陸佳寶，王國忠，胡江三，劉仲寧

(內蒙古農業(yè)大學 能源與交通工程學院，呼和浩特 010018)

0 引 言

近年來，高模量改性瀝青優(yōu)越的高溫性能得到了廣泛的驗證，但關于其抗疲勞、低溫抗裂等路用性能的研究結論尚未統(tǒng)一[1-3]。Xiao等[4]在基質瀝青和SBS改性瀝青中分別摻入兩種高模量改性劑，發(fā)現(xiàn)其高溫性能明顯提高，但低溫性能略有下降；Wang[5]、Perrt[6]、程梅[7]、王修山等[8]將不同形式的纖維或長鏈高分子物質與高模量改性劑復配使用，一定程度上增強了其低溫抗裂性，同時提高了其耐久性；馬立杰等[9]通過對高模量瀝青混合料中添加纖維，提高了其低溫抗裂性能、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞耐久性。

在瀝青疲勞性能研究方面，2010年Johnson等提出了線性振幅掃描(linear amplitude sweep,簡稱為LAS)，通過連續(xù)性遞增應變下的動態(tài)剪切試驗得到瀝青加速破壞過程的流變學指標，具有一定的合理性和科學性[10]。在國內，張喜軍等也基于LAS試驗對硬質瀝青的疲勞性能進行了評價，采用粘彈連續(xù)介質損傷模型(VECD模型)計算了瀝青的疲勞壽命，得出應力-應變曲線中峰值應力處的應變可以作為評價硬質瀝青路面疲勞壽命的評價指標[11]。

文章對常見的高模量改性劑RCA改性劑進行了研究，通過瀝青3個基本性能指標、布式粘度、LAS等手段著重討論了其抗疲勞性能，提出了RCA改性瀝青新的疲勞破壞準則并以瀝青混合料疲勞性能進行了驗證；通過傅里葉紅外光譜分析了其改性機理，基于介電性質討論了瀝青組分隨RCA改性劑摻量的變化情況，并將基于介電性質的瀝青組分與瀝青路用性能之間做了關聯(lián)性分析，驗證了此分析方法的可行性。

1 試驗設計

1.1 原材料

采用90#基質瀝青作為基質瀝青。選取11.3%、16.7%、21.8%、26.8% 4個RCA改性劑摻量制成改性瀝青，RCA改性劑指標見表1。

表1 RCA改性劑基礎指標Table 1 Basic index of RCA modifier

采用AC-13礦料級配，通過馬歇爾設計方法進行90#基質瀝青瀝青混合料與RCA最佳摻量改性瀝青混合料的級配設計，并獲得最佳油石比，分別為5.2%，5.0%。

1.2 基本性能試驗

分別對90#基質瀝青與4種不同摻量的RCA改性瀝青進行進行3個基本性能指標試驗和布洛克菲爾德黏度試驗(100，120 ，135 ，160 ，175 ℃)。

1.3 線性振幅掃描試驗

采用動態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer,以下簡稱為DSR)對90#基質瀝青與RCA改性瀝青的疲勞性能進行研究，疲勞試驗選取LAS試驗。

1.4 瀝青混合料試驗

采用UTM-100萬能試驗機，參照美國AASHTO T321標準進行四點彎疲勞試驗，采用應變控制的半正弦波加載模式。試驗條件分別選取15 ℃試驗溫度，10 Hz的加載頻率，500 με、600 με、700 με、800 με 4個加載應變。

1.5 微觀機理性試驗

傅里葉紅外光譜試驗通過采用HF-03瀝青快速分析儀進行模擬,波長范圍4 000～400 cm-1，內部掃描32次。

采用云麓科技在線射頻微波譜分析儀進行介電常數(shù)試驗，介電常數(shù)范圍為1～6.2。試驗數(shù)據(jù)取10 min至40 min各介電常數(shù)范圍30 min讀數(shù)的平均值。

2 RCA改性劑摻量確定

2.1 三大指標數(shù)據(jù)分析

圖1為不同RCA改性劑摻配比例的瀝青3個基本性能指標試驗結果。從圖1觀察可知，隨著RCA改性劑摻量的增加，針入度、延度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，軟化點呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。這是由于RCA改性劑的主要成分為瀝青重質組分，它的摻入導致瀝青中輕組分的比例減小，從而致使瀝青的硬度、脆性與粘度產生變化。當RCA摻量在16.7%～21.8%之間時，瀝青針入度和延度變化速率均呈現(xiàn)平緩狀態(tài)。同時RCA摻量在21.8%～26.8%之間時，軟化點較高且增加趨勢較平穩(wěn)。由瀝青三大指標的變化趨勢可以得出，RCA改性劑的摻入對基質瀝青抗疲勞性能有所提高。

圖1 瀝青3個基本性能指標Fig.1 Three basic performance indexes of asphalt

2.2 布洛克菲爾德黏度數(shù)據(jù)分析

圖2為不同RCA改性劑摻配比例的瀝青布洛克菲爾德黏度試驗結果。從圖2觀察可知，在相同試驗溫度條件下，隨著RCA改性劑摻量的增加，瀝青的黏度值也在增加，抗疲勞性能增強。以135 ℃下的黏度值變化來分析，隨著改性劑摻量的增加，其黏度值分別為基質瀝青的0.8倍、1.08倍、2.54倍、4.31倍。粘溫曲線在雙對數(shù)坐標下接近于直線，利用Origin軟件對其進行線性擬合后參數(shù)如表2。

圖2 布洛克菲爾德黏度Fig.2 Brockfield viscosity

表1 布洛克菲爾德黏度雙對數(shù)曲線擬合參數(shù)

由表2可以看出，隨著RCA改性劑的摻入，斜率絕對值增大，主要是由于RCA改性劑的摻入改變了基質瀝青原有的4組分比例，從而致使瀝青黏度與溫度敏感性變大。在16.7%～21.8%RCA改性劑摻量時，瀝青的黏度與溫度敏感性處于平穩(wěn)狀態(tài)。

3 瀝青疲勞性能研究

通過開展瀝青疲勞試驗，得出不同改性劑摻量下RCA改性瀝青抗疲勞性能變化程度，結合瀝青的三大指標與瀝青的粘度數(shù)據(jù)所得的結果，在16.7%～21.8%RCA改性劑摻量之間選取改性瀝青的最佳摻配比例。

3.1 規(guī)范法分析結果

AASHTO規(guī)范中以|G*|·sinδ作為材料內部狀態(tài)參數(shù)定義損傷，并以|G*|·sinδ衰減至35%作為疲勞失效準則，通過Schapery模型，基于熱力學不可逆原則可對損傷進行量化可以計算得到瀝青的疲勞壽命與應變之間的關系。計算過程如式(1)-(8)，計算結果如圖3：

(1)

logG′(ω)=m(logω)+b

(2)

α=1+1/m

(3)

log(C0-|G*|sinδ)=log(C1)+C2·log(D)

(4)

Df=0.35(C0/C1)＾(1/C2)

(5)

(6)

B=2α

(7)

Nf=A(γmax)-B

(8)

式中：|G*|為復數(shù)剪切模量；δ為相位角；ID為計算應變區(qū)間初始復合剪切模量；γ為給定數(shù)據(jù)點的應變；t為時間；C0為0.1%應變間隔開始的|G*|sinδ的值；C1和C2為曲線擬合系數(shù)；D為損傷；Df為疲勞失效值；f為加載頻率。

圖3(a)為瀝青疲勞損傷計算結果。從圖3(a)觀察可知，瀝青疲勞損傷的累積速率隨著RCA改性劑摻量的增加而增快，且在50 s左右累積損傷發(fā)生紊亂現(xiàn)象并伴隨一段時間的平臺區(qū)，表明從紊亂開始累積損傷增長速度減緩，可以理解為此平臺區(qū)域即瀝青屈服階段，屈服過后瀝青損傷急劇增長直至破壞。說明RCA改性瀝青較基質瀝青增加了瀝青屈服階段，隨著RCA摻量的增加瀝青損傷的累積速率變快。

圖3(b)為瀝青疲勞壽命計算結果。從圖3(b)觀察可知，RCA改性瀝青在2%低應變下壽命高于基質瀝青、高應變下壽命低于基質瀝青，RCA改性瀝青對應變的依賴性明顯高于基質瀝青，這與諸多學者研究得出的高模量改性瀝青混合料在低溫下疲勞壽命優(yōu)于基質瀝青混合料的結論是一致的[8]。

綜合上述性能，可選擇16.7%作為RCA改性劑的最佳摻量。

圖3 規(guī)范法疲勞壽命計算結果Fig.3 Calculation results of fatigue life by standard method

3.2 新疲勞失效準則的提出與驗證

疲勞失效準則是判定疲勞壽命的重要依據(jù)，LAS試驗作為現(xiàn)階段評價和預測瀝青疲勞性能的快速試驗方法被廣泛應用，但該試驗面臨的最主要的問題就是破壞準則的非普適性。

圖4 相位角-振蕩應變圖Fig.4 Phase angle-oscillation strain diagram

Kim等[12]也做過類似LAS的試驗，并提出以相位角峰值作為疲勞破壞的定義，并驗證了其合理性。借鑒此思路，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，RCA改性瀝青在疲勞破壞過程中隨著振蕩應變的增加，相位角會出現(xiàn)上下震蕩紊亂的現(xiàn)象如圖4，這主要是由于RCA改性劑中除巖瀝青與高分子材料外還含有部分與基質瀝青不混溶的物質作為分散相分散在基質瀝青中，導致瀝青的非均質性增強，當剪切應變達到某一水平分散相與分散介質變形不統(tǒng)一、應變滯后與應力的幅度不統(tǒng)一，造成大應變下相位角幅值紊亂的現(xiàn)象。相位角幅值紊亂也可間接說明此時改性瀝青內部發(fā)生了微損傷，因此將其作為疲勞失效的準則理論上是可行的。

將瀝青相位角數(shù)值紊亂時所對應的振蕩應變作為疲勞破壞應變εd，所對應的|G*|sinδ定義為Cd，對VECD模型中疲勞失效值Df進行改進，改進后的公式如下：

(9)

(10)

B=2α

(11)

Nf=Ad(γmax)-B

(12)

式中：Dd為瀝青疲勞失效值，采用新疲勞失效準則對基質瀝青與16.7%RCA改性瀝青疲勞性能進行計算，計算結果如圖5。

圖5 基于新疲勞破壞準則的瀝青疲勞壽命Fig.5 Asphalt fatigue life based on new fatigue failure criterion

從圖5觀察可知，通過新疲勞失效準則得出的16.7%RCA改性瀝青在2%低應變下疲勞壽命均高于基質瀝青的疲勞壽命，這與上述分析中低應變情況下16.7%RCA改性瀝青的抗疲勞性能優(yōu)于基質瀝青抗疲勞性能的結論是一致的。

對新瀝青疲勞失效準則進行瀝青混合料疲勞性能驗證，分別制作基質瀝青與16.7%RCA改性瀝青兩種瀝青混合料。對兩種瀝青混合料進行四點彎曲疲勞試驗，對每種加載應變分別進行3組對照實驗，以確保疲勞試驗的準確性。不同加載應變的瀝青混合料疲勞壽命如圖6所示，由圖可知，兩種瀝青混合料的疲勞壽命隨著加載應變的增加而減小。

圖6 不同應變下瀝青混合料疲勞壽命Fig.6 Fatigue life of asphalt mixture under different strain

為將瀝青混合料的應變水平與瀝青的應變水平相對應，本文采用應變比的概念。當使用80倍的應變比時，基于 S-VECD 模型預測的瀝青疲勞壽命和瀝青混合料疲勞壽命的預測值有著很好的對應關系[13]。因此，本文選擇80作為瀝青與瀝青混合料的疲勞應變比值。即瀝青混合料500 με、600 με、700 με、800 με 4個加載應變所對應瀝青的振蕩應變分別為4%、4.8%、5.6%、6.4%。通過新的疲勞失效準則，分別計算出4種振蕩應變所對應的基質瀝青與16.7%RCA改性瀝青的疲勞壽命，并將其與瀝青混合料疲勞壽命建立對應關系，如圖7所示。

圖7 瀝青疲勞壽命與瀝青混合料疲勞壽命的相關性Fig.7 The correlation between asphalt fatigue life and asphalt mixture fatigue life

如圖所示，圖7(a)為新瀝青疲勞失效模型所得出的基質瀝青疲勞壽命同基質瀝青混合料疲勞壽命相關性分析圖，圖7(b)為16.7%RCA改性瀝青同改性瀝青混合料疲勞壽命的相關性分析圖。兩者的規(guī)律一致且相關性良好，R2均達到了0.99以上，說明瀝青在瀝青混合料疲勞性能中其主要作用，同時說明文中所提出新的瀝青疲勞失效模型是合理的。

4 RCA改性瀝青改性機理分析

4.1 RCA改性瀝青微觀機理分析

圖8為不同RCA摻量改性瀝青紅外光譜。從圖8觀察可知，隨著RCA改性劑摻量的增加，瀝青中的波峰產生了一定變化，但并沒有新的波峰產生，只是隨著改性劑摻量的增加，瀝青中對應的吸收峰強度增大。這種變化情況表明，RCA改性劑對90#基質瀝青的改性過程沒有新的波峰產生，為物理改性，且沒有新的官能團產生。

圖8 不同RCA摻量改性瀝青紅外光譜Fig.8 FT-IR spectra of modified asphalt with different RCA content

為量化評價不同RCA改性劑摻量的瀝青官能團的變化情況，利用Origin軟件對曲線進行分峰擬合，擬合相關系數(shù)均大于0.95。進一步計算分解峰的面積，采用亞砜基指數(shù)(SI)、羰基指數(shù)(CI)和丁二烯指數(shù)(BI)3個指標進行評價[14]，計算結果列于表3。

表3 SI、CI和BI的變化情況Table 3 Changes of SI, CI and BI

由表3可以看出，隨著RCA改性劑摻量的增加，SI、CI 和 BI 3種指標逐漸增加，相較于其他兩種指標SI變化的最為明顯。而當RCA改性劑摻量由11.3%增加到16.7%時，瀝青中SI、CI 和 BI 3種指標的增幅趨勢最為突出。當RCA改性劑摻量由16.7%進一步增大時，瀝青中SI、CI 和 BI 3種指標的增幅趨勢逐漸減緩。以隨著改性劑摻量的增加瀝青中SI、CI 和 BI 3種指標的增幅情況作為分析依據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，SI、CI 和 BI 3種指標的增幅狀態(tài)在RCA改性劑摻量為16.7%時出現(xiàn)了拐點。這也是RCA改性劑最佳摻量選擇16.7%的原因之一。

4.2 RCA改性瀝青疲勞性能表征機理解釋

胡江三等證明了采用介電常數(shù)對瀝青組分進行劃分并以此關聯(lián)瀝青老化前后的性能變化的分析方法是可行的[15]。在瀝青混合料領域,介電性質的研究主要集中在對瀝青路面密度的預測，如基于介電特性的混合料密度模型的預估、自愈合情況的觀測等[16,-7]。工業(yè)微波CT通過測定瀝青中不同物質的介電常數(shù)來反應瀝青組成，試樣約30 g，可保證取樣代表性。

在測試范圍內將介電常數(shù)從1.0～6.2平均分為10份，即組分1(介電常數(shù)范圍1.0～1.52)、組分2(1.53～2.04)、……、組分10(5.69～6.2)，將5種瀝青的介電常數(shù)測試結果作圖9。

圖9 不同RCA摻量改性瀝青組分分布Fig.9 Component distribution of modified asphalt with different RCA content

由圖9觀察可知，RCA改性劑的摻入明顯改變了基質瀝青的組分分配比例，RCA改性劑摻量越大，介電常數(shù)較大的組分含量越大。將上述10種組分與新疲勞失效準則所計算出的疲勞壽命做灰關聯(lián)分析，計算結果列于表4。

表4 組分與疲勞壽命的關聯(lián)度Table 4 Correlation degree between component and fatigue life

從表4可以看出，每種組分與瀝青疲勞壽命Nf關聯(lián)度均不同，說明不同組分對瀝青疲勞壽命的貢獻率不同，瀝青疲勞壽命由某一種或多種組分主要決定；從關聯(lián)度平均值來看，各組分與Nf的關聯(lián)度平均值達到了0.83，也側面證明了通過相位角紊亂對應的紊亂應變εd計算得出瀝青疲勞壽命，并對瀝青抗疲勞性能進行評價的方法是可行的。

5 結 論

(1)根據(jù)基質瀝青與不同改性劑摻量的RCA改性瀝青的三大指標、布式黏度、粘溫曲線、紅外光譜、疲勞壽命等參數(shù)確定RCA改性劑的最佳摻量為瀝青質量的16.7%。

(2)RCA改性劑在對90#基質瀝青的改性過程中，沒有新的波峰出現(xiàn)且未有新的官能團產生，為物理改性。

(3)RCA改性瀝青由于自身特點在相位角-應變曲線峰值后會產生紊亂現(xiàn)象，利用紊亂點所對應的應變εd作為疲勞破壞準則計算出的疲勞壽命Nf來評價RCA改性瀝青的抗疲勞性能是可行的。

(4)在2%低應變下，RCA改性瀝青的疲勞性能優(yōu)于基質瀝青，對應變的依賴性更高。