不同类型高模量沥青混合料抗剪性能研究

郝培文，王俊彪，曾志武，赵超志，仵 涛，李德文

(1.长安大学，道路结构与材料交通行业重点实验室，西安 710064；2.陕西省交通建设集团公司，西安 710075)

0 引 言

近年来随着交通量不断增长，车辆轴载不断增加，我国高速公路沥青路面在使用初期就出现了较多车辙病害，车辙的出现不仅影响行车舒适性,其槽内积水或结冰还严重威胁交通安全[1]。为减少车辙的产生，高模量沥青混合料近年来逐渐受到研究人员的广泛关注，其不仅可以减少路面结构的塑性变形，提高路面尤其是中下面层的高温抗车辙能力，而且还能改善路面的抗疲劳性能，延长路面的使用寿命[2]。而沥青混合料的抗剪性能可以反映出其高温抗车辙性能，研究沥青混合料的抗剪性能对防治车辙病害、提升车辆行驶安全有重要意义[3-4]。

国内外对于沥青混合料抗剪性能的试验方法主要包括三轴试验、单轴贯入试验、直剪和斜剪试验、Superpave剪切试验等[5-7]。在以往研究中，对于沥青混合料抗剪性能多采用三轴压缩试验进行评价，该方法虽然应力状态明确，但操作过程复杂，试验材料用量大，如何确定侧向围压也是一个问题。单轴贯入试验通过直径远小于试件直径的钢压头对试件加压，获得沥青混合料的抗剪强度，试验具有操作方便，设备简单，模拟程度高的特点[8]。直剪试验通过对试件垂直剪切获得剪切破坏强度，试验简单易操作，但与沥青路面实际受力符合程度不高。斜剪试验对直剪试验进行改进，将剪切角度倾斜了45°，试验操作简单，且与现场真实受力更接近[9]。Superpave剪切试验(SST)能在沥青混合料试件体积不变的前提下进行试验，且该试验近似于纯剪，具有准确、可靠、现场模拟程度高的特点，获取的试验结果能有效反映沥青混合料的抗剪性能[10-11]。国内外学者在利用SST试验研究沥青混合料抗剪性能时取得了一定的成果，Wang[12]利用SST及汉堡车辙仪评价了Superpave沥青混合料和密实型沥青混合料的抗车辙性能，结果显示恒高度频率扫描试验(FSCH)及恒高度重复剪切试验(RSCH)与汉堡车辙仪试验结果相同，均能较好地评价混合料的抗车辙性能。Visintine等[13]利用SST对不同再生沥青混合料进行了RSCH和FSCH试验，并将两种试验数据代入SHRP A-003A替代模型及沥青协会(AI)模型，很好地预测了沥青混合料的性能。Yu等[14]对沥青砂浆进行了RSCH和FSCH试验，评价了沥青砂浆的抗剪性能及抗车辙性能。欧阳岚[15]利用RSCH和FSCH试验研究不同沥青用量、级配、温度对沥青混合料抗剪性能的影响，得出可以通过SST试验方法较好地模拟沥青混合料路面结构层的永久变形破坏，其试验结果是精确的。黄林[16]通过对三种不同级配混合料在不同温度下进行RSCH和FSCH试验，其RSCH试验结果能很好地反映沥青混合料的剪切疲劳变形全过程。

鉴于此，本文从沥青混合料抗剪性能出发，对EME2(30#)高模量沥青混合料和AC-20(30#)沥青混合料进行抗车辙性能研究。利用Superpave剪切试验，采用恒高度频率扫描试验(FSCH)和恒高度重复剪切试验(RSCH)两种试验模式研究沥青混合料抗剪性能。

1 实 验

1.1 原材料

本实验沥青采用东海30#沥青，具体技术指标如表1所示。集料采用花岗岩，矿粉为磨细的石灰岩矿粉。

表1 沥青技术指标Table 1 Asphalt technical indicators

为比较中国、法国沥青混合料抗剪性能的差异，沥青混合料分别采用EME2(30#)、AC-20(30#)。EME2(30#)沥青混合料级配将法国筛孔尺寸转换为中国筛孔尺寸，并按法国性能水平进行配合比设计，同时，AC-20(30#)沥青混合料按马歇尔设计方法进行配合比设计。两种沥青混合料级配如表2所示，EME2(30#)混合料油石比(沥青与矿料质量比)为5.7%，AC-20(30#)混合料油石比为4.3%。

表2 两种沥青混合料合成级配Table 2 Two types of asphalt mixtures gradation

1.2 试验方法

Superpave剪切试验机是美国SHARP计划中为评价沥青混合料性能而开发出的性能试机，最初在进行应用时，能进行6种不同的试验，后期仅保留了简单剪切试验(SSCH)、恒高度频率扫描试验(FSCH)和恒高度重复剪切试验(RSCH)[17]。三种试验均能评价沥青混合料的抗剪强度，但又具有不同的侧重点，SSCH试验主要用于评价沥青混合料不同温度下的蠕变性能，FSCH试验用于评价沥青混合料不同温度下的抗剪强度，RSCH是用于评价高温条件下的抗永久变形能力[18]。

本文选用恒高度频率扫描试验(FSCH)和恒高度重复剪切试验(RSCH)评价高模量沥青混合料的抗剪性能。试验采用SST剪切试验系统。试件采用直径15 cm、高12 cm的旋转压实成型试件，然后切割成2个5 cm高的试件，试验前利用环氧树脂将夹具粘在试件两端，经常温养生固化及恒温箱保温后装上传感器准备进行试验。

1.2.1 恒高度频率扫描试验(FSCH)

恒高度频率扫描试验(FSCH)是在保持试件高度不变的前提下采用应变控制的方式对试件进行循环加载，其加载模式示意图如图1所示，水平应变采用振幅为50 μm的正弦波，加载频率采用10 Hz、5 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.2 Hz、0.1 Hz、0.05 Hz、0.02 Hz、0.01 Hz共10个频率。不同频率加载不同的循环数，10 Hz和5 Hz加载50个循环，2 Hz和1 Hz加载20个循环，0.5 Hz、0.2 Hz和0.1 Hz加载7个循环，0.05 Hz、0.02 Hz和0.01 Hz加载4个循环。通过应力应变数据处理可获得不同频率下的剪切模量G*和相位角φ，由此可以确定沥青混合料的抗剪强度。

图1 FSCH试验加载模式示意图Fig.1 Schematic diagram of FSCH test loading mode

1.2.2 恒高度重复剪切试验(RSCH)

恒高度重复剪切试验采用应力控制模式，剪切机在控制试件高度恒定的同时，对试件循环施加(69±5) kPa的半正弦波，其中一个周期加载时间为0.1 s，卸载时间为0.6 s，试验加载模式示意图如图2所示。试验过程中记录沥青混合料在荷载重复作用下的应变发展曲线，根据累积应变曲线回归可获得如式(1)所示的回归方程，式中的剪切斜率在一定程度上代表沥青混合料的高温抗剪性能，可通过剪切斜率对沥青混合料高温性能进行评价。

图2 RSCH试验加载模式示意图Fig.2 Schematic diagram of RSCH test loading mode

ε(N)=ε(N=1)+S·N

(1)

式中：ε(N)为第N次加载时的永久应变；ε(N=1)为第1次加载时的永久应变；S为剪切斜率；N为加载次数。

2 结果与讨论

2.1 恒高度频率扫描试验(FSCH)结果分析

EME2(30#)、AC-20(30#)两种混合料在25 ℃、40 ℃和60 ℃下的FSCH试验结果如表3～表4所示。

表3 EME2(30#)FSCH试验结果Table 3 FSCH results of EME2(30#)

表4 AC-20(30#)FSCH试验结果Table 4 FSCH results of AC-20(30#)

根据表中数据，将两种沥青混合料的复数剪切模量与频率进行回归分析，三种温度下混合料的复数剪切模量回归曲线、车辙因子G*/sinφ与频率的关系分别如图3、图4所示。

图3 三种温度下两种沥青混合料的复数剪切模量Fig.3 Complex shear modulus of two kinds of asphalt mixtures at three temperatures

图4 三种温度下两类沥青混合料的车辙因子Fig.4 Rutting factor of two kinds of asphalt mixtures at three temperatures

一般情况下，复数剪切模量G*越大，材料高温抗剪性能越好，当复数剪切模量G*一定时，相位角φ越小认为材料的高温抗剪性能越好。因为相位角φ的数值越小，表示材料在高温状况下的粘性成分比较少，材料发生变形时其不可恢复的变形量只占小部分，这样材料的高温抗剪性能较好，车辙因子G*/sinφ越大，沥青混合料的抗剪性能也就越好。

据表3～4以及图3～4可知：

(1)将两种沥青混合料的复数剪切模量与频率数据进行非线性曲线拟合后发现，两者在三种温度下的拟合曲线相关系数均达到了0.94以上，表明沥青混合料的复数剪切模量与频率具有良好的相关性，复数剪切模量随加载频率的增大而增大。

(2)从同一沥青混合料不同温度下的复数剪切模量可以发现,温度为 25 ℃时,两种沥青混合料的复数剪切模量最大,随着温度的升高,沥青混合料的复数剪切模量逐渐减小。且这种变化是非线性的，温度从25 ℃升至40 ℃的复数剪切模量衰减远大于温度从40 ℃升至60 ℃的复数剪切模量衰减。由此说明温度变化对沥青混合料复数剪切模量的影响较大，低温时温度升降引起复数模量的变化大于高温时温度升降引起复数模量的变化。

(3)对比EME2(30#)沥青混合料与AC-20(30#)沥青混合料复数剪切模量可知：60 ℃条件下，整个加载频率范围内，AC-20(30#)的复数剪切模量始终大于EME2(30#)的复数剪切模量；40 ℃条件下，两种混合料的复数剪切模量差距很小，仅在高频阶段，两者差距才显现出来，此时AC-20(30#)的复数剪切模量大于EME2(30#)的复数剪切模量；25 ℃条件下，低频和中频阶段，EME2(30#)的复数剪切模量大于AC-20(30#)的复数剪切模量，而高频阶段，后者反超前者。说明在较低温度及低频率条件下，EME2(30#)的抗剪性能更好；而在高温或高频率条件下，AC-20(30#)的抗剪性能更优。

(4)从两种沥青混合料的车辙因子曲线也可以发现，60 ℃较高温度下，AC-20(30#)沥青混合料的抗剪性能强于EME2(30#)沥青混合料；在40 ℃中温条件下，两者抗剪性能差距较小，而在25 ℃较低温度下，虽然EME2(30#)沥青混合料在高频荷载下的抗剪性能弱于AC-20(30#)沥青混合料，但在低频荷载下，EME2(30#)沥青混合料的抗剪性能更强。这与两种混合料复数剪切模量规律相同，分析原因可能是在中高温条件下，AC-20(30#)沥青混合料由于较小的沥青用量，集料之间不易发生剪切流动，在较低温度条件下，EME2型沥青混合料相比AC-20(30#)沥青混合料有较高的沥青用量，更能发挥低标号沥青模量高的特点，因此在低频荷载下其车辙因子更高。

由于FSCH试验过程操作复杂，试验准备时间长，为了通过有限的试验获得任意频率下的复数剪切模量，利用25 ℃、40 ℃和60 ℃下的试验结果建立复数剪切模量主曲线。主曲线是由不同温度和频率下的模量曲线图通过平移形成的曲线，利用主曲线可以对沥青混合料进行力学性质预测，获得极限条件下的材料力学性质。

主曲线的参考温度选取为40 ℃，采用1STOPT软件拟合西格摩德函数中的参数(如表5所示)，各沥青混合料主曲线方程如表6所示，各沥青混合料复数剪切模量主曲线如图5、图6所示，图7为各沥青混合料复数剪切模量主曲线汇总。

表5 西格摩德函数及移位因子Table 5 Sigmoidal function and shift factor

表6 复数剪切模量主曲线方程Table 6 Master curve equation of complex shear modulus

图5 EME2(30#)复数剪切模量主曲线(f为频率)Fig.5 Complex shear modulus master curve of EME2(30#) (f is frequency)

图7 两种沥青混合料复数剪切模量主曲线汇总(f为频率)Fig.7 Summary of master curves of complex shear modulus of the two asphalt mixtures (f is frequency)

由表6及图5～7可知：

通过两种沥青混合料的主曲线发现，在高温低频段，AC-20(30#)沥青混合料的复数剪切模量大于EME2(30#)沥青混合料的复数剪切模量，说明AC-20(30#)沥青混合料的高温抗剪性能强于EME2(30#)沥青混合料；而随着温度的慢慢降低或者频率的逐渐增大，两者的复数剪切模量差距逐渐减小，说明两者在中温条件下，抗剪性能相差不大；当温度进一步降低或者频率进一步增大，此时AC-20(30#)沥青混合料的复数剪切模量大于EME2(30#)沥青混合料的复数剪切模量，说明EME2(30#)沥青混合料的常温抗变形能力强于AC-20(30#)沥青混合料，这一现象出现是因为EME2(30#)中沥青用量较高，改善了混合料的常温抗裂性，从而使EME2(30#)有较好的抗变形能力。

2.2 恒高度重复剪切试验(RSCH)结果分析

对上述两种沥青混合料进行RSCH试验，试验温度为60 ℃，试验曲线如图8所示。由RSCH试验结果可以得到加载末应变，同时将RSCH试验结果依据式(1)进行回归，得到剪切斜率S，如表7所示。

图8 RSCH试验结果Fig.8 Results of RSCH

表7 RSCH试验评价指标Table 7 RSCH evaluation index

由图8和表7可知：

(1)RSCH试验过程中，剪切应变随加载次数的增大而增大，其变化经历初始阶段快速增长，第二阶段应变发展速率变缓，第三阶段应变保持恒定增长速率三个阶段。

(2)两种沥青混合料的加载应变曲线在初始阶段相重合，随着加载次数的增加，EME2(30#)沥青混合料的应变与AC-20(30#)沥青混合料的应变差距快速增大，直到两者差距稳定在0.49%，最终两者加载末应变相差0.488%。分析原因是EME2(30#)沥青混合料采用法国高模量沥青设计方法，沥青用量较高，导致其高温条件下，沥青混合料易发生剪切流动，相比于沥青用量更少的AC-20(30#)沥青混合料，其高温抗剪性能更差。

(3)EME2(30#)沥青混合料的加载末应变相比AC-20(30#)沥青混合料大了23.5%，并且前者的剪切斜率比后者同样大了29.8%，说明用剪切斜率也可作为评价沥青混合料抗剪性能的指标，其结果与采用加载末应变具有一致性。

3 结 论

(1)高模量沥青混合料的复数剪切模量具有温度和频率依赖性，表现在混合料复数剪切模量与频率的对数值具有良好的幂乘关系，并且频率越大，高模量沥青混合料的复数剪切模量也越大；温度越低，高模量沥青混合料的复数剪切模量越大。

(2)FSCH试验结果表明：在高温条件下，EME2(30#)沥青混合料抗剪性能略差于AC-20(30#)沥青混合料；而在低温条件下，EME2(30#)沥青混合料的抗剪性能优于AC-20(30#)沥青混合料。

(3)两种沥青混合料的主曲线表明AC-20(30#)沥青混合料的高温性能优于EME2(30#)沥青混合料，而EME2(30#)沥青混合料的常温性能优于AC-20(30#)沥青混合料。

(4)由RSCH试验结果可知，在循环加载5 000次后，EME2(30#)沥青混合料在60 ℃下的加载末应变及剪切斜率S均大于AC-20(30#)沥青混合料，表明AC-20(30#)沥青混合料的高温抗剪性能好于EME2(30#)沥青混合料。