趙振旺

(中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司第四工程分公司，重慶 400000)

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，不少已建成舊水泥混凝土路面在荷載、溫度等因素的反復(fù)作用下產(chǎn)生損壞，出現(xiàn)裂縫，不能滿足正常的交通要求。為了延長路面的使用壽命，減弱或消除反射裂縫的影響，工程上常采用設(shè)置土工織物材料的方法，但是隨著使用時間的增長，防裂效果也逐漸減弱。研究表明，應(yīng)力吸收層[1]能有效延緩反射裂縫的產(chǎn)生，同時具備抗?jié)B性和柔韌性。

周燕[2]結(jié)合工程項(xiàng)目,認(rèn)為我國對改性瀝青混合料應(yīng)力吸收層缺乏系統(tǒng)的研究以及相應(yīng)的規(guī)范，結(jié)合應(yīng)力吸收層的功能特點(diǎn)，提出了針對應(yīng)力吸收層結(jié)合料的要求，并給出了評價改性瀝青的關(guān)鍵性指標(biāo)。張爭奇等[3]為了探究長期老化與短期老化的相關(guān)性，設(shè)置了常規(guī)試驗(yàn)，組分試驗(yàn)，認(rèn)為不同的瀝青對于老化作用的敏感性并不相同，用短期老化的試驗(yàn)結(jié)果來評價長期老化并不完全可靠。賈娟等[4]通過設(shè)置普通旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)和改進(jìn)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)，分析得到了旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)不適用于模擬改性瀝青老化的原因，并給出了試驗(yàn)建議溫度。栗培龍等[5]為了對比旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)與路面自然老化瀝青的指標(biāo)對應(yīng)性和差異性，采用了5種不同瀝青，并進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化，壓力老化和60 ℃烘箱老化試驗(yàn)，分析得出3種老化試驗(yàn)?zāi)茌^好模擬實(shí)際路面瀝青老化過程的結(jié)論。李海軍等[6]分析了瀝青的老化機(jī)理以及瀝青老化過程的微觀性狀變化，通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)和壓力老化試驗(yàn)，測試了4種瀝青老化后的指標(biāo)，給出了不同測試指標(biāo)相對應(yīng)的路用性能，并認(rèn)為采用單一指標(biāo)評價瀝青老化性能具有局限性。孫大權(quán)等[7]為了模擬瀝青路面的疲勞開裂，用動態(tài)剪切試驗(yàn)儀對瀝青進(jìn)行重復(fù)疲勞試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到一種定義瀝青疲勞壽命的新指標(biāo)。王嵐等[8]從宏觀和微觀的角度，通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)，研究SBS改性瀝青和CR改性瀝青的流變性能，總結(jié)了老化前后瀝青和改性劑的結(jié)合情況，并通過試驗(yàn)對比了老化后的指標(biāo)差異。邵臘庚等[9]為了探究美國和歐盟兩種試驗(yàn)的評價指標(biāo)與瀝青高溫性能的相關(guān)性，分別采用MSCR試驗(yàn)和零剪切黏度試驗(yàn)，得出兩種評價方法與瀝青混合料車轍具有良好的相關(guān)性。陳靜云等[10]通過貫入試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，分析研究了瀝青混合料的黏彈性本構(gòu)關(guān)系，對比了Burgers模型和廣義Maxwell模型的黏彈性參數(shù)，認(rèn)為Burgers模型能更精確反映本構(gòu)關(guān)系。王隨原等[11]為了探究車轍產(chǎn)生的永久變形，通過控制溫度和荷載水平兩個變量，進(jìn)行了單軸靜載蠕變試驗(yàn)，研究了溫度和荷載對瀝青混合料蠕變特性的影響，并通過建立Burgers模型，發(fā)現(xiàn)Burgers模型能較好反映瀝青混合料的黏彈特性。

應(yīng)力吸收層夾在瀝青和水泥混凝土之間，常常因?yàn)椴牧虾褪┕さ确矫娴娜毕荻鴮?dǎo)致其無法達(dá)到預(yù)期的效果。為了確保應(yīng)力吸收層具有最佳性能，本文選取殼牌瀝青、通途瀝青、Sk90號+4%SBS及Sk90號基質(zhì)瀝青4種瀝青結(jié)合料，通過薄膜烘箱老化與壓力老化試驗(yàn)，動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，蠕變試驗(yàn)，對比分析了4種瀝青的抗老化性能、抗疲勞性能、高溫性能。

1 原材料選擇及試驗(yàn)方案

1.1 原材料的選擇

選取殼牌瀝青、通途瀝青、Sk90號+4%SBS及Sk90號瀝青進(jìn)行對比研究。

1.2 瀝青的三大指標(biāo)

瀝青的針入度試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的針入度儀在25 ℃的條件下測定4種瀝青的針入度；瀝青的軟化點(diǎn)采用環(huán)球法試驗(yàn)測得；瀝青的延度試驗(yàn)采用“智能瀝青延伸度測定儀”直接測定。試驗(yàn)儀器如圖1所示。

1.3 動態(tài)流變試驗(yàn)

本研究采用DSR動態(tài)剪切流變儀，施加正弦交變荷載，加載速率10 rad/s，進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(yàn)。

1.4 重復(fù)蠕變試驗(yàn)

為了能較好地模擬瀝青路面的實(shí)際受力和變形狀況，采取重復(fù)蠕變試驗(yàn)，加載模式為蠕變-恢復(fù)。該試驗(yàn)在UTM萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，采用應(yīng)力控制模式，試驗(yàn)溫度選取50 ℃,60 ℃和70 ℃，應(yīng)力水平為100 Pa和1 000 Pa，每個蠕變周期加載1 s，恢復(fù)9 s，荷載周期為100次。

1.5 老化試驗(yàn)

對瀝青的老化處理分為烘箱老化和壓力老化。在本次研究中，前者使用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱，后者使用SYD-0630壓力老化試驗(yàn)裝置(見圖2)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果分析

4種瀝青的初始針入度、軟化點(diǎn)、延度的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，經(jīng)烘箱老化處理的針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn)結(jié)果見表2，經(jīng)壓力老化處理的針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表1 瀝青結(jié)合料基本技術(shù)指標(biāo)

表2 烘箱老化后性能測試結(jié)果

分析4種老化前后的技術(shù)指標(biāo)結(jié)果可知：老化前，殼牌瀝青、通途瀝青、Sk90號+4%SBS改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)良好，Sk90號基質(zhì)瀝青各項(xiàng)指標(biāo)較差。經(jīng)烘箱老化后，4種瀝青軟化點(diǎn)變化均不大；Sk90號瀝青殘留針入度比為58.1%，而其他3種瀝青的殘留針入度比均大于77%；4種瀝青延度變化較大，Sk90號瀝青延度僅有1.8 cm，殼牌瀝青的延度也下降到34.5 cm。經(jīng)壓力老化后，4種瀝青的延度指標(biāo)出現(xiàn)了更大幅度的降低，其中延度最大的殼牌瀝青也僅有10.3 cm，相較于烘箱老化，壓力老化后的瀝青殘留針入度比也較低，其中殘留針入度比最高的殼牌瀝青也僅有52.7%，說明壓力老化對于瀝青性能的影響遠(yuǎn)大于烘箱老化。綜合上述室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，4種瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)相差不大，但是殼牌瀝青的抗老化能力明顯優(yōu)于其他瀝青。

表3 壓力老化后性能測試結(jié)果

2.2 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)結(jié)果分析

動態(tài)剪切流變試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

1)復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ。對于上述4種瀝青，在相同的溫度條件下，殼牌瀝青和通途瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*遠(yuǎn)大于其他兩種瀝青，相位角δ遠(yuǎn)小于其他兩種瀝青；Sk90號+4%SBS瀝青的剪切模量大于Sk90號瀝青，相位角小于Sk90號瀝青，由此可以看出：摻入SBS改性劑后基質(zhì)瀝青抵抗變形能力得到明顯提高；4種瀝青的剪切模量隨著溫度的上升而減小，相位角隨著溫度的上升而增大，意味著各瀝青的勁度隨溫度上升而降低，黏性成分增強(qiáng)。這種變化的產(chǎn)生與基質(zhì)瀝青類型、聚合物種類等因素有關(guān)。

2)車轍因子。車轍因子G*g(sinδ)-1是表征瀝青高溫抗變形性能的重要指標(biāo)。隨著試驗(yàn)溫度的升高，G*g(sinδ)-1變小。另外，有學(xué)者提出改進(jìn)型車轍因子G*g(sinδ)-9能更合理地評價改性瀝青的高溫性能，G*g(sinδ)-9值越大，表明瀝青的高溫性能越強(qiáng)。在試驗(yàn)選取的整個溫度梯度內(nèi)，殼牌瀝青和通途瀝青的G*g(sinδ)-9值遠(yuǎn)大于Sk90號+4%SBS,Sk90號瀝青，其中殼牌瀝青具有更好的高溫性能，普通改性瀝青和基質(zhì)瀝青難以滿足應(yīng)力吸收層結(jié)合料高溫性能要求。

3)老化后殘留物DSR試驗(yàn)結(jié)果。瀝青路面在服役一段時間后產(chǎn)生的疲勞破壞主要是瀝青的老化而引起的。工程上常采用疲勞因子G*gsinδ和損耗因子tanδ評價其耐久性，疲勞因子越小，損耗因子越大，瀝青抗疲勞能力愈強(qiáng)。

4種瀝青的疲勞因子隨溫度變化的規(guī)律基本上是一致的，隨著溫度上升，高分子材料動態(tài)柔性增強(qiáng)，高分子鏈段自由度變大，瀝青形變能力改善，因此，疲勞因子逐漸降低，抗疲勞能力提高。但在相同的溫度下，殼牌瀝青和通途瀝青的疲勞因子都較小，表明其具有良好的抗疲勞性能。

損耗因子tanδ表征復(fù)數(shù)剪切模量中黏性成分與彈性成分的比例，隨著溫度的上升，各瀝青其值基本上呈線性增長，瀝青黏性增強(qiáng)，逐漸向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，形變遷移和裂縫愈合能力提高，抗疲勞性能改善。在相同的溫度條件下，通途瀝青的瀝青損耗因子tanδ最大，有利于應(yīng)力吸收層消散裂尖應(yīng)力集中并導(dǎo)致裂尖鈍化，吸收或松弛形變能，緩解裂縫形成，這正是應(yīng)力吸收層材料功能之所需。

2.3 重復(fù)蠕變試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 重復(fù)蠕變試驗(yàn)結(jié)果

各瀝青的重復(fù)蠕變曲線示意圖如圖4所示，應(yīng)力水平為100 Pa的累積應(yīng)變見圖5。

分析圖5可知：4種瀝青的蠕變變形量隨時間逐漸增加，每次卸載后均可恢復(fù)大部分變形，都具有良好的彈性恢復(fù)能力。但是，綜合對比4種瀝青的累積變形量，Sk90號抵抗變形能力遠(yuǎn)不及其他4種瀝青，并且受溫度影響較大，在70 ℃條件下的累積變形量是60 ℃條件下的4倍；從試驗(yàn)結(jié)果來看，其他3種瀝青的抵抗變形能力差別不大，其中通途瀝青抗變形能力最強(qiáng)，Sk90號+5%SBS較差。

2.3.2 蠕變?nèi)崃康酿ば圆糠諫v

Burgers模型可以較好地表征瀝青的黏彈特性行為，如圖6所示。

其本構(gòu)方程如式(1)所示：

(1)

將式(1)經(jīng)過變化后可寫為：

(2)

瀝青材料的蠕變?nèi)崃康谋磉_(dá)式可以寫成以下形式：

J(t)=Je+Jev(1-e-t/Jev)+Jv

(3)

其中,Je=1/E1，Jev=η2/E2，Jv=t/η1，Gv=1/Jv。

一般稱Gv是蠕變?nèi)崃康酿ば猿煞?，常用于評價瀝青的高溫性能。

利用Matlab中的curve fitting功能，通過Burgers流變模型對第60次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，計算得到蠕變勁度的黏性部分Gv=1/Jv作為高溫評價指標(biāo)，選擇50 ℃,60 ℃和70 ℃三個溫度進(jìn)行分析，圖7為不同溫度和不同應(yīng)力水平下各瀝青的黏性參數(shù)Gv值。

分析圖7可知：當(dāng)應(yīng)力水平相同時，各瀝青的Gv值隨著溫度的升高呈下降的趨勢，從60 ℃到70 ℃，降幅接近50%，所受應(yīng)力水平越高，降幅越明顯，因此，Gv能顯著地反映溫度對瀝青高溫性能的影響，便于區(qū)分不同溫度下瀝青的路用性能，并且，在同一溫度下，外界荷載變化對Gv的影響較小，具有較好的穩(wěn)定性，在相同的溫度或應(yīng)力水平下，殼牌瀝青、通途瀝青Gv值基本接近，Sk90號+4%SBS,Sk90號基質(zhì)瀝青Gv值偏低，高溫性能難以滿足應(yīng)力吸收層結(jié)合料技術(shù)要求。

3 結(jié)論

對比分析4種瀝青的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下主要結(jié)論：1)殼牌瀝青和通途瀝青的各項(xiàng)基本技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，具有較好的塑性和耐熱性；瀝青老化后所有基本技術(shù)指標(biāo)均有所下降，其中延度指標(biāo)出現(xiàn)大幅度下降，特別是壓力老化處理后尤為明顯，Sk90號的延度僅0.2 cm，其中殼牌瀝青的抗老化性能最佳。2)摻入改性劑可明顯改善瀝青的抗變形性能；隨著試驗(yàn)溫度的上升，各瀝青的勁度降低，復(fù)數(shù)剪切模量G*變小，相位角δ增大，瀝青的黏性成分增強(qiáng)；經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化，各瀝青的G*變大，而相位角G*卻呈現(xiàn)出較大的差異性，其中自主研制的瀝青和科氏瀝青增大，Sk90號+4%SBS與Sk90號變小，殼牌瀝青變化不大，造成上述變化趨勢主要與基質(zhì)瀝青類型、聚合物種類等因素有關(guān)。3)隨著試驗(yàn)溫度的升高，G*g(sinδ)-1變?。唤?jīng)烘箱老化后，G*g(sinδ)-1變大；殼牌瀝青和通途瀝青的高溫性能優(yōu)于其余2種普通瀝青。4)瀝青疲勞因子G*gsinδ隨溫度上升而降低，瀝青損耗因子隨溫度上升基本上呈線性增長；在相同的溫度下，殼牌瀝青和SBS改性瀝青疲勞因子較小，通途瀝青損耗因子最大，表明其具有良好的抗疲勞性能。5)當(dāng)應(yīng)力水平相同時，各瀝青的Gv值隨著溫度的升高呈下降的趨勢，所受應(yīng)力水平越高，降幅越明顯;Gv值可以較好地描述瀝青的高溫性能，殼牌瀝青和通途瀝青具有較強(qiáng)的抵抗變形的能力。