繼續(xù)升高，相位角則隨著頻率的降低而減小.

(2)在低溫和高頻時(shí)，PCB的加入使得瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量明顯增大，相位角明顯減小，彈性特征增強(qiáng)，黏性特征減弱.高溫和低頻時(shí)，PCB對(duì)瀝青混合料黏彈性的影響不明顯.

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