高模量沥青混合料黏聚力与相位角关系研究

闫翔鹏，芦子朝,2，安 平，张晓萌，蔡 翔

（1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2.山东建筑大学，山东 济南 250101；3.日照公路建设有限公司，山东 日照 276800）

引言

沥青混合料作为一种典型的黏弹性材料，温度敏感性高，在重交通量、高温的环境条件下，易出现严重的早期损坏，直接影响道路的使用性能，其中高温稳定性不足是导致路面破坏的主要原因之一［1-4］。随着科技的发展，开始研发适用于道路的新材料，高模量沥青混合料以优异的抗车辙效果而广受关注，尤其是添加剂型高模量沥青混合料，高模量添加剂可以提高沥青混合料高温抗车辙的能力，有效延长路面使用年限，减少路面翻新维修的次数［5-8］。

国内外对动力荷载作用下沥青材料的性质进行了大量的研究，研究表明：沥青混合料动力特性的改善源自于内摩擦角和黏聚力的变化，改善效果可通过动态模量和相位角有所体现［9-12］。但是，沥青混合料相位角与黏聚力的关系研究较少，沥青材料是一种黏弹性材料，相位角表征材料弹性和黏性成分的相对比例；黏聚力表征沥青与集料之间的黏附强度和沥青分子间的黏结强度。因此，黏聚力与相位角之间存在一定的关系，并通过一系列试验进行了验证。

毕玉峰和孙立军［13］提出了高效计算沥青混合料黏聚力和内摩擦角的单轴贯入、无侧限抗压强度联合试验。沥青混合料单轴压缩动态模量试验对试件施加半正弦连续荷载，加载频率10 Hz 符合我国高等级公路汽车行驶速度范围。

1 试验方案设计

1.1 原材料

沥青采用SBS 改性沥青，性能指标均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求。级配为连续密集配AC-20 沥青混合料，集料选用优质石灰岩，石灰岩按粒径不同分为0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm五档，各项技术指标均符合《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）技术要求。

1.2 高模量添加剂

通过掺入添加剂的方式制成高模量沥青混合料，高模量添加剂的类型、掺量及材料类型见表1。4 种高模量添加剂均为外掺型改性剂，在混合料拌和时加入。

表1 高模量添加剂

1.3 试件制备及试验方法

采用旋转压实仪进行试件成型，钻芯机和岩石切割机将成型试件分别制成动态模量试验标准试件、单轴贯入和无侧限抗压强度试验标准试件。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E42—2011）要求对室内成型试件进行单轴压缩动态模量实验、单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验。

2 试验结果与分析

2.1 单轴压缩动态模量试验数据分析

2.1.1 15 ℃、10 Hz 模量数据分析

《路面面层高模量沥青混合料BBME》（法国标准NF P98-141-1993）指出，15 ℃、10 Hz 模量≥ 14 000 MPa 的沥青混凝土就是高模量沥青混凝土［9］。由表2可知，4种高模量添加剂均使沥青混合料15 ℃、10 Hz 模量达到14 000 MPa，因此，这4 种高模量添加剂均能使沥青混合料达到高模量沥青混合料的模量要求。

表2 沥青混合料动态模量

由表2 可知，与普通型沥青混合料相比，4 种高模量添加剂使沥青混合料的模量和相位角有大幅度改善，相位角表征沥青材料弹性和黏性成分的相对比例，相位角越小，材料的弹性越大，黏性越小；越大则反之。加入添加剂后相位角降低，这说明添加剂的加入提高了沥青的弹性成分的比例，荷载卸载后变形更容易恢复，这也是4 种添加剂型高模量沥青混合料动稳定度远高于普通型沥青混合料的原因［14-15］。

2.1.2 60 ℃条件下动态模量数据分析

由图1 可见，沥青混合料动态模量受加载频率的影响均较为明显，随着加载频率的降低，荷载作用时间增加，动态模量减小［16］。主要是因为沥青混合料是一种黏弹性材料，在高频状态下，沥青混合料主要表现为弹性性质，在低频状态下，沥青混合料黏性增强，模量减小。此外，发现在高温低频的情况下沥青混合料的模量最低，此时混合料最易出现车辙。

图1 60 ℃动态模量对比

与普通型沥青混合料动态模量相比，高模量添加剂的加入可明显提高沥青混合料的动态模量，其中A 型高模量添加剂效果最为明显。这是因为沥青混合料模量的改善源自于其内摩擦角和黏聚力的变化，高模量添加剂使混合料内摩擦角增大，限制了集料间的相对摩擦，从而提高其动态模量［17］。

2.1.3 60 ℃条件下相位角数据分析

由图2 可见，A 型高模量沥青混合料相位角随加载频率的降低呈现先增大后减小的规律，这是因为加载频率降低能够促进高分子链段的移动，相位角增大，但随着加载频率的不断降低，滞后现象减弱相位角减小。B、C、D 和普通型混合料相位角随着加载频率的降低呈现减小的趋势，这是由于在60 ℃条件下，沥青材料呈现明显的黏性，沥青胶浆变软，混合料骨架效应起主导作用，相位角变小。

图2 60 ℃相位角对比

A、B、C、D 型高模量沥青混合料相位角与普通型沥青混合料相位角相比，加入高模量添加剂可使混合料相位角变小，这是因为相位角表征沥青材料弹性和黏性成分相对比例，相位角越小，材料的弹性越大，黏性越小；越大则反之。加入添加剂后相位角降低，这说明添加剂的加入提高了沥青的弹性成分的比例，荷载卸载后变形更容易恢复。

2.2 黏聚力结果与分析［13］

根据公式（1）～（7）计算沥青混合料的黏聚力和内摩擦角：

式中：Rτ—单轴贯入强度，MPa；fτ—贯入指数0.34；σP—单轴贯入压力，MPa；P—极限荷载，N；A—加载头的横截面积，mm2；

式中：σu—无侧限抗压强度，MPa；P—极限荷载，N。

根据单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验的结果，计算出内摩擦角和黏聚力：

式中：σP1—第一主应力，MPa；σP3—第三主应力，MPa；c—黏聚力，kPa；φ—内摩擦角，°。

5 种沥青混合料的黏聚力结果见表3。普通型沥青混合料黏聚力平均值为240.29 kPa，均大于4 种高模量沥青混合料黏聚力。因为黏聚力表征的是沥青与集料之间的黏附强度和沥青分子之间的黏结强 度［15］，高模量添加剂融于沥青，在沥青中起到加筋作用，沥青黏度增大，沥青分子间的作用力增强，但是沥青与集料间的黏附强度降低，导致高模量沥青混合料黏聚力降低。

表3 黏聚力数据/kPa

2.3 相位角与黏聚力的相关性分析

相位角表征材料黏性与弹性成分比例，60 ℃条件下沥青混合料10 Hz 对应的相位角见表4。

表4 相位角数据/（°）

经过多个拟合公式比选，相位角与黏聚力多项式关系的相关性最高，拟合关系见图3。可以看出，在60 ℃条件下，随着相位角的增大，黏聚力增大，呈正相关性。这是因为相位角表征沥青材料弹性和黏性成分相对比例，相位角越大，材料的黏性越大，弹性越小；黏聚力表征的是沥青与集料之间的黏附强度和沥青分子之间的黏结强度。高温条件下，沥青材料从弹性向黏性转化，高模量添加剂可使沥青材料弹性成分增加，沥青分子之间黏结强度增加，使相位角减小，但高模量添加剂的使用减弱了沥青胶浆与集料之间的黏附强度，从而降低了黏聚力。即60 ℃条件下，高模量沥青混合料相位角越大，黏性成分越高，沥青胶浆与集料之间的黏附效果越好，黏聚力越大。

图3 60 ℃、10 Hz 加载频率对应相位角与其黏聚力变化规律

3 结语

（1）4 种高模量添加剂使得沥青混合料动态模量显著增加，动稳定度明显改善，进而提升沥青混合料的高温抗车辙性能；4 种高模量添加剂可作为新型路用材料应用到更多实际工程中。高模量添加剂能够使沥青混合料的相位角减小，弹性成分增加，荷载卸载后变形更容易恢复。高模量添加剂的使用使得沥青混合料的沥青胶浆与集料之间的黏附强度减弱，黏聚力变小。（2）60 ℃条件下，高模量沥青混合料的黏聚力随着相位角的增大而增大，呈正相关性；建立了相位角与黏聚力的相关性模型，可通过此模型预估高模量沥青混合料60 ℃、10 Hz 相位角对应黏聚力，用于评价沥青与集料间的黏附强度。