收稿日期：2024-01-08

作者簡介：樊艷慶（1988—），男，本科，工程師，從事路橋施工技術(shù)及管理工作。

摘要 為了研究片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料寬頻率域的黏彈性，在制備SBS橡膠瀝青的基礎(chǔ)上，利用馬歇爾試驗確定片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的配合比，以旋轉(zhuǎn)壓實儀成型混合料試件，借助瀝青混合料性能試驗儀測試動態(tài)模量、相位角。根據(jù)時溫等效原理以Sigmoidal函數(shù)擬合橡膠瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線。結(jié)果表明：與SBS改性瀝青相比，摻加膠粉和塑化膠粉后，兩種橡膠改性瀝青的針入度、延度減小，軟化點和黏度增加；試驗溫度越低，動態(tài)模量越大，而相位角呈相反的變化規(guī)律；隨著加載頻率的增加，動態(tài)模量逐漸增大，相位角隨加載頻率的增加而減??；所擬合的瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線，其相關(guān)系數(shù)均大于0.981。

關(guān)鍵詞 道路工程；時溫等效原理；片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料；動態(tài)模量；主曲線

中圖分類號 U414文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0173-04

0 引言

瀝青混合料作為由多相材料組成的具有黏彈性力學(xué)性質(zhì)的材料，其力學(xué)特性與溫度和荷載頻率關(guān)系密切，且瀝青混合料的動態(tài)模量、相位角是表征其黏彈性的重要指標(biāo)，能夠反映瀝青混合料的溫度-頻率依賴性。鑒于瀝青路面應(yīng)用環(huán)境和荷載形式的多樣性，為了獲取更寬加載頻率和測試溫度條件下的動態(tài)模量和相位角，依據(jù)時溫等效原理，程懷磊等根據(jù)實測應(yīng)變數(shù)據(jù)提出了瀝青層動態(tài)模量主曲線的確定方法，并對該方法進(jìn)行驗證[1]。此外，研究人員構(gòu)建了瀝青混合料的動態(tài)模量對溫度、頻率的依賴模型，分析了其黏彈特性[2-5]。

橡膠瀝青的使用在提高瀝青混合料路用性能的同時，還可以消解大量廢舊橡膠輪胎，實現(xiàn)資源再利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，助力國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)實現(xiàn)。隨著橡膠瀝青混合料應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對于橡膠瀝青混合料的動態(tài)黏彈性研究逐漸增加。馮振剛等研究了廢橡膠裂解炭黑改性瀝青混合料的黏彈性，并通過數(shù)值分析方法擬合了改性瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線[6]。王新強等研究了高摻量膠粉瀝青砂漿和瀝青混合料的動態(tài)模量，并探究橡膠瀝青砂漿與混合料復(fù)合模量的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)室內(nèi)試驗測試的瀝青砂漿和瀝青混合料的動態(tài)模量，采用Sigmoidal函數(shù)擬合了瀝青砂漿和混合料的動態(tài)模量主曲線，對瀝青混合料的動態(tài)壓縮模量水平進(jìn)行補充完善[7-8]。Gu等利用有限元方法重構(gòu)橡膠瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，通過數(shù)值模擬獲取了橡膠瀝青砂漿和瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線，并與室內(nèi)試驗構(gòu)建的動態(tài)模量主曲線進(jìn)行對比分析[9]。吉增暉等探討了泡沫溫拌-橡膠瀝青混合料的動態(tài)模量與熱拌瀝青混合料的差異，并借助動態(tài)模量主曲線預(yù)測了0 ℃以下和55 ℃以上的動態(tài)模量值[10-11]。

綜合已有相關(guān)研究，目前尚未有對酸性片麻巖/SBS橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的寬頻域動態(tài)模量進(jìn)行研究。該研究在制備SBS膠粉、塑化膠粉復(fù)合改性瀝青的基礎(chǔ)上開展片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計，并成型兩種瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實試件，測定其動態(tài)模量和相位角。根據(jù)時溫等效原理，結(jié)合Sigmoidal函數(shù)擬合混合料的動態(tài)模量主曲線，為從寬頻率域獲取動態(tài)模量提供依據(jù)。

1 原材料性能

1.1 橡膠改性瀝青的性能

該研究的膠粉和塑化膠粉的粒徑均為40目，為了保證瀝青與酸性集料的黏附性，摻加瀝青抗剝落劑，其摻量為SBS改性瀝青質(zhì)量的0.3%。在制備SBS膠粉改性瀝青和SBS塑化膠粉改性瀝青的情況下，測試兩種SBS橡膠瀝青的基本性能指標(biāo)，室內(nèi)試驗測試結(jié)果如表1所示。

由表1中的室內(nèi)試驗測試結(jié)果可知，在摻加膠粉和塑化膠粉后，與SBS改性瀝青相比，兩種橡膠改性瀝青的針入度、延度減小，但軟化點和黏度增加，說明兩種橡膠改性瀝青的高溫性能得到提升。對于貯存穩(wěn)定性，SBS塑化膠粉改性瀝青的離析軟化點差較小，貯存穩(wěn)定性優(yōu)于SBS膠粉改性瀝青，這是由于塑化處理后膠粉的分子鏈產(chǎn)生部分?jǐn)嗔眩档土怂芑z粉的分子量，更易與SBS改性瀝青結(jié)合，使得貯存穩(wěn)定性得以提升。

1.2 粗、細(xì)集料基本性能

粗、細(xì)集料均由酸性片麻巖經(jīng)破碎、篩分制備而成，其室內(nèi)試驗測試結(jié)果分別如表2和表3[12-14]所示。

根據(jù)表2和表3的測試結(jié)果，對比粗、細(xì)集料的技術(shù)要求，可知粗、細(xì)集料的性能指標(biāo)均符合要求。

表2 粗集料性能指標(biāo)

測試項目 技術(shù)要求 測試結(jié)果

石料壓碎值/% ≤26 14.1

洛杉磯磨耗損失/% ≤28 13.85

表觀相對密度 ≥2.60 2.694

毛體積相對密度 — 2.649

吸水率/% ≤2.0 0.635

堅固性/% ≤12 5

針片狀顆粒

含量/% ＞9.5 mm ≤12 10.85

＜9.5 mm ≤18 9.5

水洗法<0.075 mm含量/% ≤1 0.4

軟石含量/% ≤3 1.65

磨光值 ≥38 46

表3 細(xì)集料性能指標(biāo)

測試項目 技術(shù)要求 測試結(jié)果

表觀相對密度 ≥2.50 2.721

毛體積密度/（g·cm?3） — 2.64

砂當(dāng)量/% ≥60 71

堅固性/% ≤12 4

亞甲藍(lán)值/（g·kg?1） ≤25 0.75

棱角性（流動時間）/s ≥30 36

2 片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計

選用AC-16進(jìn)行馬歇爾試驗，開展片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計，瀝青混合料各檔集料的通過率見表4[12-13]所示。

表4 片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的級配

篩孔尺寸/

mm 通過率/%

級配上限 級配下限 級配中值 合成級配

19 100 100 100 100

16 100 95 97.5 95.6

13.2 86 79 82.5 80.6

9.5 67 58 62.5 63.6

4.75 40 30 35 36.5

2.36 32 23 27.5 26.3

1.18 25 17 21 19

0.6 20 13 16.5 16.2

0.3 16 10 13 12.7

0.15 13 8 10.5 9.7

0.075 10 6 8 6

根據(jù)表4的合成級配，成型馬歇爾試件，測試兩種片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的體積指標(biāo)、穩(wěn)定度和流值。根據(jù)初選不同油石比的測試結(jié)果，計算兩種片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的最佳油石比，經(jīng)計算分別為5.75%、5.975%。在滿足空隙率和礦料間隙率的條件下，兩種瀝青混合料的最佳油石比取值分別為5.5%、5.8%。

3 結(jié)果與分析

瀝青混合料對溫度具有依賴性，且在交變荷載作用下，表現(xiàn)為動態(tài)黏彈性。為了研究不同溫度、頻率條件下瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角的變化規(guī)律，該研究利用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型片麻巖-SBS膠粉和片麻巖-SBS塑化膠粉瀝青混合料試件，利用瀝青混合料性能試驗儀開展簡單性能試驗，測試溫度分別為4 ℃、20 ℃和40 ℃，測試頻率分別為0.1 Hz、1 Hz、10 Hz、25 Hz。

3.1 溫度、荷載頻率對瀝青混合料性能的影響

在低溫情況下，瀝青混合料的力學(xué)特性主要表現(xiàn)為彈性，而在中高溫情況下表現(xiàn)為黏彈性，由低溫至中高溫，力學(xué)特性發(fā)生了本質(zhì)變化。由此可知，瀝青混合料的特性對溫度具有較大的敏感性。此外，荷載頻率的變化對瀝青混合料的特性影響較大。該部分通過測試三組溫度、四種加載頻率條件下片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角，分析溫度、加載頻率對動態(tài)模量和相位角的影響規(guī)律，其動態(tài)模量和相位的測試結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的動態(tài)模量隨加載頻率的增大呈現(xiàn)出增大趨勢，對于相位角，表現(xiàn)出了與動態(tài)模量相反變化規(guī)律，除40 ℃，相位角隨加載頻率的增加而減小。相同加載頻率下，溫度越低，動態(tài)模量越大，而相位角則隨著溫度的降低而減小。此外，SBS塑化膠粉瀝青混合料的動態(tài)模量較高，說明該類型瀝青混合料具有較好的高溫抗車轍能力，性能更優(yōu)。

對于動態(tài)模量，加載頻率由0.1 Hz至25 Hz，4 ℃、20 ℃、40 ℃時的片麻巖SBS-膠粉瀝青混合料的動態(tài)模量分別增加了3.23倍、6.17倍、11.44倍，片麻巖SBS-塑化膠粉瀝青混合料的動態(tài)模量分別增加了3.02倍、5.52倍、8.41倍。對于相位角，4 ℃、20 ℃時25 Hz的片麻巖SBS-膠粉瀝青混合料相位角僅為0.1 Hz的0.498倍和0.723倍，而4 ℃、20 ℃時25 Hz的片麻巖SBS-塑化膠粉瀝青混合料相位角僅為0.1 Hz的0.516倍和0.710倍，且40 ℃的相位角隨加載頻率的增加而增大，從而表明溫度和加載頻率對片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的黏彈性的影響較大，瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)對溫度的依賴性和敏感性均較大。

3.2 瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線

根據(jù)時溫等效原理，把不同頻率和溫度條件下的動態(tài)模量進(jìn)行等效處理，并進(jìn)行函數(shù)擬合以獲得相應(yīng)頻率條件下的動態(tài)模量主曲線。利用該主曲線可預(yù)測更寬頻域和溫度域條件下的動態(tài)模量，從而突破因試驗條件或試驗數(shù)據(jù)限制所導(dǎo)致的在獲取更廣頻率范圍和更多溫度條件下動態(tài)模量的瓶頸。

該部分動態(tài)模量主曲線的研究選取20 ℃作為參考溫度，計算4 ℃和40 ℃的移位因子后，縮減頻率的計算公式如下：

fr=fαT （1）

式中，fr——縮減頻率（Hz）；f——頻率（Hz）；αT——移位因子。

利用Sigmoidal函數(shù)對根據(jù)式（1）求取的縮減頻率及動態(tài)模量進(jìn)行擬合，動態(tài)模量主曲線如圖3所示，根據(jù)擬合曲線，可得到式（2）中的各參數(shù)值，見表5。

（2）

式中，|E*|——動態(tài)模量；δ——動態(tài)模量的最小值；δ+α——動態(tài)模量的最大值（MPa）；α——變量；β、γ——擬合常數(shù)。

根據(jù)圖3兩種瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線和表5動態(tài)模量主曲線擬合參數(shù)可以看出，平移4 ℃和40 ℃的動態(tài)模量后，擬合的縮減頻率與動態(tài)模量之間的關(guān)系曲線呈“S”形，擬合相關(guān)系數(shù)均超過0.981，具有較高的相關(guān)性，且該曲線顯示出荷載頻率與瀝青混合料黏彈性力學(xué)特征的相互關(guān)系。從兩種橡膠瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線也可以看出，同一加載頻率條件下片麻巖-SBS塑化膠粉瀝青混合料的動態(tài)模量高于片麻巖-SBS膠粉瀝青混合料。由動態(tài)模量主曲線可將已有室內(nèi)試驗的加載頻率、測試溫度的結(jié)果擴(kuò)展至更廣泛的時溫范圍，從而科學(xué)地獲取寬頻率域和溫度域的動態(tài)模量。

4 結(jié)論

（1）該文在制備SBS膠粉改性瀝青和SBS塑化膠粉改性瀝青的基礎(chǔ)上，對比分析了兩種改性瀝青的性能，利用馬歇爾試驗測試兩種瀝青混合料的性能指標(biāo)，進(jìn)行配合比設(shè)計，確定了最佳油石比。

（2）利用瀝青混合料性能試驗儀測試了兩種瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角，結(jié)果表明兩種片麻巖瀝青混合料的動態(tài)模量隨溫度的升高、加載頻率的增加而增大，相位角的變化規(guī)律則相反，且摻加塑化膠粉的瀝青混合料性能優(yōu)于摻加普通膠粉的瀝青混合料。

（3）根據(jù)時溫等效原理計算縮減頻率對應(yīng)的動態(tài)模量，并對動態(tài)模量和縮減頻率進(jìn)行擬合，得到動態(tài)模量主曲線，結(jié)果表明兩者具有較高的相關(guān)系數(shù)，可用于預(yù)測更寬頻率域和溫度域的動態(tài)模量。

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