基于SHRP计划的沥青试验频率选择的研究分析

冯保杰，栗振锋，李 彤

(太原科技大学交通与物流学院，太原 030024)

沥青路面因为其良好的力学特性，比如行车舒适度好、路面平整、噪音小、适宜分期修建等，在全国范围内应用极其广泛。而且在目前，在建的公路项目90%以上都在使用沥青混凝土路面[1]。但是沥青在高温环境下容易产生车辙破坏，在中低温状态下容易产生开裂破坏，而车辙破坏和开裂破坏不仅会对路面的外观造成破坏，同时对路面的使用功能也会产生很大影响,如图1和图2所示。闻名全球的美国 SHRP 计划，其重要的研究内容之一就是沥青，根据美国战略公路研究计划(SHRP)的研究结论，沥青对高温车辙的贡献率占40%,对低温性能的贡献率占 80%[2-4]。但是，在SHRP计划中，规定使用动态剪切流变仪(DSR)测量沥青各力学性能指标的频率为10 rad/s，试验频率要求比较单一且固定，因此，本文从基质沥青入手，基于SHRP计划对沥青性能对试验频率的选取进行研究，分析在哪个角频率下评价沥青抗车辙能力与抗疲劳开裂的能力更加明显。

图1 疲劳开裂Fig.1 Fatigue cracking

图2 车辙Fig.2 Rutting

1 SHRP简介

SHRP计划，即Strategic Highway Research Program，是美国国会在1987年批准的一个期限为5年(1987-1993)的基础研究项目，由 NRC(美国国家科学研究院)管理，由FHWA(联邦公路局)和AASHTO(美国州公路和运输工作者协会)合作完成，主要的研究内容有四个，分别是路面长期性能、混凝土与结构、公路运营与沥青，取得了130多项主要成果。沥青模块主要研究内容是Superpave(Superior Performing Asphalt Pavements)，即高性能沥青路面，也就是人们常说的超级公路，包括一系列集料的试验与规范，主要的胶结料测试试验有动态剪切流变试验，采用动态剪切流变仪(DSR)，来测量沥青的高温与中温性能；旋转粘度试验，采用旋转粘度仪(RV)，来模拟施工搅拌的温度性能；沥青低温性能试验，采用弯曲梁流变仪(BBR)、直接拉伸实验仪(DDT)，来测量沥青的低温性能[5]；模拟硬化试验，采用薄膜烘箱(RTFO)、压力老化容器(PAV)，来测量沥青路面的耐久度特性，其中薄膜烘箱(RTFO)是用来模拟沥青混合料的早期老化，即在混合料拌和和运输过程中的老化，而压力老化容器(PAV)是用来模拟沥青路面在役期间的老化。图3-图8为每个试验需要的设备。

图3 DSRFig.3 DSR

图4 RVFig.4 RV

图5 BBRFig.5 BBR

图6 DDTFig.6 DDT

图7 RTFOFig.7 RTFO

图8 PAVFig.8 PAV

2 沥青的抗车辙与抗疲劳开裂的评价指标

复模量是最大剪应力与最大剪应变的比值，而施加的应力和产生应变的时间之差就是相位角,如图所示9.沥青材料的复模量是指在反复施加剪力后，沥青材料的抵抗变形的总量，它由两个部分组成，一个是弹性变形，即暂时变形，另一个是粘性变形，即永久变形。对于完全的弹性材料，施加的应力与产生的应变之间没有时间差，所以完全的弹性材料的相位角为0[6]；而沥青属于粘弹性材料，在正常温度下所施加的应力与产生的应变之间会有一个时间差，这就是沥青材料的相位角。复模量与相位角均可以在动态剪切流变试验中采用动态剪切流变仪(DSR)测量得到。

图9 相位角Fig.9 Phase angle

SHRP中控制路面车辙而定的指标是车辙因子，其公式为

其中G*为沥青的复模量；

δ为沥青材料的相位角。

SHRP中控制路面疲劳开裂而定的指标是疲劳因子，其公式为

G*sin(δ)

其中G*为沥青的复模量

δ为沥青材料的相位角

SHRP中疲劳开裂用G*sin(δ)表示，要求经PAV沥青G*sin(δ)≤5 MPa，G*和δ值越小,材料越具柔性,抗疲劳开裂的能力越强[8]。

但是由于试验频率不同，所得到的复模量与相位角肯定也有所区别，为了试验分析的客观性，本文提出了单位复模量、单位相位角、单位车辙因子和单位疲劳因子的概念。

单位复模量、单位相位角、单位车辙因子和单位疲劳因子都是指无论试验角频率为5 rad/s、10 rad/s还是15 rad/s，当角频率每改变1 rad/s是对应的复模量、相位角、车辙因子和疲劳因子的数值，单位分别是°/( rad/s)、Pa/( rad/s)、kPa/( rad/s)、kPa/( rad/s).

通过复模量、相位角、车辙因子、疲劳因子与单位复模量、单位相位角、单位车辙因子、单位疲劳因子的比较，就可以更加客观的对SHRP计划中动态剪切流变试验的最佳试验角频率选择进行分析。

3 实验设计

3.1 沥青材料的选择

在我国，道路石油沥青标号多数为25 ℃的针入度，其对沥青的性能有较大影响，并且标号对SBS改性沥青的低温性能也有很大影响。而由基质镇海70号沥青拌和而成的沥青混合料刚度、强度和耐久性良好，这样的沥青混合料可以防治路面老化，延缓路面开裂，适用于我国整个东北、华北地区，适用范围较广，所以本实验材料采用未老化基质镇海70号沥青。试验材料的性能列于表1.

表1 试验沥青的性能Tab.1 The performance of test asphalt

3.2 试验仪器

本次实验仪器采用动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer，简称DSR)，如图10所示。该仪器通过作用已知扭矩来测量试样的复数剪切模量和相位角，配合相应软件可进行应变控制(测量其应力)和应力控制(测量其应变)，试验结果可用来确定沥青抵抗车辙和疲劳的能力[9]。

图10 DSRFig.10 DSR

3.3 试验原理

由图11DSR结构图可以看出，动态剪切流变仪(简称DSR)包括固定板，沥青和振荡板三个主要部分。DSR的工作原理很简单，一般来说，沥青试样放在固定板与振荡板之间，振荡板从A运动到B，然后再反方向从B转向A，继续转到C,最后再改变方向从C转动到A完成一个正弦周期，如图12所示。当DSR完成一个旋转周期时，仪器自动获取沥青的相关力学响应指标，包括复模量、相位角、车辙因子和疲劳因子等。

图11 DSR结构图Fig.11 DSR structure

图12 正弦周期Fig.12 Sinusoidal periodic

3.4 试验方案

沥青路面温度突变和极低温引起的路面开裂，与沥青路面疲劳、车辙共称为沥青路面的三大病害[10-12]。因为沥青的低温性能与温度和频率有很大的关系，所以试验方案选采用未老化基质镇海70号沥青进行温度扫描试验。

(1)按下水浴装置工作按钮(位于该装置上方控制面板上，右侧第一个，按下该钮后装置马达开始运转)，此时打开调节水浴装置出水阀(位于装置上方背部)，小心调节该阀门直至流变仪上ADS单元内有水面上下运动且不溢出位置；

(2)待软件上温度显示在设定温度的±0.5 ℃以内后，将水位限制罩(为白色四角塑料罩)套在上夹具上方的锁扣和插销之间，并用锁扣将上夹具锁紧；

(3)按下流变仪面板上ZERO按钮，流变仪系统对板间距校零，校零结束后，面板上GAP显示屏数值为“0000”，待“OK”指示灯亮后，按下面板“▲”按钮，抬至最高处或其他合适位置；

(4)预热好沥青样品(约130 ℃下预热)，分以下情形操作；

(5)点击软件上“start”按钮，夹具下压至某一间距处，刮样工具沿上下夹具外沿将多余样品刮去，刮样要尽量贴紧上下夹具，且不要带出样品。将水位限制罩插在下方ADS内插孔内，并继续调节进水阀，直至水将样品完全浸泡且不溢出ADS进样结束后，拔开插销，点击软件上确认按钮，仪器将继续下压50 μm后开始测试；

(6)实验过程中，软件界面中可以查看车辙因子、疲劳因子、温度等参数曲线。

4 数据分析

4.1 不同角频率下沥青的复模量、相位角、车辙因子与疲劳因子

如图13所示，无论角频率为5 rad/s、10 rad/s还是15 rad/s时，复模量都随着温度的升高而逐渐降低，表明沥青抵抗变形的能力随着温度的上升而逐渐减弱。当温度为-15 ℃时，复模量的大小次序为：15 rad/s>5 rad/s>10 rad/s，并且角频率为15 rad/s时的复模量分别是5 rad/s和10 rad/s的3.2倍和5.9倍；随着温度的上升，当温度为50 ℃时，复模量逐渐变小，并逐渐接近于20 000 Pa，大小次序为15 rad/s>10 rad/s>5 rad/s.其中，当角频率15 rad/s时，复模量的变化最为明显。

图13 三个不同角频率下复模量的变化曲线Fig.13 The change curve of complex modulus at three different angular frequencies

如图14所示，无论角频率为5 rad/s、10 rad/s还是15 rad/s时，相位角都随着温度的升高而逐渐增大，表明沥青的粘弹性比例逐渐增大，也就是说随着温度的升高，沥青慢慢从弹性占主体的性质走向粘性占主体的性质。当温度为-15 ℃时，复模量的大小次序为10 rad/s>5 rad/s>15 rad/s；随着温度的上升，当温度为50 ℃时，相位角逐渐变大，大小次序为10 rad/s>5 rad/s>15 rad/s.其中，当角频率10 rad/s时，复模量的变化最为明显。

图14 三个不同角频率下相位角的变化曲线Fig.14 The change curve of phase angle at three different angular frequencies

如图15和图16所示，在降温速率为1 ℃/min时，根据SHRP计划成果中评价沥青的抗车辙能力的车辙因子和抗疲劳开裂的疲劳因子，随着温度的升高都逐渐降，并且在不同频率下的车辙因子和疲劳因子变化率大小依次是15 rad/s、5 rad/s、10 rad/s.并且在低温环境下(-15～5 ℃)下三个实验频率下的车辙因子与疲劳因子相差比较明显，表明DSR试验在频率为15 rad/s时，能更清楚明了的表明沥青的抗车辙能力和抗疲劳开裂的能力。

图15 三个不同角频率下车辙因子的变化曲线Fig.15 The change curve of rutting factor under three different angular frequencies

图16 三个不同角频率下疲劳因子的变化曲线Fig.16 The variation curve of fatigue factor under three different angular frequencies

4.2 不同角频率下沥青的单位复模量、单位相位角、单位车辙因子、单位疲劳因子

如图17所示，三个试验角频率下的单位复模量都随着温度的升高而降低，速率逐渐变小。当试验角频率为5 rad/s和15 rad/s时的单位复模量比较接近，并且角频率为15 rad/s时的单位复模量略大于角频率为5 rad/s时的复模量；当试验角频率为10 rad/s时的单位复模量远小于5 rad/s和15 rad/s时的单位复模量。这就表明，随着温度的上升，角频率每变化1 rad/s，沥青的抵抗变形的能力逐渐降低，尤其是在角频率为15 rad/s时的单位复模量最为明显。

图17 三个不同角频率下单位复模量的变化曲线Fig.17 The change curve of unit complex modulus at three different angular frequencies

如图18所示，三个试验角频率下的单位相位角都随着温度的升高而缓慢变大，变化速率约为定值。当试验角频率为5 rad/s时的单位相位角最大，其次是10 rad/s和15 rad/s.这就表明，随着温度的上升，角频率每变化1 rad/s，沥青的粘弹性比例缓慢增大，即试验沥青逐渐从弹性向弹性转变。

图18 三个不同角频率下单位相位角的变化曲线Fig.18 The change curve of unit phase angle at three different angular frequencies

如图19和20所示，三个试验角频率下的单位车辙因子与单位疲劳因子都随着温度的升高而降低，速率由大变小。当试验角频率为5 rad/s和15 rad/s时的单位车辙因子与单位疲劳因子比较接近，并且角频率为15 rad/s时的单位车辙因子与单位疲劳因子略大于角频率为5 rad/s时的单位车辙因子与单位疲劳因子；当试验角频率为10 rad/s时的单位车辙因子与单位疲劳因子远小于5 rad/s和15 rad/s时的单位车辙因子与单位疲劳因子。这就表明，随着温度的上升，角频率每变化1 rad/s，沥青的抵抗车辙变形与抵抗疲劳开裂的能力逐渐降低，尤其是在角频率为15 rad/s时最为明显。

图19 三个不同角频率下单位车辙因子的变化曲线Fig.19 The change curve of unit rutting factor under three different angular frequencies

5 结论

(1)无论角频率为5 rad/s、10 rad/s还是15 rad/s时，复模量与单位复模量都随着温度的升高而逐渐降低，表明沥青抵抗变形的能力随着温度的上升而逐渐减弱。

图20 三个不同角频率下单位疲劳因子的变化曲线Fig.20 The variation curve of unit fatigue factor under three different angular frequencies

(2)无论角频率为5 rad/s、10 rad/s还是15 rad/s时，相位角和单位相位角都随着温度的升高而逐渐增大，表明沥青的粘弹性比例逐渐增大，也就是说随着温度的升高，沥青慢慢从弹性占主体的性质走向粘性占主体的性质。

(3)DSR试验在频率为15 rad/s时，能更清楚明了的表明沥青的抗车辙能力和抗疲劳开裂的能力，所以建议沥青的动态剪切流变试验在角频率为15 rad/s下进行。