周立波

(長(zhǎng)沙交通投資控股集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 引言

瀝青路面疲勞開(kāi)裂是由于交通荷載和環(huán)境因素反復(fù)作用下產(chǎn)生的開(kāi)裂，是瀝青路面最主要的病害之一，嚴(yán)重影響瀝青路面的疲勞壽命。

為抑制疲勞裂縫的產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)外道路工作者采用各種外加劑改善瀝青混合料的力學(xué)性能，通過(guò)預(yù)防或減緩路面裂縫而延長(zhǎng)路面的使用壽命。祝偉探究了SBS改性瀝青混合料的疲勞性能，通過(guò)SBS改性瀝青提高了熱拌瀝青混合物的抗永久變形、疲勞和水損害能力；盧劍濤研究發(fā)現(xiàn)CRM瀝青通過(guò)增加路面對(duì)永久變形和熱疲勞開(kāi)裂的抵抗性來(lái)提高瀝青混合料的性能。雖然各種添加劑如聚合物和橡膠粉可以提高瀝青的性能，但是其普遍存在經(jīng)濟(jì)問(wèn)題以及改性劑生產(chǎn)和環(huán)境的相容性問(wèn)題。因此研究探索新的經(jīng)濟(jì)且環(huán)境友好型的添加劑具有重要意義。

黏土類材料率先成為最知名、最盈利的新一代環(huán)境友好型瀝青添加劑。近幾十年來(lái)，膨潤(rùn)土和有機(jī)改性膨潤(rùn)土作為改性劑以其低成本和較好的改性效果被廣泛用作增強(qiáng)材料。目前已有大量研究揭示了瀝青軟化點(diǎn)、黏度和延展性隨黏土含量和黏土類型的變化而變化；通過(guò)RTFO和PAV對(duì)老化試件進(jìn)行彎曲梁流變儀測(cè)試，研究了膨潤(rùn)土和OMBT改性瀝青將改善瀝青的低溫性能和抗裂性。但關(guān)于膨潤(rùn)土改性瀝青混合料強(qiáng)度、剛度及疲勞性能與膨潤(rùn)土摻量的關(guān)系尚待進(jìn)一步研究。

基于此，該文在前期已取得的膨潤(rùn)土改性瀝青相關(guān)性能試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，選用6種瀝青重量百分比(0%、10%、15%、20%、25%和30%)為膨潤(rùn)土摻量，制備膨潤(rùn)土改性瀝青混合料，進(jìn)而對(duì)不同膨潤(rùn)土摻量的瀝青混合料開(kāi)展馬歇爾穩(wěn)定度、間接拉伸強(qiáng)度、回彈模量和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),以探討膨潤(rùn)土對(duì)熱拌瀝青混合料力學(xué)特性的影響。

2 材料及試件

2.1 骨料和瀝青

集料為石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r質(zhì)礦粉，級(jí)配采用AC-16C型。瀝青為70#基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果及瀝青混合料級(jí)配分別如表1、2所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

2.2 添加劑

用Dorinkashan Co.制造的膨潤(rùn)土對(duì)瀝青改性。使用5種膨潤(rùn)土摻量，即按重量計(jì)為瀝青的10%、15%、20%、25%和30%。改性瀝青通過(guò)使用高速剪切儀來(lái)制備。將瀝青加熱至140 ℃后保持30 min，然后在140 ℃和4 000 r/min剪切速率下與膨潤(rùn)土混合15 min。

表2 AC-16C瀝青混合料級(jí)配

2.3 試件制備

瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾混合設(shè)計(jì)程序進(jìn)行。在圓柱形試件(直徑10.16 cm和6.35 cm厚)的每側(cè)進(jìn)行75次沖擊壓實(shí)。馬歇爾樣品通過(guò)以下標(biāo)準(zhǔn)程序壓實(shí)和測(cè)試：體積比重(ASTM D2726)、穩(wěn)定性和流動(dòng)性測(cè)試(ASTM D1559)。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為5.2%。

通過(guò)擊實(shí)成型法制備圓柱形試件，對(duì)于每種試驗(yàn)(馬歇爾穩(wěn)定度和流值、間接拉伸強(qiáng)度、回彈模量測(cè)試)使用3個(gè)平行試件。梁形試件采用靜壓成型法制備梁形疲勞試件，試件最終尺寸為380 mm×63.5 mm×50 mm，使用3個(gè)平行試件。疲勞試驗(yàn)控制模式主要有應(yīng)力控制模式和應(yīng)變控制模式。對(duì)于受應(yīng)力控制的測(cè)試來(lái)說(shuō)，疲勞破壞的定義為試件斷裂；在受應(yīng)變控制模式下，瀝青剛度達(dá)到其初始值的50%時(shí)，定義為疲勞破壞點(diǎn)。該研究采用應(yīng)變控制試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞性能，應(yīng)變幅值分別取600、800和1 000 με的恒定應(yīng)變下以正弦模式加載進(jìn)行測(cè)試。所有測(cè)試都在溫度為(20±0.5)℃的環(huán)境控制箱內(nèi)進(jìn)行。

3 測(cè)試方法

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度、流值、馬歇爾模數(shù)

測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度和流值(ASTM D1559)，以比較和評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土改性混合物的開(kāi)裂性能。穩(wěn)定度與流值之比稱為馬歇爾模數(shù)(MQ)。MQ可以用來(lái)衡量材料在使用中對(duì)永久變形的抵抗能力。MQ的值越高，表示混合物越堅(jiān)硬，抵抗力越強(qiáng)。

3.2 間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試

在間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試中，圓柱形樣品在兩個(gè)加載帶之間受到壓縮載荷，沿豎直平面產(chǎn)生相對(duì)均勻的拉伸應(yīng)力。它通常用于評(píng)估瀝青混合料的剝離和斷裂性能的潛力。破壞通常沿著這個(gè)加載的平面分裂而發(fā)生。以50.8 mm/min的恒定速率進(jìn)行。試件的間接拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式為：

R=(2Pmax)/(πDt)

(1)

式中：R為試樣的抗拉強(qiáng)度(kPa)；Pmax為施加的破壞載荷(kN)；D為試件直徑(mm);t為試件厚度(mm)。

3.3 間接拉伸回彈模量測(cè)試

試驗(yàn)是在20 ℃下，通過(guò)使用萬(wàn)能試驗(yàn)儀(UTM-5P)采用半正弦荷載脈沖在1 Hz和0.9 s靜止期條件下對(duì)圓柱形樣品進(jìn)行測(cè)試。連續(xù)記錄載荷和變形，用式(2)計(jì)算彈性模量。假設(shè)的泊松比υ取0.35。

(2)

式中：Sct為間接拉伸回彈模量；P為施加的載荷；d為試件直徑；lx為對(duì)應(yīng)的變形。

3.4 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

根據(jù)AASHTO T321-07在四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)中評(píng)估梁的抗疲勞性能。這些測(cè)試的目的是獲得在不同應(yīng)變水平下梁的疲勞壽命。四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的示意圖和設(shè)置如圖1所示。試驗(yàn)在20 ℃、頻率為10 Hz的條件下進(jìn)行。初始彎曲剛度由第50次循環(huán)后的測(cè)量力和位移(n=50)根據(jù)式(3)計(jì)算：

圖1 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)示意圖

(3)

式中：Sf為彎曲模量；L為跨度；W為彎沉；b為試件寬度；h為試件厚度。

疲勞試驗(yàn)一直持續(xù)到彎曲剛度下降到其初始值的50%。在600、800和1 000 με下用正弦載荷對(duì)梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后，混合物的疲勞壽命用式(4)確定：

Nf=aε-b

(4)

式中：Nf為循環(huán)疲勞次數(shù)；ε為疲勞試驗(yàn)應(yīng)變振幅；a和b為疲勞常數(shù)。

4 結(jié)果和討論

4.1 馬歇爾穩(wěn)定度和流值

圖2為不同膨潤(rùn)土摻量的改性瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果平均值，包括馬歇爾穩(wěn)定度、流值和馬歇爾模數(shù)。

圖2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可見(jiàn)：① 膨潤(rùn)土的加入，提高了馬歇爾穩(wěn)定度，在摻量為20%左右時(shí)馬歇爾穩(wěn)定度出現(xiàn)峰值，當(dāng)摻量繼續(xù)增加馬歇爾穩(wěn)定度隨著膨潤(rùn)土含量的增加而減少；② 膨潤(rùn)土的加入，也提高了流值，且流值隨著膨潤(rùn)土摻量的增加而增加；③ 研究認(rèn)為馬歇爾模數(shù)與車轍深度有一定的相關(guān)性，能評(píng)價(jià)瀝青混凝土抗車轍的能力，由圖2可知：適量的膨潤(rùn)土摻量能夠提高馬歇爾模數(shù)，當(dāng)摻量為20%～25%時(shí)，馬歇爾模數(shù)提高了11%～13%，但是當(dāng)摻量超過(guò)25%時(shí)，馬歇爾模數(shù)會(huì)驟降。

綜上所述，一定摻量的膨潤(rùn)土能夠改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，提高瀝青混合料的抗車轍能力。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果建議摻量控制為20%～25%。

4.2 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

不同摻量的膨潤(rùn)土改性瀝青混合料試件的平均拉伸強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 不同摻量膨潤(rùn)土改性瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度

由圖3可知：添加膨潤(rùn)土增加了混合物的間接拉伸強(qiáng)度。在摻量為20%左右時(shí)間接拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，比基質(zhì)瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度增加約15%，當(dāng)摻量繼續(xù)增加強(qiáng)度隨著膨潤(rùn)土含量的增加而逐漸減小。根據(jù)間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果建議膨潤(rùn)土摻量控制在20%左右。

4.3 回彈模量測(cè)試

不同摻量的膨潤(rùn)土改性瀝青混合料試件的間接拉伸回彈模量如圖4所示。

圖4 不同摻量膨潤(rùn)土改性瀝青混合料間接拉伸回彈模量

已有研究表明：低溫下的回彈模量與熱裂解有某種關(guān)系，在較低溫度下較硬的混合物更容易熱裂化。試驗(yàn)結(jié)果表明：在混合物中使用改性膨潤(rùn)土瀝青最初增加了混合料的回彈模量，當(dāng)摻入10%的膨潤(rùn)土?xí)r，混合料的回彈模量是基質(zhì)瀝青混合料的1.15倍。繼續(xù)提高摻量，膨潤(rùn)土改性瀝青的回彈模量逐漸降低，但摻量達(dá)到30%時(shí)，回彈模量?jī)H為基質(zhì)瀝青的1.09倍。根據(jù)間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果建議摻量控制為10%～20%。

4.4 疲勞壽命分析

與重復(fù)性交通荷載相關(guān)的疲勞開(kāi)裂被認(rèn)為是路面中最主要的破壞模式之一。該文采用3種應(yīng)變幅值(600、800、1 000 με)，各摻量膨潤(rùn)土改性瀝青在不同應(yīng)變幅值條件下的彎曲初始回彈模量如圖5所示。

圖5 不同應(yīng)變幅值條件下的彎曲初始回彈模量

由圖5可知：彎拉回彈模量隨膨潤(rùn)土摻量的變化規(guī)律與間接拉伸回彈模量相似，當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為10%～20%時(shí)，模量提升幅度最大，且不同應(yīng)力幅值下得到的變化規(guī)律幾乎一致。

當(dāng)瀝青混合料試件回彈模量衰減至初始模量的50%時(shí)，不同摻量膨潤(rùn)土改性瀝青混合料試件所經(jīng)歷的荷載循環(huán)數(shù)如圖6所示。

圖6 不同膨潤(rùn)土摻量瀝青混合料在不同應(yīng)變幅值條件下的疲勞壽命

由圖6可知：① 膨潤(rùn)土的加入延長(zhǎng)了瀝青混合料的疲勞壽命，改善了瀝青混合料的抗疲勞性能；② 在600 με和800 με的應(yīng)變水平下，瀝青混合料疲勞壽命隨膨潤(rùn)土摻量的增加呈現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)：當(dāng)膨潤(rùn)土的摻量為0%～20%時(shí)，膨潤(rùn)土改性瀝青混合料的疲勞壽命隨著摻量的增加而延長(zhǎng)。但是摻量繼續(xù)增加時(shí)，膨潤(rùn)土改性瀝青混合料的疲勞壽命開(kāi)始減小，即膨潤(rùn)土過(guò)量地?fù)饺霝r青中會(huì)給瀝青的疲勞性能帶來(lái)不利影響。在含有10%、15%和20%膨潤(rùn)土改性瀝青的混合料中，膨潤(rùn)土對(duì)瀝青聚集的黏聚性沒(méi)有負(fù)面影響。然而，在1 000 με應(yīng)變水平下，瀝青混合料疲勞壽命隨著膨潤(rùn)土摻量增加而增加的范圍擴(kuò)大至0%～25%，再增加摻量也會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命下降。

4.5 膨潤(rùn)土改性瀝青混合料疲勞演變模型

根據(jù)該試驗(yàn)研究得到的試驗(yàn)結(jié)果，采用方程(5)所示的函數(shù)對(duì)不同摻量膨潤(rùn)土改性瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行擬合。

Nf=aε-b

(5)

表3為不同摻量膨潤(rùn)土改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果基于方程(5)擬合得到的疲勞參數(shù)。

5 結(jié)論

該研究的目的是揭示膨潤(rùn)土改性瀝青混合料強(qiáng)度、剛度及疲勞性能等力學(xué)性能與膨潤(rùn)土摻量的關(guān)系。進(jìn)行了各種室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，以通過(guò)改變基質(zhì)瀝青中膨潤(rùn)土的摻量來(lái)評(píng)估瀝青混合料力學(xué)性能。根據(jù)該研究取得的有限試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

表3 不同摻量膨潤(rùn)土改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果擬合參數(shù)

(1)含有膨潤(rùn)土的改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定性、流值和馬歇爾模數(shù)均高于基質(zhì)瀝青，但當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí)，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(2)含有膨潤(rùn)土的改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度及回彈模量較基質(zhì)瀝青混合料明顯提高。不同應(yīng)變幅值條件下的疲勞壽命隨膨潤(rùn)土摻量的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。

(3)結(jié)合瀝青混合料各種力學(xué)性能指標(biāo)隨膨潤(rùn)土摻量的變化規(guī)律，推薦在采用膨潤(rùn)土改性基質(zhì)瀝青時(shí)的摻量為20%左右。