作者簡(jiǎn)介：譚 敏（1990—），工程師，主要從事道路橋梁工程研究工作。

摘要：瀝青混合料老化會(huì)嚴(yán)重影響其路用性能，導(dǎo)致路面開裂敏感性增加、密實(shí)性下降、應(yīng)力松弛能力降低，即瀝青的黏彈特性受到影響。為研究瀝青混合料黏彈性質(zhì)隨老化程度的變化規(guī)律，文章采用黏彈特性參數(shù)分析不同老化程度下瀝青混合料的開裂性能和老化敏感性。通過在室內(nèi)開展瀝青混合料老化模擬，測(cè)試不同老化狀態(tài)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量、相位角，構(gòu)建主曲線，分析主曲線及其相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明：G-R_m參數(shù)以及主曲線參數(shù)隨著不同老化條件呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，隨著老化程度增加，瀝青混合料的抗開裂性能和黏彈特性參數(shù)對(duì)老化的敏感性下降。

關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青混合料；黏彈特性；開裂；老化敏感性

中圖分類號(hào)：U416.03

0 引言

瀝青混合料老化問題對(duì)瀝青路面的使用壽命有極大影響，一直受到相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和研究者的關(guān)注。對(duì)瀝青混合料老化過程的性能變化進(jìn)行研究，有助于揭示瀝青混合料老化的本質(zhì)。線性黏彈特性是瀝青混合料的基本特性，分析老化引起的瀝青混合料彈性性能變化有助于量化老化對(duì)混合料性能的影響。瀝青混合料的老化包括兩個(gè)主要過程：揮發(fā)和氧化。揮發(fā)主要發(fā)生在混合和壓實(shí)階段，在高溫（約150℃）下，瀝青較輕組分（碳?xì)浠衔铮?huì)蒸發(fā)。由于瀝青中的碳?xì)浠衔锱c氧氣會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此在加工過程中和使用期間會(huì)發(fā)生氧化^[1-2]。瀝青氧化導(dǎo)致瀝青混合料性能發(fā)生變化，主要是變硬和脆性增加，同時(shí)降低了應(yīng)力松弛能力。因此，老化的混合料具有更高的開裂敏感性，并可能損害路面的使用性能，不利于服役壽命。瀝青混合料室內(nèi)模擬老化方式主要分為壓實(shí)試樣和松散試樣^[3-4]。研究表明，100℃以上的老化瀝青溫度可能會(huì)破壞極性分子結(jié)合，從而導(dǎo)致瀝青粘合劑中硫化物的熱分解^[5]。上述研究表明，瀝青混合料的老化對(duì)其性能有極大影響，特別是在較高溫度條件下影響更為顯著。通過測(cè)試瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量，以評(píng)估瀝青混合料的黏彈性能，也已有相關(guān)研究^[6-7]。Mensching等^[8]借鑒瀝青結(jié)合料Glover-Rowe參數(shù)，評(píng)估瀝青混合料的壓實(shí)性能。經(jīng)證明，該參數(shù)與瀝青混合料抗開裂性能關(guān)系良好，已被美國(guó)NCHRP09-58項(xiàng)目用以評(píng)估瀝青混合料老化再生。與此同時(shí)，在瀝青混合料主曲線參數(shù)中，還有許多參數(shù)被學(xué)者用于分析瀝青混合料線性黏彈特性，包括拐點(diǎn)頻率（-β/γ）、玻璃態(tài)模量和拐點(diǎn)模量之差（γ）、相位角峰值（α）和相位角峰值所對(duì)應(yīng)頻率（c），這些參數(shù)可有效評(píng)估瀝青混合物的黏彈特性^[9-11]。然而，很少有人使用這些參數(shù)來揭示不同老化條件對(duì)瀝青混合料線性黏彈特性的影響。因此，本文通過測(cè)試不同老化狀態(tài)下瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角，采用前文所述參數(shù)分析不同老化狀態(tài)下瀝青混合料線性黏彈特性變化規(guī)律。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料及混合料級(jí)配

本文采用A級(jí)70^#瀝青作為膠結(jié)料，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。細(xì)集料為石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r研磨而成，其各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范對(duì)瀝青路面用礦料要求。粗集料為輝綠巖，檢測(cè)指標(biāo)見表2。

選用AC-13C型級(jí)配，合成級(jí)配曲線見圖1。

1.2 試驗(yàn)方案

為了比較瀝青混合料在不同老化水平下的線性黏彈特性，使用意大利Matest公司生產(chǎn)的瀝青混合料性能測(cè)試儀（AMPT）開展瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及相位角測(cè)試。測(cè)試溫度為5℃、20℃、35℃，加載頻率為0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz。使用系統(tǒng)自帶軟件構(gòu)建不同老化水平下混合物的動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)模量及相位角主曲線分析

采用sigmoidal方程擬合動(dòng)態(tài)模量主曲線，具體見式（1）：

式中：ω——頻率；

α、β和γ——描述動(dòng)態(tài)模量主曲線形狀的擬合系數(shù)。

將5℃、35℃動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果向20℃平移，形成動(dòng)態(tài)模量主曲線。圖2和圖3中給出了不同老化水平瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線。由圖2和圖3可知，隨著老化程度的增加，瀝青混合料表現(xiàn)出更高的剛度（動(dòng)態(tài)模量）和更低的松弛能力（相位角），這兩者的變化規(guī)律反映了瀝青混合料老化程度越深越容易開裂。具體到每一種老化狀態(tài)，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量差異較小，而相位角有明顯差異性。其中，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角原樣狀態(tài)與老化狀態(tài)有明顯區(qū)別，而不同老化天數(shù)的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量差別較小，因此經(jīng)過老化后，瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量并不隨老化程度變深而明顯增加。動(dòng)態(tài)模量的對(duì)比分析結(jié)果表明瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量對(duì)老化較為敏感，但隨著老化程度加深，對(duì)老化的敏感性下降。再分析相位角可知，瀝青混合料原樣狀態(tài)與不同老化狀態(tài)的相位角差別明顯。但相位角主曲線的變化規(guī)律與動(dòng)態(tài)模量主曲線差異較大，原樣狀態(tài)、5 d老化狀態(tài)、10 d老化狀態(tài)、15 d老化狀態(tài)的相位角主曲線形狀變化較為劇烈，但10 d老化狀態(tài)、15 d老化狀態(tài)相位角主曲線形狀差異較小，表明瀝青混合料隨著老化程度加深，其黏彈性質(zhì)逐漸從黏性轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥?，且變化過程平穩(wěn)。

2.2 Glover Rowe參數(shù)分析

Glover Rowe（G-R_m）參數(shù)最初用于評(píng)估瀝青結(jié)合料的抗開裂性，后續(xù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，用于評(píng)估瀝青混合料的抗開裂性能。Glover Rowe參數(shù)如式（2）所示：

式中：s——瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量；

δ——瀝青混合料相位角。

本文參考現(xiàn)有文獻(xiàn)^[12]，采用20℃、5 Hz下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角開展計(jì)算。

圖4顯示了不同老化程度下瀝青混合料的G-R_m參數(shù)。由圖可知，隨著老化程度加深，G-R_m參數(shù)增加，說明瀝青混合料抗開裂能力逐漸下降。老化對(duì)瀝青混合料的G-R_m參數(shù)有顯著影響，其中5 d老化狀態(tài)瀝青混合料G-R_m參數(shù)是原樣狀態(tài)的5.7倍，而老化程度從5 d到10 d、從10 d到15 d，分別增加了38.1%、15.9%。與前文主曲線分析結(jié)果類似，從原樣狀態(tài)到5 d老化狀態(tài)，瀝青混合料的G-R_m參數(shù)變化明顯，而隨著老化程度加深，G-R_m參數(shù)增長(zhǎng)逐漸平緩。因此，瀝青混合料僅在開始老化階段（原樣到老化5 d）抗開裂能力急劇下降，而在后續(xù)的長(zhǎng)期老化階段（老化5 d到15 d）抗開裂能力下降平緩。

2.3 動(dòng)態(tài)模量主曲線形狀參數(shù)分析

下頁(yè)圖5、圖6顯示了不同老化狀態(tài)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線形狀參數(shù)-β/γ、γ。從圖5、圖6可知，-β/γ值隨著老化程度加深而減小，而γ值隨老化程度加深而增加，這兩個(gè)參數(shù)都與老化程度有顯著相關(guān)性。γ值表征動(dòng)態(tài)模量主曲線寬度，-β/γ表征由骨料結(jié)構(gòu)主導(dǎo)瀝青混合料黏彈特性向?yàn)r青結(jié)合料主導(dǎo)的彈性-黏性轉(zhuǎn)變過程。γ隨著老化水平的增加而增加，而-β/γ隨著老化程度的增加而減少，這意味著隨著彈性-黏性過渡點(diǎn)向較低頻率移動(dòng)，瀝青混合料將變得更具彈性，從而產(chǎn)生更平坦的動(dòng)態(tài)模量曲線。

2.4 相位角主曲線形狀參數(shù)分析

使用三參數(shù)廣義洛倫茲模型來擬合相位角主曲線，具體見式（3）：

式中：δ——相位角（°）；

ω——頻率（Hz）；

a、b和c——擬合系數(shù);

a——相位角的峰值；

b——控制主曲線的斜率；

c——峰值點(diǎn)的水平位置。

圖7、圖8顯示了不同老化狀態(tài)瀝青混合料相位角主曲線形狀參數(shù)a、c。從圖7、圖8可知，a和c值隨著老化程度的增加而降低。但老化時(shí)間為10 d、15 d時(shí)，a、c參數(shù)均變化較小，表明隨著老化程度增加，瀝青混合料黏彈特性隨老化程度的變化敏感性下降。

3 結(jié)語(yǔ)

通過室內(nèi)模擬老化，制備不同老化程度的瀝青混合料，開展動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

（1）瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線在不同老化狀態(tài)下具有突變性，主要體現(xiàn)在原樣狀態(tài)與5 d老化時(shí)間狀態(tài)的動(dòng)態(tài)模量主曲線差別較大，而5 d、10 d、15 d老化狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)模量主曲線差距相對(duì)較??；而相位角主曲線變化過程較為平緩，其黏彈性質(zhì)逐漸從黏性轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥浴?/p>

（2）G-R_m參數(shù)與瀝青混合料的老化程度有顯著相關(guān)性，隨著瀝青混合料老化程度增加，G-R_m參數(shù)逐漸增加，但從原樣狀態(tài)到5 d老化狀態(tài)、5 d到10 d、10 d到15 d，G-R_m參數(shù)增加幅度逐漸降低，因此瀝青混合料老化程度到后期階段，瀝青混合料的抗開裂性能對(duì)老化的敏感性下降。

（3）瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線形狀參數(shù)-β/γ、γ，相位角主曲線形狀參數(shù)a、c均與瀝青混合料的老化程度相關(guān)。隨著老化程度增加，瀝青混合料的黏彈特性參數(shù)對(duì)老化的敏感性下降。

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