不同掺加剂大粒径沥青碎石黏弹性研究

王展亮，李惠霞，廖仁生

(1.福建工程学院 土木工程学院，福建 福州 350118；2.福建工程学院 土木工程国家级虚拟仿真实验教学中心，福建 福州 350118；3.福建江夏学院 工程学院，福建 福州 350108)

大粒径沥青碎石具有较好的高温稳定性、变形性及抗车辙和抵抗反射裂缝能力，在交通量逐渐增大和超载问题日益严重的交通背景下，有着广阔的应用前景[1-4]。大粒径沥青碎石成本高、刚度低，限制了其在路面结构中的大量使用[5-6]。废旧的轮胎加工可制成橡胶粉，作为复合材料应用于大粒径沥青碎石，能有效降低其成本[7-10]。玻璃纤维资源丰富，是常用的掺和剂，在减少材料收缩的同时，还能提高材料的刚度和抗拉强度[11]。

大粒径沥青碎石的黏弹性直接影响材料的路面使用性能，尤其是抗车辙能力和抗永久变形能力[12]，在不同荷载作用下，掺加橡胶粉或玻璃纤维对大粒径沥青碎石黏弹性的影响少有学者进行报道。为了研究在不同荷载作用下，分别掺加橡胶粉和玻璃纤维对大粒径沥青碎石黏弹性性能的影响，针对不同沥青用量进行蠕变试验，依据试验结果，选出最优沥青用量，并对不同荷载情况下，采用最优沥青用量的掺加有橡胶粉或玻璃纤维的大粒径沥青碎石进行黏弹性性能分析，得出不同荷载下，橡胶粉、玻璃纤维两种掺和剂对大粒径沥青碎石抗变形能力、抗疲劳能力等方面影响，以期为工程实际提供参考。

1 大粒径沥青碎石材料组成

1.1 材料基本性能

1.1.1 沥青

采用70#A道路石油沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[13]测得针入度6.7 mm(25℃)、延度35cm(10℃)、软化点67.25℃。

1.1.2 集料

采用的粗细集料岩性一致，均为石灰岩，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[13]指标要求对粗细集料进行测试，粗集料测试结果见表1；细集料(粒径2.35～4.76 mm)表观密度为2.9，w(泥)=1.9%，均满足性能指标要求。

表1 粗集料性能参数Tab.1 Coarse aggregate performance parameters

1.1.3 掺和剂

采用橡胶粉和玻璃纤维两种掺和剂。

橡胶粉原材料为废旧轮胎，在对橡胶粉物理指标测试中，得到橡胶粉w(橡胶)=51%、w(灰分)=4.5%、w(水)=0.62%、w(金属)=0.008%、w(纤维)=0.07%，各项指标均满足沥青橡胶粘结剂的标准规范要求。

玻璃纤维抗拉强度为346 MPa，断裂伸长率为36.4%，弹性模量为4 286 MPa。

1.2 材料配合比

研究对象为大粒径沥青碎石ATB-30，其级配设计如表2所示。

表2 ATB-30级配Tab.2 ATB-30 gradation

2 大粒径沥青碎石单轴静载蠕变试验

在相同级配、不同沥青用量下进行蠕变试验研究，大粒径沥青碎石ATB-30集料公称直径大于26.5 mm，击实采用大马歇尔试件。单轴静载蠕变试验试件采用大马歇尔试件，试件直径150 mm，高度95.3 mm[14]，在SANS万能压力机上完成试验。

2.1 橡胶粉对大粒径沥青碎石高温流变性能影响

橡胶粉占混合料质量分数的0.85%，w(沥青)分别为3.0%、3.3%。恒载分别为0.1、0.2、0.3 MPa，持续1 800 s。试验所得应变-时间曲线如图1所示。

图1 掺橡胶粉大粒径沥青碎石应变-时间曲线Fig.1 Strain-time curve of large-size asphalt macadam mixed with rubber powder

从图1分析可得，掺橡胶粉的大马歇尔试件在恒载为0.1 MPa的情况下，w(沥青)=3.3%的试件产生的应变较小，具有较好的抵抗变形能力；在恒载为0.2、0.3 MPa的情况下，w(沥青)=3.0%的试件抵抗变形能力要优于w(沥青)=3.3%的试件。w(沥青)=3.3%的大马歇尔试件在不同恒载作用下所产生的应变变化不明显，有较好的稳定性。

2.2 玻璃纤维对大粒径沥青碎石高温流变性能影响

依据文献[15]研究结果，掺入玻璃纤维占混合料质量分数的0.21%，w(沥青)分别为3.0%、3.3%和3.6%。恒载分别为0.1、0.2、0.3 MPa，持续1 800 s。试验所得应变-时间曲线如图2所示。

图2 掺玻璃纤维大粒径沥青碎石应变-时间曲线Fig.2 Strain-time curve of large-size asphalt macadam with glass fiber

从图2分析可知，掺玻璃纤维的大马歇尔试件在恒载为0.1、0.2和0.3 MPa的情况下，w(沥青)=3.3%的试件抵抗变形能力优于w(沥青)为3.0%和3.6%的试件，且其应变在不同的恒载作用下极为稳定。

2.3 橡胶粉和玻璃纤维对大粒径沥青碎石高温流变性能影响比较

从2.1和2.2小节的试验数据可得，掺加橡胶粉大粒径沥青碎石和掺加玻璃纤维大粒径沥青碎石在w(沥青)=3.3%时，表现出来的性能最优，因此，选取w(沥青)=3.3%情况下分别掺加橡胶粉、玻璃纤维的大粒径沥青碎石试验数据进行比较，对比结果见图3。

图3 不同掺和剂大粒径沥青碎石应变-时间对比曲线Fig.3 Comparison curves of the strain-time of large-size asphalt macadam with different admixtures

从图3可知，大粒径沥青碎石掺加玻璃纤维的抗变形能力是掺加橡胶粉的3倍，且掺加玻璃纤维的大粒径沥青碎石更为稳定，在不同恒载作用下，应变发展一致。

3 大粒径沥青碎石黏弹性性能分析

大粒径沥青碎石黏弹性性能一般可用伯格斯模型进行描述，伯格斯模型的4个参数E1、E2、η1和η2分别代表瞬时弹性模量、阻滞弹性模量、纯黏性系数和Voigt黏性系数，由单轴静载蠕变试验得到分别掺有橡胶粉、玻璃纤维的大粒径沥青碎石时间-应变曲线，通过Jupyter NotebooK软件拟合，得到4个参数值如表3所示。试件的瞬时弹性变形、延迟弹性变形和黏性流动变形，可用伯格斯模型的蠕变柔量值进行表示，公式如下：

J(t)=JE+JV+JC

(1)

式中：JE=1/E1为瞬时弹性柔量，表示大粒径沥青碎石的瞬时弹性；JV=t/η1为黏性流动柔量，表示大粒径沥青碎石的黏性流动；JC=1/(E2(1-exp(-tE2/η2)))为延迟弹性柔量，表示大粒径沥青碎石的延迟弹性。

由本文第2节试验可知，w(沥青)=3.3%时，大粒径沥青碎石混合料的性能最为优良。因此，选用w(沥青)=3.3%时在不同掺加剂下，大粒径沥青碎石混合料在0.1、0.2、0.3 MPa下的蠕变柔量作为比较和研究对象。

根据试验结果，拟合求得伯格斯模型的4个参数，通过公式1，求得掺加橡胶粉或玻璃纤维的大粒径沥青碎石柔量值，分别见表3和表4。

表3 不同荷载下的伯格斯参数Tab.3 Burgers parameters under different loads

表4 不同荷载下的柔量值Tab.4 Compliance value under different loads

从表3、表4中分析可得，随着荷载的提高，掺加橡胶粉和玻璃纤维的大粒径沥青碎石的瞬时弹性柔量、黏性流动柔量和延迟弹性柔量均发生了下降，说明随着荷载的提升，大粒径沥青碎石的抵抗瞬时变形能力和抵抗永久变形能力都得到了提高。在同荷载的情况下，大粒径沥青碎石掺加橡胶粉的瞬时弹性柔量会高于掺加玻璃纤维，而黏性流动柔量和延迟弹性柔量会低于掺加玻璃纤维的大粒径沥青碎石，说明掺加橡胶粉的大粒径沥青碎石抵抗瞬时变形能力弱于掺加玻璃纤维的大粒径沥青碎石，大粒径沥青碎石掺加橡胶粉的抵抗永久变形能力强于掺加玻璃纤维。

4 结论

1)当w(沥青)=3.3%时，掺加橡胶粉或玻璃纤维的大粒径沥青碎石的抗变形能力和稳定性最优；

2)在w(沥青)=3.3%的情况下，掺加玻璃纤维的大粒径沥青碎石的抵抗变形能力是掺加橡胶粉的大粒径沥青碎石的3倍；

3)随着荷载的增加，掺加橡胶粉或玻璃纤维的大粒径沥青碎石的抵抗瞬时变形能力和抵抗永久变形能力也不断提高。

4)在相同荷载的情况下，对比掺加玻璃纤维和掺加橡胶粉的大粒径沥青碎石，掺加玻璃纤维的大粒径沥青碎石抵抗瞬时变形能力较强，抵抗永久变形能力较弱。