張飛， 王嵐， 邢永明*

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

膠粉改性瀝青技術(shù)為解決廢輪胎的處理問題提供了有效途徑。但是熱拌膠粉改性瀝青混合料施工溫度很高，施工過程會釋放大量有毒、有害氣體，結(jié)合溫拌技術(shù)可解決該技術(shù)的缺陷。已有研究表明：溫拌膠粉改性瀝青混合料可以在保證瀝青路面路用性能的基礎(chǔ)上減少能源消耗、降低有害氣體排放，符合中國“節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境”的基本政策[1]。國外早已開展了溫拌膠粉改性瀝青的低溫性能研究，并取得了一系列的成果[2-3]，但中國國內(nèi)對這方面的研究相對較少，特別是針對內(nèi)蒙古這樣的特殊地區(qū)，冬季路面溫度可降至-30 ℃甚至更低，低溫抗裂性能需要引起高度重視。王嵐[4]采用小梁彎曲蠕變試驗(yàn)對比了膠粉改性瀝青混合料及SBS改性瀝青混合料在4個試驗(yàn)溫度下的低溫性能，結(jié)果表明：膠粉改性瀝青混合料比SBS改性瀝青混合料具有更好的低溫性能；張占軍[5]等針對不同交聯(lián)度的環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行不同溫度下小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，構(gòu)建了混合料的彎拉強(qiáng)度、彎曲勁度模量、彎曲破壞應(yīng)變及彎曲應(yīng)變能密度與溫度、交聯(lián)度的關(guān)系方程；夏榮輝[6]從小梁彎曲及彎曲蠕變的試驗(yàn)結(jié)果求出了開裂溫度并將其作為評定橡膠顆粒環(huán)氧瀝青混合料低溫性能的合理性指標(biāo)；Tan Yiqiu，Zhang Lei[7]等通過對5種類型的瀝青混合料進(jìn)行小梁彎曲、間接拉伸、收縮系數(shù)、凍斷試驗(yàn)，結(jié)果表明：彎曲應(yīng)變能密度與瀝青混合料的開裂溫度具有較好的相關(guān)性；李彩霞[8]等采用半圓彎曲試驗(yàn)研究多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫性能，并采用抗彎拉強(qiáng)度和斷裂能密度作為低溫性能的評價指標(biāo)；李偉[9]在間接拉伸試驗(yàn)中引入臨界開裂溫度的概念，研究Sasobit對AC-13混合料低溫性能的影響。綜述，之前的研究多采用彎曲試驗(yàn)或者彎曲蠕變試驗(yàn)研究膠粉改性瀝青混合料的低溫性能，盡管也有學(xué)者對開裂溫度展開了研究，不過主要針對基質(zhì)及普通改性瀝青混合料，然而對比分析溫拌前、后不同目數(shù)的膠粉改性瀝青混合料的開裂溫度的研究依然較少。為更加客觀比較不同類型膠粉改性瀝青混合料的低溫性能，該文采用多個低溫性能評價指標(biāo)，進(jìn)行溫拌前后膠粉改性瀝青混合料的彎曲及彎曲蠕變試驗(yàn)，同時也比較溫拌前后膠粉改性瀝青混合料的開裂溫度，以進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料性能

(1) 膠粉改性瀝青。該文采用的膠粉改性瀝青由90#基質(zhì)瀝青與橡膠粉制備而成。橡膠粉采用60目、混合目數(shù)兩種細(xì)度且摻量均為基質(zhì)瀝青的20%(外摻)，通過篩分發(fā)現(xiàn)混合目數(shù)的橡膠粉可視為40目、60目、80目膠粉按照3∶3∶1的比例摻和而成。考慮到表面活性劑具有抗老化能力強(qiáng)及降溫能力突出的技術(shù)優(yōu)勢[10]，該文采用SDYK型表面活性劑(摻加量為0.6%)。

(2) 集料。集料應(yīng)潔凈、無風(fēng)化具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，試驗(yàn)集料采用玄武巖，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而成，各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)方案

(1) 級配和最佳瀝青用量。試驗(yàn)采用AC-16密級配瀝青混合料，熱拌瀝青混合料拌和及壓實(shí)溫度為180、165 ℃，根據(jù)“等體積原則[11]”確定溫拌瀝青混合料拌和及壓實(shí)溫度為161、146 ℃。且60目及混合目膠粉改性瀝青混合料的最佳瀝青用量為5.4%、5.6%。

(2) 低溫彎曲試驗(yàn)。將成型的車轍板切割成 250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，采用UTM設(shè)備在0、-10、-20 ℃的試驗(yàn)溫度下，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[12]中T0715—2011的要求進(jìn)行，并按照規(guī)程計(jì)算抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變。

(3) 低溫彎曲蠕變試驗(yàn)。低溫彎曲蠕變試驗(yàn)所用試件及設(shè)備與低溫彎曲試驗(yàn)完全一致，具體試驗(yàn)操作可參考JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0728—2011，為了便于試驗(yàn)結(jié)果的比較，在保證試驗(yàn)精度的前提下統(tǒng)一將試驗(yàn)時間設(shè)定為90 min，并最終按照規(guī)程計(jì)算蠕變速率。利用1Stopt 軟件的麥夸特法(LM)“標(biāo)準(zhǔn)+通用全局優(yōu)化法”對得到的應(yīng)變-時間曲線進(jìn)行非線性擬合，即可求出Burgers的黏彈參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 常規(guī)力學(xué)指標(biāo)分析

圖1、2為小梁彎曲試驗(yàn)中抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變隨溫度的變化情況。

從圖1、2可知：① 隨著溫度的升高，抗彎拉強(qiáng)度的變化規(guī)律性不強(qiáng)，在相同試驗(yàn)溫度下，溫拌后膠粉改性瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度都有所降低，說明溫拌后降低了膠粉改性瀝青混合料的低溫承載能力；② 最大彎拉應(yīng)變隨著溫度的升高不斷增大，對熱拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變大于混合目膠粉改性瀝青混合料，溫度較高時效果更加明顯，說明前者具有更好的變形能力，在嚴(yán)寒的冬季不易開裂。溫拌后兩種瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變都變大，說明溫拌后瀝青混合料的低溫抗裂性也得到改善，這主要是由于溫拌瀝青混合料的拌和溫度較低，拌和過程中瀝青的老化程度降低，與熱拌相比溫拌瀝青混合料的膠漿黏度小，表現(xiàn)出較大的變形能力；③ 采用抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變評價溫拌膠粉改性瀝青混合料的結(jié)果不一致，因此須采用更加客觀合理的指標(biāo)來評價溫拌膠粉改性瀝青混合料的低溫性能。

圖1 抗彎拉強(qiáng)度

圖2 最大彎拉應(yīng)變

2.1.2 能量分析法

瀝青混合料的低溫性能是由材料的低溫變形能力和低溫承載能力共同決定，所以僅從一個方面評價瀝青混合料的低溫性能是不合理的。有資料[13]研究表明，可用單位體積的破壞能來評價瀝青混合料的低溫性能，破壞時消耗的能量越大，說明其抗裂性越好，應(yīng)變能密度計(jì)算公式見式(1)，具體結(jié)果見表1。

表1 膠粉改性瀝青混合料的彎曲破壞能密度

(1)

式中：wf為應(yīng)變能密度函數(shù)；σ(ε)為應(yīng)力關(guān)于應(yīng)變的函數(shù)；εc為最大應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變。

從表1可知：彎曲破壞能密度隨著溫度的降低不斷減小，這主要是溫度降低材料的柔韌性能降低，當(dāng)溫度低于某一值瀝青混合料的黏彈性不再顯著，相反表現(xiàn)出脆性材料的特性。對熱拌及溫拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的彎曲破壞能密度始終大于混合目膠粉改性瀝青混合料，且溫度越高越顯著，這是由于前者瀝青結(jié)合料所用膠粉偏細(xì)，橡膠粉顆粒與瀝青的溶脹作用也比混合目膠粉改性瀝青結(jié)合料顯著，該作用使橡膠顆粒的體積發(fā)生膨脹并在橡膠顆粒周圍形成凝膠體，作用力越強(qiáng)橡膠粉顆粒間的交聯(lián)作用也越強(qiáng)[14-15]，最終反映為前者柔性較后者大，變形能力強(qiáng)，故需要輸入較高的能量才能破壞。對比溫拌前、后的瀝青混合料發(fā)現(xiàn)：溫拌后瀝青混合料的應(yīng)變能密度都增大，只是60目膠粉改性瀝青混合料的增大效果比混合目膠粉改性瀝青混合料的更加顯著，說明降低拌和溫度可改善瀝青混合料的低溫性能。

2.2 低溫彎曲蠕變試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 基于蠕變速率的結(jié)果分析

膠粉改性瀝青混合料不同溫度的蠕變速率見圖3。

由圖3可知：溫度越低蠕變速率越小，具體表現(xiàn)為溫度每降低10 ℃，蠕變速率下降一個數(shù)量級，蠕變速率可以間接反映材料的松弛能力。蠕變速率小，松弛能力小，瀝青混合料彈性性能強(qiáng)，在相同的溫度條件下更容易引起低溫開裂。對熱拌及溫拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的蠕變速率總是大于混合目膠粉改性瀝青混合料的蠕變速率，說明前者的應(yīng)力松弛能力比后者強(qiáng)，進(jìn)一步證明前者的低溫抗裂性能比后者強(qiáng)；對比溫拌前、后的瀝青混合料：溫拌后瀝青混合料的蠕變速率都增大了，說明溫拌后瀝青混合料的應(yīng)力松弛能力增大，低溫柔性增強(qiáng)，這主要是由于溫拌瀝青混合料拌和溫度低，拌和過程瀝青的老化程度降低，低溫流動變形性能比熱拌瀝青混合料好。從低溫松弛能力的角度考慮同樣推薦采用溫拌60目膠粉改性瀝青混合料。

圖3 膠粉改性瀝青混合料不同溫度的蠕變速率

2.2.2 基于Burgers模型的黏彈參數(shù)分析

圖4為膠粉改性瀝青混合料的低溫黏彈參數(shù)。由圖4可知：不同試驗(yàn)溫度下擬合得到的黏彈參數(shù)存在較大差異，隨著溫度的降低，Burgers模型的4個黏彈參數(shù)都增大，說明隨溫度的降低，膠粉改性瀝青混合料的黏性不斷衰減，彈性不斷增強(qiáng)，低溫下膠粉改性瀝青混合料的彈性性能突出。對熱拌及溫拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的4個黏彈參數(shù)小于混合目膠粉改性瀝青混合料的參數(shù)，說明前者的黏性性能也比后者顯著，低溫抗裂性也比后者強(qiáng)；對比溫拌前、后的膠粉改性瀝青混合料：溫拌后兩類瀝青混合料的黏彈參數(shù)都減小了，說明溫拌后瀝青混合料的低溫性能確實(shí)得到了改善，這同樣由于溫拌瀝青混合料拌和溫度低，拌和過程瀝青老化程度降低，低溫流變性能好。從材料的黏彈特性考慮推薦采用黏彈參數(shù)較小的溫拌60目膠粉改性瀝青混合料。

圖4 Burgers模型黏彈參數(shù)

2.3 低溫開裂溫度預(yù)估

2.3.1 溫度應(yīng)變能計(jì)算

瀝青混合料的溫度應(yīng)變能可定義為：在氣溫降低過程中，單位體積的瀝青混合料內(nèi)部由于溫度收縮應(yīng)力會累計(jì)產(chǎn)生一定的能量，并將此能量定義為溫度應(yīng)變能[16]，具體計(jì)算見式(2)：

(2)

式中：w′ε為瀝青混合料溫度應(yīng)變能密度；σ(t)為降溫過程中瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力；ε(T)為從起始溫度降溫到T時瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生的累計(jì)應(yīng)變。

2.3.2 溫度應(yīng)力計(jì)算

將上面的結(jié)果代入本構(gòu)方程求出最終溫度應(yīng)力的計(jì)算表達(dá)式：

(3)

由于式(3)中的黏彈參數(shù)是通過特定溫度的彎曲蠕變試驗(yàn)得到的，對黏彈性材料來說不同溫度、作用時間的力學(xué)性能有很大差異，要將這些參數(shù)應(yīng)用于降溫過程中的膠粉改性瀝青混合料溫度應(yīng)變能的計(jì)算中，必須采用時溫等效原理來解決不斷降溫過程中的材料參數(shù)的變化問題[18]，在瀝青及瀝青混合料低溫性能與瀝青路面低溫開裂問題的研究中移位因子的計(jì)算可采用Arrhenius公式[19]：

(4)

式中：α(T)為移位因子；ΔEa為表面活化能；R為普適氣體常數(shù),取為8.314 J/(K·mol)；T0為參考溫度，絕對溫度，該文中為273 K。

則瀝青混合料在降溫過程的溫度應(yīng)力可表示為：

(5)

將式(5)代入式(2)，得到溫度應(yīng)變能的表達(dá)式，見式(6)：

(6)

從式(6)可知溫度應(yīng)變能是時間t的函數(shù)，被積函數(shù)的表達(dá)式非常復(fù)雜，同時移位因子是指數(shù)函數(shù)，這就使積分變得更加復(fù)雜，為了簡化計(jì)算，對式(6)進(jìn)行離散化處理，將時間步長設(shè)為2 s，對積分進(jìn)行離散處理，已知應(yīng)變率為4×10-4/s，ti時刻Ti溫度下對應(yīng)的移位因子為α(T)i，溫度達(dá)到T時，其所用時間為(10-T)/5，則溫度應(yīng)變能密度的計(jì)算式最終離散化為式(7)，具體計(jì)算結(jié)果見表2。

(7)

2.3.3 低溫開裂溫度預(yù)估

由表1得到低溫彎曲破壞能密度隨溫度的變化規(guī)律，由表2得到溫度應(yīng)變能密度隨溫度的變化規(guī)律，將表1、2的結(jié)果繪于圖5。

由圖5可知：彎曲破壞能密度隨溫度的降低而減??；相反，溫度應(yīng)變能密度隨溫度的降低而增大，說明一定存在一個臨界溫度，高于此溫度前者大于后者，低于此溫度后者大于前者，并將該臨界溫度定義為預(yù)估開裂溫度。但是考慮到試驗(yàn)設(shè)備等因素限制，-30 ℃的測試結(jié)果精度較差且難以獲取(該溫度下試驗(yàn)試件變形小且線性差動式位移傳感器極易結(jié)霜，導(dǎo)致傳感器難以精確測量試件的變形)；因此試驗(yàn)僅在0、-10、-20 ℃3個溫度下進(jìn)行了測試，為了找到低溫彎曲破壞能密度和溫度應(yīng)變能密度兩條曲線的交點(diǎn)(臨界溫度)，不得不根據(jù)已有數(shù)據(jù)通過插值獲取-30 ℃的彎曲破壞能密度。同時根據(jù)時溫等效原理，采用Arrhenius公式將其他實(shí)測溫度的黏彈參數(shù)轉(zhuǎn)化為-30 ℃黏彈參數(shù)，從而計(jì)算-30 ℃的溫度應(yīng)變能密度。最終將得到的交點(diǎn)作為預(yù)估的開裂溫度列于表3。

圖5 開裂溫度預(yù)估

表3 膠粉改性瀝青混合料預(yù)估開裂溫度

從表3可知：對熱拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的開裂溫度為-20.57 ℃，混合目膠粉改性瀝青混合料的開裂溫度為-19.75 ℃，前者的開裂溫度比后者低0.82 ℃，說明熱拌60目膠粉改性瀝青混合料的低溫適應(yīng)性更強(qiáng)；同樣，對溫拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的開裂溫度比混合目膠粉改性瀝青混合料低4.38 ℃，說明溫拌60目膠粉改性瀝青混合料的低溫適應(yīng)性更強(qiáng)。對比溫拌前、后的瀝青混合料：溫拌后60目和混合目兩類膠粉改性瀝青混合料的開裂溫度分別降低了4.02、0.46 ℃，說明溫拌后瀝青混合料可以在更低的溫度下工作而不致開裂。且溫拌后60目膠粉改性瀝青混合料的低溫改善效果比混合目膠粉改性瀝青混合料更加顯著。預(yù)估的開裂溫度計(jì)算結(jié)果也同樣說明溫拌60目膠粉改性瀝青混合料的低溫性能最佳。

盡管不同膠粉改性瀝青混合料之間的低溫開裂溫度預(yù)估值之間的差異性比較小，但是依然存在差異，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因一方面是因?yàn)?30 ℃的彎曲破壞能密度是根據(jù)0、-10、-20 ℃3個實(shí)測溫度的試驗(yàn)結(jié)果采用插值法求得，事實(shí)上當(dāng)溫度較低時瀝青混合料表現(xiàn)出彈性材料的特性，其彎曲破壞能密度可近似為一個常數(shù)，那么采用插值法預(yù)測的結(jié)果往往偏??；另一方面，因?yàn)樵谟?jì)算溫度應(yīng)變能密度過程中假設(shè)降溫速率為5 ℃/h。由式(7)及相關(guān)文獻(xiàn)[20]可知，降溫速率越大，溫度應(yīng)變能密度也越大。實(shí)際瀝青路面的降溫速率往往小于假設(shè)的降溫速率，因此實(shí)際的溫度應(yīng)變能密度也比理論計(jì)算值小。正是因?yàn)椴逯捣ǖ玫降?30 ℃的彎曲破壞能密度偏小而理論計(jì)算的溫度應(yīng)變能密度又偏大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏保守且其差異性也較小。盡管預(yù)估的開裂溫度不等于實(shí)際的開裂溫度，但可將其作為低溫性能的一個重要參考指標(biāo)。為了獲得真實(shí)的開裂溫度，建議采用約束試件的溫度應(yīng)力試驗(yàn)(TSRST)完成進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 結(jié)論

(1) 彎曲破壞能密度可作為評價溫拌膠粉改性瀝青混合料低溫性能的重要指標(biāo)。

(2) 低溫彎曲蠕變試驗(yàn)結(jié)果表明：溫度越低，蠕變速率也小。60目膠粉改性瀝青混合料的低溫性能始終優(yōu)于對應(yīng)的混合目膠粉改性瀝青混合料，且溫拌后混合料的低溫性能有一定程度的提高。

(3) 以Burgers模型為基礎(chǔ)預(yù)估的開裂溫度同樣顯示出溫拌60目膠粉改性瀝青混合料優(yōu)越的低溫性能。