基于CAM模型的热再生沥青混合料动态粘弹特性研究

兰建丽，高学凯，孔繁盛

(1.山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司),太原 030006；2.山西省交通科技研发有限公司,太原 030006; 3.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，太原 030006)

0 引 言

热再生是沥青路面再生利用的一种重要技术手段，其在治愈路面病害的同时，可实现路面材料循环利用，具有显著的经济、社会、环保效益，在欧美国家得到了广泛应用[1-3]。

近年来，国内外很多学者针对就地热再生沥青混合料进行了相关研究，就地热再生技术在我国多个省市得到了实际应用[4-6]。陈龙[7]、郭川[8]等通过小梁弯曲试验及半圆弯拉试验评价了热再生沥青混合料的低温抗裂性能；董玲云[9]、秦炜[10]等分别采用间接拉伸疲劳试验、三点弯曲疲劳试验研究了不同应变水平及不同沥青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement, RAP)掺量下热再生沥青混合料的疲劳性能；齐小飞[11]、汪小东[12]、罗代松[13]等对热再生沥青混合料水稳定性的影响因素进行了分析。可以看到，虽然关于热再生技术已经取得了较为丰富的成果，但研究方向主要集中于热再生沥青混合料的抗裂、水稳及疲劳性能，而沥青混合料作为典型的粘弹材料，其力学性能的表现由内在的粘弹性质所决定，因此有必要对热再生沥青混合料的动态粘弹特性进行深入研究。

动态模量与相位角是反映沥青混合料动态粘弹特性的重要参数，也是沥青路面设计过程中不可或缺的技术指标[14-15]。基于此，本文选用重石油基与生物油基两种再生剂制备沥青混合料，并分别在9%、12%、15%(质量分数，下同)再生剂掺量下进行沥青三大指标试验以及在4种温度、6种频率下进行再生沥青混合料动态模量试验，同时根据时温等效原理及改进的Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型分析了再生沥青混合料的动态粘弹特性，研究结果为再生剂的选择及再生沥青路面理论设计提供了参考依据。

1 实 验

1.1 原材料

目前，再生剂按基础油分来源可分为石油基再生剂与生物油基再生剂，本研究购置两种不同类型再生剂并对其技术指标进行试验检测，检测结果如表1所示，其中A为重石油基再生剂，B为生物油基再生剂。沥青混合料回收料(RAP)来自山西某高速维修养护路段，其基础性能测试结果列于表2，RAP筛分结果如图1所示。

图1 RAP筛分级配Fig.1 RAP sieve classification

表1 再生剂技术指标Table 1 Technical indicators of regenerants

表2 RAP性能检验结果Table 2 Properties experimental results of RAP

1.2 试验方案

由于RAP自身级配仍呈现出良好的“S”型曲线，故本次研究并未添加新集料，采用图1所示级配进行研究。首先，将两种类型再生剂分别以9%、12%、15%掺量制备再生沥青，并以沥青25 ℃针入度、软化点、10 ℃延度技术指标确定再生剂最优掺量。然后，以最优再生剂掺量制备沥青混合料，拌和完成后再生沥青混合料以155 ℃在烘箱保温2 h使再生剂与沥青充分反应，采用SGC旋转压实仪成型φ150 mm×170 mm圆柱体试件，钻芯切割得到φ100 mm×150 mm试验试样，同时，对RAP采用相同的拌和条件成型试件并作为参照。最后，对三种沥青混合料进行动态模量试验，一方面，沥青路面所处实际温度场为-20～60 ℃，为尽可能涵盖沥青路面使用温度范围，同时考虑本研究所用仪器UTM-130路面材料多功能伺服液压动态试验系统的控温范围，采用4.4 ℃、21 ℃、38 ℃、54 ℃(美国规范AASHTO TP 62-03推荐温度)作为试验温度。另一方面，车速越快，沥青路面所受车轮荷载频率越高，10 Hz荷载频率相当于车辆速度为60～65 km/h，为研究不同车速下沥青混合料的力学响应，本文采用0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz进行试验研究。试验按照温度从低到高、频率从高到低进行，试验结果经计算可得到动态模量及相位角参数。

2 试验结果分析

2.1 再生剂掺量

两种类型再生剂在不同掺量下沥青的技术指标如表3所示，从表中可以看出，随着再生剂掺量的增加，再生沥青的针入度、延度升高，软化点下降，再生剂的掺入显著提高了沥青的延展性。两种再生剂对沥青性能的改善趋势相一致，但改善的效果不同，相同掺量下，重石油基再生沥青软化点高而针入度、延度偏低，生物油基再生沥青则相反。随着掺量的增加，再生剂对沥青性能的改善效果减弱，综合考虑经济与使用性能，本文以12%作为再生剂最佳掺量并制备沥青混合料进行动态模量试验研究。

表3 不同掺量再生剂沥青技术指标Table 3 Technical index of asphalts with different content of regenerant

2.2 动态模量试验

RAP、重石油基再生沥青混合料(RAP+A)以及生物油基再生沥青混合料(RAP+B)的动态模量和相位角分别如图2～图4所示。可以看出：(1)三种沥青混合料的动态模量随温度、频率的变化表现出了一致性，即随着温度降低、频率增加，沥青混合料动态模量增加；重石油基再生剂和生物油基再生剂的掺入并没有改变混合料的温度及频率依赖性，但在每个温度及频率下的表现有所不同，即在低温高频时，生物油基再生沥青混合料动态模量低于石油基再生沥青混合料，而在高温低频时则相反。(2)三种沥青混合料在不同温度及频率下的相位角发展趋势并不一致。RAP、RAP+A和RAP+B的温度转折点分别为38 ℃、21 ℃、21 ℃，当低于该转折温度时，沥青混合料的相位角随着频率的增加而减小，当高于该转折温度时，沥青混合料的相位角随频率增加而增加。究其原因:在低温高频时，沥青混合料更接近弹性体而更多表现出弹性性质，其弹性性质主要由集料贡献；而在高温低频时，沥青混合料向粘弹性体转变，此时混合料弹性比例下降而粘性比例升高，其粘性性质则主要受到沥青胶结料影响，再生剂的掺入改变了沥青的温度敏感性，进而影响到沥青混合料的粘弹性质。

图2 RAP动态模量与相位角Fig.2 RAP dynamic modulus and phase angle

图4 RAP+B动态模量与相位角Fig.4 RAP+B dynamic modulus and phase angle

3 基于CAM模型的热再生沥青混合料动态粘弹特性主曲线分析

3.1 改进的CAM模型

沥青混合料作为一种典型的粘弹性材料，具有显著的感温性，根据时温等效原理[17]可以将不同温度下混合料的力学现象进行平移，以得到更宽广温度和频率下的力学特性。本文选用改进的CAM[18]模型对再生沥青混合料的动态粘弹特性进行分析，其中动态模量和相位角的表达式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：δ为沥青混合料相位角；δm为混合料粘性成分最高时相位角值；fd为相位角最高点对应的频率；md、Rd分别为相位角主曲线形状参数和流变参数。

3.2 再生沥青混合料动态模量及相位角主曲线分析

3.2.1 动态模量主曲线分析

以21 ℃作为基准温度，利用最小二乘法规划求解，将其他三个温度进行平移后，采用改进的CAM模型对三种混合料动态模量进行拟合分析，绘制沥青混合料动态模量主曲线，如图5所示，拟合结果列于表4。

当汽车行驶速度为60 km/h左右时，相当于加载频率为10 Hz，从图5和表4中可以看出：(1)改进的CAM模型可以良好地拟合沥青混合料动态模量随频率的变化，拟合精度在0.950以上；当加载频率大于10 Hz时，三种沥青混合料动态模量的大小顺序为RAP>RAP+A>RAP+B，高频对应低温，这表明两种再生剂的掺入降低了沥青混合料在低温时的动态模量，从而更易产生变形释放温度应力；CAM模型拟合结果也证明了这点，其拟合参数fc反映了沥青混合料粘性成分和弹性成分相同时的频率，fc越高，低温抗裂性能越好[19]。(2)当加载频率小于0.01 Hz时，三种沥青混合料动态模量的大小顺序为RAP>RAP+B>RAP+A，低频对应高温，由于再生剂的掺入降低了沥青胶结料的粘度，使得沥青混合料的高温稳定性有所降低。(3)拟合参数中me和R反映了混合料的感温性，me和R越低表明混合料对温度越不敏感[18]，me和R拟合结果大小顺序均为RAP>RAP+A>RAP+B，这显示生物油基再生沥青混合料的感温性优于石油基再生沥青混合料，而RAP的感温性最差。

表4 动态模量主曲线拟合参数Table 4 Dynamic modulus master curve fitting parameters

图5 动态模量主曲线Fig.5 Dynamic modulus master curves

3.2.2 相位角主曲线分析

相位角是反映沥青混合料粘弹性质的一个重要参数，其表征了沥青混合料的粘弹性比例变化，相位角越高表明粘性成分越大，根据改进的CAM模型拟合三种沥青混合料相位角主曲线，如图6所示，拟合结果列于表5，从中可以看出：(1)改进的CAM模型能够良好地拟合沥青混合料平移后的相位角主曲线，拟合精度高于0.950，可以通过拟合的方程推测出沥青混合料在不同频率下的相位角。(2)两种再生剂的掺入均使沥青混合料相位角峰值延后及峰值提高，拟合参数fd大小顺序为RAP+B>RAP+A>RAP，且当加载频率高于10 Hz后，混合料相位角大小顺序为RAP+B>RAP+A，表明生物油基再生沥青混合料在低温时可以呈现出更多的粘性性质，即更容易产生流动变形，这对于抵抗低温抗裂是极为有利的。(3)当加载频率小于0.01 Hz后，混合料相位角大小顺序为RAP>RAP+A>RAP+B，这说明在高温时生物油基再生沥青混合料的弹性比例高于重石油基再生沥青混合料，这对于提高沥青混合料的高温性能是有积极作用的。

图6 相位角主曲线Fig.6 Phase angle master curves

表5 相位角主曲线拟合参数Table 5 Phase angle master curve fitting parameters

4 结 论

(1)随着再生剂掺量的增加，再生沥青的针入度、延度升高，软化点下降，再生剂的掺入显著提高了沥青的延展性。重石油基与生物油基两种再生剂对老化沥青性能的改善趋势相一致，但改善效果并不完全相同，在相同掺量下，重石油基再生沥青高温稳定性更好而低温延展性略差。

(2)两种再生剂均改变了RAP的感温性与粘弹特性，使得再生沥青混合料动态模量降低而相位角升高；改进的CAM模型能够良好地拟合再生沥青混合料的动态模量和相位角随频率的发展变化，拟合精度均在0.950以上。

(3)两种再生沥青混合料动态模量与相位角大小关系受加载频率影响，当加载频率高于10 Hz后，生物油基再生沥青混合料动态模量更低而相位角更高，当加载频率低于0.01 Hz时则相反，这对于同时提高沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性是有利的。