郝培文，王俊彪，曾志武，趙超志，仵 濤，李德文

(1.長安大學，道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，西安 710064；2.陜西省交通建設集團公司，西安 710075)

0 引 言

近年來隨著交通量不斷增長，車輛軸載不斷增加，我國高速公路瀝青路面在使用初期就出現(xiàn)了較多車轍病害，車轍的出現(xiàn)不僅影響行車舒適性,其槽內(nèi)積水或結(jié)冰還嚴重威脅交通安全[1]。為減少車轍的產(chǎn)生，高模量瀝青混合料近年來逐漸受到研究人員的廣泛關注，其不僅可以減少路面結(jié)構(gòu)的塑性變形，提高路面尤其是中下面層的高溫抗車轍能力，而且還能改善路面的抗疲勞性能，延長路面的使用壽命[2]。而瀝青混合料的抗剪性能可以反映出其高溫抗車轍性能，研究瀝青混合料的抗剪性能對防治車轍病害、提升車輛行駛安全有重要意義[3-4]。

國內(nèi)外對于瀝青混合料抗剪性能的試驗方法主要包括三軸試驗、單軸貫入試驗、直剪和斜剪試驗、Superpave剪切試驗等[5-7]。在以往研究中，對于瀝青混合料抗剪性能多采用三軸壓縮試驗進行評價，該方法雖然應力狀態(tài)明確，但操作過程復雜，試驗材料用量大，如何確定側(cè)向圍壓也是一個問題。單軸貫入試驗通過直徑遠小于試件直徑的鋼壓頭對試件加壓，獲得瀝青混合料的抗剪強度，試驗具有操作方便，設備簡單，模擬程度高的特點[8]。直剪試驗通過對試件垂直剪切獲得剪切破壞強度，試驗簡單易操作，但與瀝青路面實際受力符合程度不高。斜剪試驗對直剪試驗進行改進，將剪切角度傾斜了45°，試驗操作簡單，且與現(xiàn)場真實受力更接近[9]。Superpave剪切試驗(SST)能在瀝青混合料試件體積不變的前提下進行試驗，且該試驗近似于純剪，具有準確、可靠、現(xiàn)場模擬程度高的特點，獲取的試驗結(jié)果能有效反映瀝青混合料的抗剪性能[10-11]。國內(nèi)外學者在利用SST試驗研究瀝青混合料抗剪性能時取得了一定的成果，Wang[12]利用SST及漢堡車轍儀評價了Superpave瀝青混合料和密實型瀝青混合料的抗車轍性能，結(jié)果顯示恒高度頻率掃描試驗(FSCH)及恒高度重復剪切試驗(RSCH)與漢堡車轍儀試驗結(jié)果相同，均能較好地評價混合料的抗車轍性能。Visintine等[13]利用SST對不同再生瀝青混合料進行了RSCH和FSCH試驗，并將兩種試驗數(shù)據(jù)代入SHRP A-003A替代模型及瀝青協(xié)會(AI)模型，很好地預測了瀝青混合料的性能。Yu等[14]對瀝青砂漿進行了RSCH和FSCH試驗，評價了瀝青砂漿的抗剪性能及抗車轍性能。歐陽嵐[15]利用RSCH和FSCH試驗研究不同瀝青用量、級配、溫度對瀝青混合料抗剪性能的影響，得出可以通過SST試驗方法較好地模擬瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)層的永久變形破壞，其試驗結(jié)果是精確的。黃林[16]通過對三種不同級配混合料在不同溫度下進行RSCH和FSCH試驗，其RSCH試驗結(jié)果能很好地反映瀝青混合料的剪切疲勞變形全過程。

鑒于此，本文從瀝青混合料抗剪性能出發(fā)，對EME2(30#)高模量瀝青混合料和AC-20(30#)瀝青混合料進行抗車轍性能研究。利用Superpave剪切試驗，采用恒高度頻率掃描試驗(FSCH)和恒高度重復剪切試驗(RSCH)兩種試驗模式研究瀝青混合料抗剪性能。

1 實 驗

1.1 原材料

本實驗瀝青采用東海30#瀝青，具體技術指標如表1所示。集料采用花崗巖，礦粉為磨細的石灰?guī)r礦粉。

表1 瀝青技術指標Table 1 Asphalt technical indicators

為比較中國、法國瀝青混合料抗剪性能的差異，瀝青混合料分別采用EME2(30#)、AC-20(30#)。EME2(30#)瀝青混合料級配將法國篩孔尺寸轉(zhuǎn)換為中國篩孔尺寸，并按法國性能水平進行配合比設計，同時，AC-20(30#)瀝青混合料按馬歇爾設計方法進行配合比設計。兩種瀝青混合料級配如表2所示，EME2(30#)混合料油石比(瀝青與礦料質(zhì)量比)為5.7%，AC-20(30#)混合料油石比為4.3%。

表2 兩種瀝青混合料合成級配Table 2 Two types of asphalt mixtures gradation

1.2 試驗方法

Superpave剪切試驗機是美國SHARP計劃中為評價瀝青混合料性能而開發(fā)出的性能試機，最初在進行應用時，能進行6種不同的試驗，后期僅保留了簡單剪切試驗(SSCH)、恒高度頻率掃描試驗(FSCH)和恒高度重復剪切試驗(RSCH)[17]。三種試驗均能評價瀝青混合料的抗剪強度，但又具有不同的側(cè)重點，SSCH試驗主要用于評價瀝青混合料不同溫度下的蠕變性能，F(xiàn)SCH試驗用于評價瀝青混合料不同溫度下的抗剪強度，RSCH是用于評價高溫條件下的抗永久變形能力[18]。

本文選用恒高度頻率掃描試驗(FSCH)和恒高度重復剪切試驗(RSCH)評價高模量瀝青混合料的抗剪性能。試驗采用SST剪切試驗系統(tǒng)。試件采用直徑15 cm、高12 cm的旋轉(zhuǎn)壓實成型試件，然后切割成2個5 cm高的試件，試驗前利用環(huán)氧樹脂將夾具粘在試件兩端，經(jīng)常溫養(yǎng)生固化及恒溫箱保溫后裝上傳感器準備進行試驗。

1.2.1 恒高度頻率掃描試驗(FSCH)

恒高度頻率掃描試驗(FSCH)是在保持試件高度不變的前提下采用應變控制的方式對試件進行循環(huán)加載，其加載模式示意圖如圖1所示，水平應變采用振幅為50 μm的正弦波，加載頻率采用10 Hz、5 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.2 Hz、0.1 Hz、0.05 Hz、0.02 Hz、0.01 Hz共10個頻率。不同頻率加載不同的循環(huán)數(shù)，10 Hz和5 Hz加載50個循環(huán)，2 Hz和1 Hz加載20個循環(huán)，0.5 Hz、0.2 Hz和0.1 Hz加載7個循環(huán)，0.05 Hz、0.02 Hz和0.01 Hz加載4個循環(huán)。通過應力應變數(shù)據(jù)處理可獲得不同頻率下的剪切模量G*和相位角φ，由此可以確定瀝青混合料的抗剪強度。

圖1 FSCH試驗加載模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of FSCH test loading mode

1.2.2 恒高度重復剪切試驗(RSCH)

恒高度重復剪切試驗采用應力控制模式，剪切機在控制試件高度恒定的同時，對試件循環(huán)施加(69±5) kPa的半正弦波，其中一個周期加載時間為0.1 s，卸載時間為0.6 s，試驗加載模式示意圖如圖2所示。試驗過程中記錄瀝青混合料在荷載重復作用下的應變發(fā)展曲線，根據(jù)累積應變曲線回歸可獲得如式(1)所示的回歸方程，式中的剪切斜率在一定程度上代表瀝青混合料的高溫抗剪性能，可通過剪切斜率對瀝青混合料高溫性能進行評價。

圖2 RSCH試驗加載模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of RSCH test loading mode

ε(N)=ε(N=1)+S·N

(1)

式中：ε(N)為第N次加載時的永久應變；ε(N=1)為第1次加載時的永久應變；S為剪切斜率；N為加載次數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒高度頻率掃描試驗(FSCH)結(jié)果分析

EME2(30#)、AC-20(30#)兩種混合料在25 ℃、40 ℃和60 ℃下的FSCH試驗結(jié)果如表3～表4所示。

表3 EME2(30#)FSCH試驗結(jié)果Table 3 FSCH results of EME2(30#)

表4 AC-20(30#)FSCH試驗結(jié)果Table 4 FSCH results of AC-20(30#)

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，將兩種瀝青混合料的復數(shù)剪切模量與頻率進行回歸分析，三種溫度下混合料的復數(shù)剪切模量回歸曲線、車轍因子G*/sinφ與頻率的關系分別如圖3、圖4所示。

圖3 三種溫度下兩種瀝青混合料的復數(shù)剪切模量Fig.3 Complex shear modulus of two kinds of asphalt mixtures at three temperatures

圖4 三種溫度下兩類瀝青混合料的車轍因子Fig.4 Rutting factor of two kinds of asphalt mixtures at three temperatures

一般情況下，復數(shù)剪切模量G*越大，材料高溫抗剪性能越好，當復數(shù)剪切模量G*一定時，相位角φ越小認為材料的高溫抗剪性能越好。因為相位角φ的數(shù)值越小，表示材料在高溫狀況下的粘性成分比較少，材料發(fā)生變形時其不可恢復的變形量只占小部分，這樣材料的高溫抗剪性能較好，車轍因子G*/sinφ越大，瀝青混合料的抗剪性能也就越好。

據(jù)表3～4以及圖3～4可知：

(1)將兩種瀝青混合料的復數(shù)剪切模量與頻率數(shù)據(jù)進行非線性曲線擬合后發(fā)現(xiàn)，兩者在三種溫度下的擬合曲線相關系數(shù)均達到了0.94以上，表明瀝青混合料的復數(shù)剪切模量與頻率具有良好的相關性，復數(shù)剪切模量隨加載頻率的增大而增大。

(2)從同一瀝青混合料不同溫度下的復數(shù)剪切模量可以發(fā)現(xiàn),溫度為 25 ℃時,兩種瀝青混合料的復數(shù)剪切模量最大,隨著溫度的升高,瀝青混合料的復數(shù)剪切模量逐漸減小。且這種變化是非線性的，溫度從25 ℃升至40 ℃的復數(shù)剪切模量衰減遠大于溫度從40 ℃升至60 ℃的復數(shù)剪切模量衰減。由此說明溫度變化對瀝青混合料復數(shù)剪切模量的影響較大，低溫時溫度升降引起復數(shù)模量的變化大于高溫時溫度升降引起復數(shù)模量的變化。

(3)對比EME2(30#)瀝青混合料與AC-20(30#)瀝青混合料復數(shù)剪切模量可知：60 ℃條件下，整個加載頻率范圍內(nèi)，AC-20(30#)的復數(shù)剪切模量始終大于EME2(30#)的復數(shù)剪切模量；40 ℃條件下，兩種混合料的復數(shù)剪切模量差距很小，僅在高頻階段，兩者差距才顯現(xiàn)出來，此時AC-20(30#)的復數(shù)剪切模量大于EME2(30#)的復數(shù)剪切模量；25 ℃條件下，低頻和中頻階段，EME2(30#)的復數(shù)剪切模量大于AC-20(30#)的復數(shù)剪切模量，而高頻階段，后者反超前者。說明在較低溫度及低頻率條件下，EME2(30#)的抗剪性能更好；而在高溫或高頻率條件下，AC-20(30#)的抗剪性能更優(yōu)。

(4)從兩種瀝青混合料的車轍因子曲線也可以發(fā)現(xiàn)，60 ℃較高溫度下，AC-20(30#)瀝青混合料的抗剪性能強于EME2(30#)瀝青混合料；在40 ℃中溫條件下，兩者抗剪性能差距較小，而在25 ℃較低溫度下，雖然EME2(30#)瀝青混合料在高頻荷載下的抗剪性能弱于AC-20(30#)瀝青混合料，但在低頻荷載下，EME2(30#)瀝青混合料的抗剪性能更強。這與兩種混合料復數(shù)剪切模量規(guī)律相同，分析原因可能是在中高溫條件下，AC-20(30#)瀝青混合料由于較小的瀝青用量，集料之間不易發(fā)生剪切流動，在較低溫度條件下，EME2型瀝青混合料相比AC-20(30#)瀝青混合料有較高的瀝青用量，更能發(fā)揮低標號瀝青模量高的特點，因此在低頻荷載下其車轍因子更高。

由于FSCH試驗過程操作復雜，試驗準備時間長，為了通過有限的試驗獲得任意頻率下的復數(shù)剪切模量，利用25 ℃、40 ℃和60 ℃下的試驗結(jié)果建立復數(shù)剪切模量主曲線。主曲線是由不同溫度和頻率下的模量曲線圖通過平移形成的曲線，利用主曲線可以對瀝青混合料進行力學性質(zhì)預測，獲得極限條件下的材料力學性質(zhì)。

主曲線的參考溫度選取為40 ℃，采用1STOPT軟件擬合西格摩德函數(shù)中的參數(shù)(如表5所示)，各瀝青混合料主曲線方程如表6所示，各瀝青混合料復數(shù)剪切模量主曲線如圖5、圖6所示，圖7為各瀝青混合料復數(shù)剪切模量主曲線匯總。

表5 西格摩德函數(shù)及移位因子Table 5 Sigmoidal function and shift factor

表6 復數(shù)剪切模量主曲線方程Table 6 Master curve equation of complex shear modulus

圖5 EME2(30#)復數(shù)剪切模量主曲線(f為頻率)Fig.5 Complex shear modulus master curve of EME2(30#) (f is frequency)

圖7 兩種瀝青混合料復數(shù)剪切模量主曲線匯總(f為頻率)Fig.7 Summary of master curves of complex shear modulus of the two asphalt mixtures (f is frequency)

由表6及圖5～7可知：

通過兩種瀝青混合料的主曲線發(fā)現(xiàn)，在高溫低頻段，AC-20(30#)瀝青混合料的復數(shù)剪切模量大于EME2(30#)瀝青混合料的復數(shù)剪切模量，說明AC-20(30#)瀝青混合料的高溫抗剪性能強于EME2(30#)瀝青混合料；而隨著溫度的慢慢降低或者頻率的逐漸增大，兩者的復數(shù)剪切模量差距逐漸減小，說明兩者在中溫條件下，抗剪性能相差不大；當溫度進一步降低或者頻率進一步增大，此時AC-20(30#)瀝青混合料的復數(shù)剪切模量大于EME2(30#)瀝青混合料的復數(shù)剪切模量，說明EME2(30#)瀝青混合料的常溫抗變形能力強于AC-20(30#)瀝青混合料，這一現(xiàn)象出現(xiàn)是因為EME2(30#)中瀝青用量較高，改善了混合料的常溫抗裂性，從而使EME2(30#)有較好的抗變形能力。

2.2 恒高度重復剪切試驗(RSCH)結(jié)果分析

對上述兩種瀝青混合料進行RSCH試驗，試驗溫度為60 ℃，試驗曲線如圖8所示。由RSCH試驗結(jié)果可以得到加載末應變，同時將RSCH試驗結(jié)果依據(jù)式(1)進行回歸，得到剪切斜率S，如表7所示。

圖8 RSCH試驗結(jié)果Fig.8 Results of RSCH

表7 RSCH試驗評價指標Table 7 RSCH evaluation index

由圖8和表7可知：

(1)RSCH試驗過程中，剪切應變隨加載次數(shù)的增大而增大，其變化經(jīng)歷初始階段快速增長，第二階段應變發(fā)展速率變緩，第三階段應變保持恒定增長速率三個階段。

(2)兩種瀝青混合料的加載應變曲線在初始階段相重合，隨著加載次數(shù)的增加，EME2(30#)瀝青混合料的應變與AC-20(30#)瀝青混合料的應變差距快速增大，直到兩者差距穩(wěn)定在0.49%，最終兩者加載末應變相差0.488%。分析原因是EME2(30#)瀝青混合料采用法國高模量瀝青設計方法，瀝青用量較高，導致其高溫條件下，瀝青混合料易發(fā)生剪切流動，相比于瀝青用量更少的AC-20(30#)瀝青混合料，其高溫抗剪性能更差。

(3)EME2(30#)瀝青混合料的加載末應變相比AC-20(30#)瀝青混合料大了23.5%，并且前者的剪切斜率比后者同樣大了29.8%，說明用剪切斜率也可作為評價瀝青混合料抗剪性能的指標，其結(jié)果與采用加載末應變具有一致性。

3 結(jié) 論

(1)高模量瀝青混合料的復數(shù)剪切模量具有溫度和頻率依賴性，表現(xiàn)在混合料復數(shù)剪切模量與頻率的對數(shù)值具有良好的冪乘關系，并且頻率越大，高模量瀝青混合料的復數(shù)剪切模量也越大；溫度越低，高模量瀝青混合料的復數(shù)剪切模量越大。

(2)FSCH試驗結(jié)果表明：在高溫條件下，EME2(30#)瀝青混合料抗剪性能略差于AC-20(30#)瀝青混合料；而在低溫條件下，EME2(30#)瀝青混合料的抗剪性能優(yōu)于AC-20(30#)瀝青混合料。

(3)兩種瀝青混合料的主曲線表明AC-20(30#)瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于EME2(30#)瀝青混合料，而EME2(30#)瀝青混合料的常溫性能優(yōu)于AC-20(30#)瀝青混合料。

(4)由RSCH試驗結(jié)果可知，在循環(huán)加載5 000次后，EME2(30#)瀝青混合料在60 ℃下的加載末應變及剪切斜率S均大于AC-20(30#)瀝青混合料，表明AC-20(30#)瀝青混合料的高溫抗剪性能好于EME2(30#)瀝青混合料。