沥青胶浆高温及疲劳性能研究

李曙斌

(云南省建设投资控股集团有限公司, 云南 昆明　650501)

沥青混合料属于非线性粘弹性体的温敏性材料。随着外界温度的升高，沥青混合料中的沥青表现出3种力学状态(玻璃态、高弹态及粘流态)。根据胶浆理论[1-3]，沥青与集料、矿物填料通过物理化学吸附裹覆作用形成一个较为复杂且相对稳定、呈现空间网状结构的分散体系。沥青路面通车后将承受行车荷载的拉压作用，同时，还会受到降雨、温度变化及光照作用的影响，在经历行车动荷载和水-温-光自然环境耦合作用下，路面开始产生各种耦合损伤和破坏，尤其在夏季高温条件下，沥青的力学状态将会从高弹态逐步变成粘流态，沥青胶浆的复合模量减小，胶浆与集料之间的粘结力降低，抵抗塑性变形的能力减弱，使得沥青路面出现变软的现象，容易发生车辙，给路面安全行驶带来隐患。随着经济的快速发展，对道路运输的能力需求也不断增加，导致出现运输车辆的普遍超载、超限现象。而超重荷载的反复作用使得沥青层底弯拉应力增加，沥青胶浆将产生疲劳损伤和破坏，在沥青路面上出现横向或纵向裂缝等病害，严重时将会发展成龟裂或网裂等病害，对路面平整度和舒适性造成不利影响。因此，沥青路面高温性能和疲劳性能的宏观表现与沥青胶浆流变特性有着密切的联系。

目前，对于沥青胶浆流变特性的研究成果较多，但采用的试验方法和评价指标不够成熟。研究者对沥青胶浆高温流变性能评价采用的指标多为复合模量和相位角，合成指标为抗车辙因子。虽然该指标能够一定程度上反映沥青胶浆抵抗高温变形能力[4-10]，但该试验的加载模式与路面实际荷载作用的情况还存在着较大的差别，路面在行车荷载作用下发生的应力变形是具有回弹间隙的，而该试验并没有充分考虑；而对于沥青胶浆疲劳性能评价采用的指标为疲劳因子，当前对于该指标是否能够充分反映疲劳性能质疑很多。因此，本研究基于流变学理论和沥青流变特性试验方法，拟对沥青胶浆的高温性能和疲劳性能进行试验研究，以期为沥青胶浆性能相关研究提供 参考。

1　试验设计

1) 原材料

本试验选用优质中海油70#基质沥青和高粘沥青，矿粉选用5种不同产地但岩性相同的矿粉，矿粉编号为1#,2#,3#,4#和5#，采用激光粒度分析仪对矿粉粒度分布状况进行检测，矿粉的技术指标见表1。

表1　矿粉密度和粒度分布检测结果Table 1　The test results of mineral powder density and particle size distribution

注：D10为矿粉累计粒度分布百分数达到10%时所对应的 粒径。

2) 高温性能试验方案

沥青路面在实际行车荷载作用下的应力变形分2个阶段：①在荷载作用时，路面发生弹性变形和塑性变形；②荷载作用消失后，荷载作用时发生的弹性变形将会恢复，而塑性变形部分无法恢复。因此，为了更好地模拟沥青路面在实际受力状态下发生的变形情况，对沥青胶浆高温性能试验采用多应力重复蠕变试验，动态剪切流变仪的工作模式设定为应力控制模式，应力条件分100 Pa和3 200 Pa 2种蠕变应力水平，试验温度为60 ℃。采用的评价指标为不可恢复蠕变柔量和不可恢复蠕变柔量差。不可恢复蠕变柔量表征沥青胶浆抵抗应力变形的能力。其值越大，表明沥青胶浆高温下抵抗变形的能力越差。不可恢复蠕变柔量差反映材料对于应力条件的敏感性。其值越小，表明沥青胶浆不可恢复蠕变柔量的应力敏感差，对应力条件的改变反应迟缓，材料高温稳定性好。

3) 疲劳性能试验方案

许多学者认为：当沥青混合料劲度降低到初始劲度的50%以下时，可判定沥青路面发生了疲劳破坏。然而，沥青胶浆性能对沥青混合料影响很大。为了统一沥青胶浆和沥青混合料的疲劳破损定义，本研究将沥青胶浆的复合模量降低至初始复合模量50%时的荷载作用时间作为沥青胶浆的疲劳评价指标，该疲劳性能评价指标在许多研究中得到验证[11-12]。试验同样采用动态剪切流变仪来完成，设定模式为时间扫描模式，试验温度为25 ℃。

2　高温性能试验结果分析

高温性能试验中，采用5种粉胶比制作沥青胶浆样品，其编号为1#,2#,3#,4#和5#，粉胶比分别为0.6,0.8,1.0,1.2和1.4。通过试验，得到不可恢复蠕变柔量和不可恢复蠕变柔量差，分别如图1～4所示。

图1　2种应力水平下基质沥青胶浆不可恢复蠕变柔量Fig. 1　Unrecoverable creep compliance of the matrix bitumen slurry under two kinds of stress levels

1) 不可恢复蠕变柔量试验结果分析

从图1中可以看出，不同矿粉基质沥青胶浆不可恢复蠕变柔量变化规律相同，2种应力条件下的不可恢复蠕变柔量随着粉胶比的增加而呈现减小变化趋势，表明矿粉加入沥青后能够增强高温抵抗变形能力，应力变形小。不同矿粉组成的沥青胶浆不可恢复蠕变柔量存在着差别，尤其1#矿粉沥青胶浆不可恢复蠕变柔量明显小于其他4种矿粉的。而根据矿粉的粒度检测指标发现，1#矿粉的平均粒径最大，因此，即使矿粉颗粒粒径已经很小，但是其粒径大小的细微差别对于沥青胶浆高温性能宏观表现存在着很大的影响。

图2　2种应力水平下高粘沥青胶浆不可恢复蠕变柔量Fig. 2　Unrecoverable creep compliance of bitumen slurry with the high viscosity under two kinds of stress levels

从图2中可以看出，高粘沥青胶浆不可恢复蠕变柔量随粉胶比的变化与基质沥青胶浆的具有相似的规律，但是高粘沥青胶浆的变化幅度很小，尤其当粉胶比大于1.0后，其数值上处于平稳，表明矿粉对沥青胶浆模量的增效作用是有限的。此外，高粘沥青胶浆的不可恢复蠕变柔量小于基质沥青胶浆的，表明高粘沥青胶浆的高温性能要优于基质沥青胶浆的。

2) 不可恢复蠕变柔量差试验结果分析

从图3中可以看出，随着粉胶比的增加，基质沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差逐渐减小。当粉胶比达到一定数值后，沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差出现等于0%的情况。而随着粉胶比的继续增加，不可恢复蠕变柔量差开始为负值。表明不可恢复蠕变柔量差随着粉胶比的增加而减小，矿粉不仅能增强胶浆的模量、提升抵抗变形能力，而且能够让沥青高温性能更加稳定，对外界应力条件敏感性降低；而当不可恢复蠕变柔量差为0%时，2种应力状态下沥青胶浆不可恢复蠕变柔量是相等的，表明沥青胶浆不受应力条件差异的影响。可见，当前状态下的沥青胶浆是最稳定的。其原因是：该试验温度下，沥青处于高弹态和粘流态之间，本身就处于不稳定状态。而随着矿粉的增加，沥青与矿粉之间存在着复杂的物理和化学吸附，矿粉分散在沥青介质里。随着矿粉数量的增加，矿粉颗粒的表面积增加，附着在矿粉界面的沥青逐渐增加，从而使得裹附沥青的矿粉颗粒间的粘结力增强，因此，使得沥青-矿粉二元体系在力学状态上相对稳定。根据试验结果，当不可恢复蠕变柔量差为0%时，1#～5#矿粉的沥青胶浆所对应的粉胶比分别为1.05,1.13,1.24,1.15和1.35，而这样的粉胶比与Superpave规定的沥青混合料合理粉胶比(范围0.6～1.2)接近。因此，建议采用基质沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差为0%时所对应的粉胶比作为沥青混合料粉胶比的最适值。

图3　基质沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差Fig. 3　The matrix bitumen slurry unrecoverable creep compliance difference

从图4中可以看出，相比基质沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差随粉胶比递减的变化，高粘沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差随粉胶比变化的波动较大，表明高粘沥青胶浆高温状态下不稳定，对外界应力条件较为敏感，这与改性沥青自身的特性有关；而不同矿粉的沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差的差异较大，表明不同矿粉对沥青胶浆所起到的稳定作用存在着差别。

图4　高粘沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差Fig. 4　The high viscosity bitumen slurr unrecoverable creep compliance difference

3　疲劳性能试验结果分析

在疲劳性能试验中，根据5种矿粉的各项指标，选取粒度差异性稍大的1#矿粉、2#矿粉和3#矿粉来制作沥青胶浆试验样品，基质沥青胶浆和高粘沥青胶浆在动态剪切流变仪时间扫描模式下的加载时间与复合模量数据采集结果分别如图5，6所示。根据本研究中沥青胶浆疲劳破坏定义，以沥青胶浆复合模量G*衰减至初始复合模量50%时的荷载作用时间(即疲劳寿命)作为评价疲劳性能的指标，将图5，6结果进行整理，得到的沥青胶浆疲劳寿命如图7，8所示。

从图7，8中可以看出，随着粉胶比的增加，沥青胶浆疲劳寿命呈现减小的变化趋势，不同矿粉的沥青胶浆疲劳寿命差值明显。在相同粉胶比条件下，基质沥青胶浆疲劳寿命由大到小的排序为3#，1#和2#；而高粘沥青胶浆疲劳寿命由大到小的排序为3#，2#和1#。可见，相同矿粉在与不同沥青混溶后表现出的疲劳寿命是不同的，这与矿粉-沥青之间发生复杂的吸附、反应作用有关。因此，在实际工程中，不能随意使用矿粉，而应通过试验，合理比对后，进行选择。通过疲劳寿命对比可知，高粘沥青胶浆的抗疲劳性能要优于基质沥青胶浆的。虽然高粘沥青的价格要高于基质沥青的，但沥青混合料在耐疲劳、抗裂缝及抑制裂缝类病害方面具有优良的表现；结合工程经验，之前高粘沥青仅运用于高速公路这样的高等级设计标准路面，但随着路面养护工程在中国广泛的开展，新的养护理念、设计理念及全寿命周期理念的出现，许多国、 省干线公路也开始大范围使用高粘沥青。

图5　基质沥青胶浆模量与加载时间的关系Fig. 5　The relationship between matrix asphalt cement modulus and loading time

高粘沥青在使用时能够对改性剂品质充分把关。那么，若使用高粘沥青，工程质量就能得到有效的控制。

4　结论

采用MSCR试验，研究了沥青胶浆的高温性能。评价指标为不可恢复蠕变柔量和不可恢复蠕变柔量差；在疲劳试验中，采用复合模量降低至初始复合模量50%时的荷载作用时间(即疲劳寿命)来评价沥青胶浆疲劳性能，得到的结论为：

1) 不同的矿粉对沥青胶浆高温性能的影响存在着差别。矿粉使得沥青胶浆不可恢复蠕变柔量减小，增强了沥青胶浆高温抵抗应力变形的能力，但矿粉的模量增效作用有限。

图6　高粘沥青胶浆模量与加载时间的关系Fig. 6　The relationship between high viscosity asphalt glue modulus and loading time

图7　不同粉胶比基质沥青胶浆50%|G*|的疲劳寿命Fig. 7　The fatigue life of 50%|G*| of the matrix asphalt with different ratio of filler bitumen

2) 矿粉使得基质沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差逐渐减小。当不可恢复蠕变柔量差为0%时，此时沥青胶浆处于稳定态，外界应力对其影响小，而1#～5#沥青胶浆所对应的粉胶比与Superpave规定的沥青混合料合理的粉胶比(范围0.6～1.2)接近，建议采用基质沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差为0%时所对应的粉胶比作为沥青混合料粉胶比的最适值。

图8　不同粉胶比高粘沥青胶浆50%|G*|的疲劳寿命Fig. 8　The fatigue life of 50%|G*| of the asphalt with high viscosity and different ratio of filler bitumen

3) 高粘沥青胶浆的不可恢复蠕变柔量差随粉胶比变化的波动较大，表明高粘沥青胶浆高温状态下不稳定，对外界应力条件较为敏感，这与改性沥青自身特性有关；不同矿粉的沥青胶浆不可恢复蠕变柔量差的差异较大，表明不同矿粉对沥青胶浆所起到的稳定作用存在着差别。

4) 加入矿粉沥青胶浆时，疲劳寿命呈现减小的变化趋势。可见，矿粉对沥青疲劳性能有不利的影响；不同矿粉的沥青胶浆疲劳寿命差值明显；高粘沥青胶浆的抗疲劳性能要优于基质沥青胶浆的。因此，建议：在实际道路中，矿粉的使用应通过试验，在合理比对后，进行选择，且选用高温性能和疲劳性能更优的高粘沥青材料。

参考文献(References)：

[1]马慧莉.无机填料对沥青胶浆力学性能影响的细观力学分析[D].长春:吉林大学,2013.(MA Hui-li.Inorganic filler on the mechanical performance of asphalt mortar based on mesoscopic mechanics analysis[D].Changchun:Jilin University,2013.(in Chinese))

[2]李智慧,谭忆秋.应用流变学研究沥青胶浆最佳粉胶比的确定方法[J].中外公路,2014,34(4):294-298.(LI Zhi-hui,TAN Yi-qiu.The determination method of the best gelatine ratio of asphalt binder by rheology[J].Journal of China & Foreign Highway,2014, 34(4):294-298.(in Chinese))

[3]吴萌萌,李睿,张玉贞.纤维沥青胶浆高低温性能研究[J].中国石油大学学报:自然科学版,2015,39(1):169-175.(WU Meng-meng,LI Rui,ZHANG Yu-zhen.Study on high and low temperature performance of fibrous asphalt[J].Journal of China Petroleum University:Natural Science Edition,2015,39(1): 169-175.(in Chinese))

[4]王树杰,郝冠军.粉胶比对沥青胶浆流变性能的影响[J].公路,2015(6):15-18.(WANG Shu-jie,HAO Guan-jun.Influence of filler-bitumen ratio on rheological property of asphalt combined binder[J].Highway,2015(6):15-18.(in Chinese))

[5]韦达,王晨.粉胶比对橡胶沥青胶浆高温性能的影响研究[J].河北工程大学学报:自然科学版,2016, 13(1):20-23.(WEI Da,WANG Chen.Study on the influence of gelatine ratio on high temperature performance of rubber asphalt[J].Journal of Hebei Engineering University:Natural Science Edition,2016,13(1):20-23.(in Chinese))

[6]石越峰,季节,索智,等.基于DSR和BBR试验的TLA改性沥青胶浆高低温性能研究[J].公路工程,2016,41(5):72-76,101.(SHI Yue-feng,JI Jie,SUO Zhi,et al.Study on high cryogenic properties of TLA modified asphalt binder based on DSR and BBR tests[J].Highway Engineering,2016,41(5):72-76,101.(in Chinese))

[7]熊锐,杨晓凯,杨发,等.煤矸石粉/水镁石纤维复合改性沥青胶浆性能试验研究[J].武汉理工大学学报,2016,38(2):11-16.(XIONG Rui,YANG Xiao-kai,YANG Fa,et al.Study on the performance of coal gangue powder/water magnesia fiber composite modified asphalt slurry[J]. Journal of Wuhan University of Technology,2016,38(2):11-16.(in Chinese))

[8]王宁.玄武岩纤维及其改性沥青的性能研究[D].武汉:中国地质大学,2013.(WANG Ning.Study on the properties of basalt fiber and its modified asphalt[D].Wuhan:China University of Geosciences,2013.(in Chinese))

[9]游庆龙,郑南翔.废旧轮胎胶粉改性沥青胶浆高低温性能研究[J].广西大学学报:自然科学版,2013, 38(1):80-85.(YOU Qing-long,ZHENG Nan-xiang.Study on the high and low temperature performance of modified asphalt rubber for used tire[J].Journal of Guangxi University:Natural Science Edition,2013,38(1):80-85.(in Chinese))

[10]杨晓凯,熊锐,范天奇,等.活化煤矸石改性沥青胶浆流变性能实验研究[J].材料导报,2015(12):135-139.(YANG Xiao-kai,XIONG Rui,FAN Tian-qi,et al.Experimental study on the rheological properties of activated coal gangue modified asphalt[J].Material Review,2015(12):135-139.(in Chinese))

[11]孙艳娜,李立寒,汪于凯.沥青疲劳性能评价指标[J].西南交通大学学报,2014,49(6):1102-1107.(SUN Yan-na,LI Li-han,WANG Yu-kai.Evaluation index of asphalt fatigue performance[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2014,49(6):1102-1107.(in Chinese))

[12]胡金龙,孙大权,曹林辉.沥青疲劳性能分析方法与评价指标[J].石油沥青,2013,27(5):58-64.(HU Jin-long,SUN Da-quan,CAO Lin-hui.Analysis method and evaluation index for asphalt fatigue performance[J].Petroleum Asphalt,2013,27(5):58-64.(in Chinese))