基于DSR的沥青砂浆粘弹特性研究

柳雪丽,赵春晨,昝文博

(1.陕西工业职业技术学院 土木工程学院,陕西 咸阳 712000;2.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064)

沥青路面是现有国内路面普遍的结构形式,其在复杂路域环境-荷载耦合作用下会产生各种路面病害,极大地降低沥青路面服役寿命。目前对沥青混合料力学性能的研究主要集中于沥青、集料或级配类型等方面,对沥青砂浆的相关研究相对较少。沥青砂浆由沥青、矿粉及细集料等相组成,为整体沥青混合料结构提供了必要的强度和粘接力。沥青砂浆的粘弹特性与沥青路面路用性能密切相关,因此对其粘弹特性的研究十分必要。

有研究分析了围压、温度、加载应力等因素对沥青砂浆回弹模量的影响[7];不同老化程度下沥青砂浆的粘弹性能[8]。基于沥青混合料去除粗骨料保持细集料比例不变的方法确定了沥青砂浆级配[9]。认为沥青砂浆力学性能随砂浆级配中最大公称粒径的减少而变小[10];沥青砂浆中沥青含量越高,沥青砂浆动态模量越低[11]。提出了一种基于动态力学分析方法(DMA)的沥青砂浆动态弯拉试验方法,通过不同的试验认为矿料级配是影响沥青砂浆体积参数与动态粘弹特性的重要因素[12-13]。基于此,研究从沥青砂浆组成比例、制备工艺及粘弹性能进行了全面的研究。

1 试验材料组成及制备

1.1 沥青砂浆组成

1.1.1基质沥青

本文选用辽河70#基质沥青,其针入度、软化点和延度测试结果如表1所示。

表1 沥青3大指标

1.1.2沥青砂浆的级配

沥青砂浆级配由对应沥青混合料去除粗集料,保持细集料比例不变确定。本文中AC-13沥青混合料级配采用JTGF 40—2004推荐级配中值,沥青砂浆集料公称最大粒径选取2.36 mm,沥青砂浆级配曲线如图1所示。

图1 AC-13沥青混合料及对应沥青砂浆级配曲线

1.1.3沥青砂浆的沥青用量

1)沥青混合料最佳油石比的确定

选择5个沥青用量:4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%,采用马歇尔双面击实法制备沥青混合料试件,沥青混合料相关体积参数及力学性能参数与沥青用量的关系如图2所示[14]。

图2 AC-13沥青混合料马歇尔试验结果

由图2可知,马歇尔稳定度最大值、VV中值、ρ最大值和VFA中值对应的沥青含量分别为4.5%、5.0%、4.5%和4.6%。由式(1)得最佳沥青用量初始值OAC1为4.66%,在OACmin=4.2%与OACmax=5.4%之间,满足规范要求。

根据式(2)得最佳沥青用量初始值OAC2为4.8%,最后由式(3)得AC-13最佳油石比为4.73%。综合稳定度、密度等各指标关系,最后取值4.7%。

(1)

(2)

(3)

当沥青用量为4.7%,其沥青混合料相关体积参数及力学性能参数如表2所示。

表2 最佳沥青用量下的沥青混合料各性能参数

2)沥青砂浆沥青用量的确定

粉胶比指有效沥青百分比含量(Pbe)与0.075 mm通过率(P0.075)之比,其计算步骤:

(1)按照式(4)和式(5)分别计算γsb及γse;

(2)将上式结果代入式(6)及式(7)中求被集料吸收的沥青含量(Pba)和有效沥青含量(Pbe);

(3)通过维持粉胶比(FB=P0.075/Pbe)不变,将P0.075替换为砂浆级配中0.075 mm筛孔通过率求得沥青砂浆的Pba;

(4)将沥青砂浆的Pba代入公式(7)中,变换得到式(8)并求解出沥青砂浆的等效沥青含量。

(4)

(5)

式中:γsb为表观相对密度;Pn为各档矿料所占百分比;γn为各档矿料毛体积相对密度;Pb为沥青混合料中沥青含量;γb为沥青相对密度;γmm为沥青混合料最大相对密度。

(6)

(7)

式中:Pba为沥青混合料中被集料吸收的沥青胶结料比例,%;Pbe为沥青混合料中有效沥青含量,%;Ps为矿料质量比例,即100-Pb,%。

(8)

上述公式计算后所获取参数见表3,最终沥青砂浆沥青用量为9.7%。

表3 沥青混合料及沥青砂浆相关参数

1.2 沥青砂浆制备

采用旋转压实成型试件后钻芯取样的方法制备沥青砂浆,试件制备如图3所示[16]。

(a)旋转压实成型试件

(1)将按比例称好的细集料倒入拌和锅内,搅拌时间为150 s;倒入已经加热至指定温度的沥青,搅拌150 s;最后再加入预热的矿粉搅拌150 s;

(2)将拌和好的沥青砂浆倒入预加热后的直径150 mm旋转压实模具中,进行旋转压实成型。压力设置600 kPa,压实高度60 mm,静置后脱模;

(3)利用小型取芯机对成型后的旋转压实试件取芯获取直径12.5 mm高度45 mm的沥青砂浆试件,置于干燥皿中防止受潮。

1.3 试验方法

对沥青砂浆试件进行-5、10、25、40和55 ℃温度下的频率扫描试验,频率为0.01～60 Hz,各工况加载条件均选取线性粘弹区域应力[15]。

2 结果及讨论

2.1 沥青砂浆粘弹参数变化规律

图4为沥青砂浆模量及相位角随温度及频率的变化曲线。

(a)复数模量

由图4(a)可知,随着温度升高,沥青砂浆复数模量逐渐降低;同一温度条件下,复数模量随着频率增加而逐渐增大,但高温条件下变化趋势比低温条件显著。由图4(b)、(c)可知,沥青砂浆储存模量的变化趋势与复数模量基本相同;但-5 ℃条件下,沥青砂浆损耗模量随着频率的增加而降低。由图4(d)可知,同一频率下,随温度升高,沥青砂浆试件相位角逐渐增大。这是因为沥青砂浆试件在低温时弹性较强而黏性较弱;同一温度下,频率越大而相位角越小,这也说明沥青砂浆粘弹特性符合时温等效原理,高频等效于低温,故而相位角较小。

2.2 沥青砂浆主曲线

2.2.1时温等效原理

沥青在不同温度和时间下具有相同的力学状态,说明温度和时间对材料的粘弹行为具有等效性。基于时温等效原理,对于不同温度下材料的黏弹参数曲线具有相同的几何形状,可以将其沿着时间轴左右平移,形成一个完整曲线,称之为粘弹参数主曲线。该曲线可进一步可分析沥青材料在宽频率域内的粘弹特性。

对于移位因子的描述,目前最常用的是WLF方程[16]:

(9)

式中:αT为温度位移因子;T为试验温度,℃;Tg为参考温度,℃;C1、C2为常数。

2.2.2沥青砂浆有效性验证

以2个沥青砂浆试件的复数模量为例,利用时温等效原则确定20 ℃基准温度下的沥青砂浆模量主曲线,如图5所示。

图5 沥青砂浆复数模量主曲线平行件对比

从图5可以看出,试件1和试件2的复数模量主曲线平行性良好,仅在低频条件下存在细微差别,表明本文的沥青砂浆制备方法具有一定可靠性。

2.2.3基于主曲线的沥青砂浆粘弹特性分析

根据沥青砂浆复数模量主曲线可知,复数模量随频率的增加而增大,在高频末端趋于稳定,根据时温等效原理,高频等效于低温,说明沥青砂浆在低温时复数模量趋于稳定,表现为弹性行为。此外,复数模量和储存模量主曲线变化趋势极为接近,而损耗模量和复数模量主曲线在低频范围内较接近,在高频范围变化中出现峰值。相位角随频率的增加呈现先增加后降低的趋势,高频时相位角接近0°,这是由于沥青砂浆中集料引起的高弹性造成的[20]。

除主曲线外,复数模量-相位角曲线和储存模量-损耗模量曲线和也是描述沥青动态粘弹特性的重要曲线,分析可知随着相位角的增加,沥青的复数模量呈不断下降趋势,但开始下降速度较缓慢,当复数模量-相位角曲线出现转折点后复数模量下降速度增加。储存模量随损耗模量的增加先增加后降低,储存模量-损耗模量曲线存在峰值。

3 沥青类型及空隙率对沥青砂浆粘弹性能的影响

沥青、沥青砂浆及改性沥青砂浆主曲线如图6所示。

(a)复数模量主曲线

从图6(a)可以看出,虽然沥青及沥青砂浆主曲线形状均符合S型函数曲线,但沥青砂浆的复数模量远远高于基质沥青。低频条件下SBS改性沥青砂浆模量明显高于基质沥青砂浆,这是由于SBS的加入,显著提高了砂浆的高温性能;高频条件下,沥青砂浆复数模量主曲线趋于平缓,且基质沥青砂浆模量基本接近SBS改性沥青砂浆模量,这是由于高频下沥青砂浆粘弹性能基本呈现纯弹性行为。从图6(b)可以看出,沥青相位角主曲线和沥青砂浆相位角主曲线呈现较大的差别且随着SBS改性剂的加入,沥青砂浆相位角低频条件下降低,高频条件下基本一致。这与复数模量主曲线的变化趋势是一致的。

不同空隙率条件下沥青砂浆的主曲线如图7所示。

(a)复数模量主曲线

从图7可以看出,复数模量随着空隙率的增加而增加,但复数模量主曲线的形状基本一致。相位角随着空隙率的增加而降低,但是仅在低频条件下,不同空隙率沥青砂浆的相位角是重合的。这是由于高温条件下沥青砂浆的粘弹比例对沥青砂浆空隙率不敏感。

4 结语

(1)沥青砂浆复数模量主曲线平行性良好,表明本文沥青砂浆组分确定方法和制备方法是可行的;

(2)沥青砂浆复数模量及储存模量均随频率增大而逐渐增大,损耗模量随着频率的增加先增加后减小,相位角随着频率的增加同样呈现先增加后减小的趋势。沥青砂浆复数模量随相位角的增加呈不断下降趋势,但是开始下降速度较缓慢,当复数模量-相位角曲线出现转折点后下降速度增加;储存模量随着损耗模量的增加先增加后降低;

(3)随着改性剂的加入及空隙率的增加,沥青砂浆复数模量不断增加,相位角不断降低。