基质沥青对花岗岩改性沥青混合料动态模量与相位角的影响

卜力平 王家主

摘要：为充分利用福建本地储量丰富的花岗岩，降低工程造价，为沥青路面设计提供动态参数，采用花岗岩改性沥青混合料，选择3种品牌基质沥青与花岗岩骨料分别制作AC-16C改性沥青混合料，进行动态模量和动稳定度试验，分析在不同温度和不同加载频率综合作用下改性沥青混合料的动态模量与相位角的变化规律。试验结果表明：随温度的升高和加载频率的减小，3种品牌基质沥青AC-16C改性沥青混合料的动态模量均逐渐减小；相位角的变化规律随温度变化较复杂，高硫沥青品牌的基质沥青AC-16C改性沥青混合料在高温低频时动态模量相对较大，相位角相对较小。试验结果可用于预测和分析不同温度与加载频率条件下的沥青路面行为特征，为沥青路面设计提供参考。

关键词：基质沥青；花岗岩；改性沥青混合料；动态模量；相位角

中图分类号：TU528.42;TV431⁺.5文献标志码：A文章编号：1672-0032（2023）01-0052-05

引用格式：卜力平，王家主.基质沥青对花岗岩改性沥青混合料动态模量与相位角的影响［J］.山东交通学院学报，2023，31（1）：52-56.

BU Liping，WANG Jiazhu. Effect of matrix asphalt on dynamic modulus and phase angle of granite modified asphalt mixture［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（1）：52-56.

0 引言

我国东南沿海地区花岗岩储量较丰富，福建省花岗岩占全省岩石储量的70%以上。花岗岩属于酸性石料，与沥青的黏附性较差，花岗岩沥青混合料抵抗沥青路面水损害能力不足，限制了花岗岩在沥青路面工程中的应用。为满足高速公路建设对石料资源的巨大需求，经实践证明采用改性沥青能显著提高花岗岩沥青混合料的水稳定性。高硫沥青源自硫含量较高的原油，沥青中硫含量与原油中硫含量正相关。沥青含硫不影响沥青的使用性能，硫磺通常作为改性沥青的稳定剂，用以改善沥青的高温稳定性和抗水损害性能^[1-3]。

沥青混凝土路面在受到车辆荷载垂直方向冲击力作用时产生水平方向的推挤，且伴随共振、阻尼和惯性等共同作用，形成沥青路面的复杂受力体系^[4]。相较于顶面回弹模量，动态模量的变化更能反映路面的实际工作状态，可反映模量对温度和时间的依赖性，沥青路面设计由静态设计转为动态设计方法^[5]。沥青具有黏弹性特征，在高温和车辆荷载作用下，沥青混合料的动力特性改变，通过动稳定度试验可验证沥青混合料动态模量和相位角变化结果的准确性^[6-8]。本文采用进口高硫原油在国内生产的高硫沥青和非高硫原油生产的普通沥青作为基质沥青，以福建省普通花岗岩石料作为沥青路面的原材料，引进动态参数进行沥青路面结构设计，分析同种集料与不同组分沥青的混合料在不同温度和加载频率综合影响下动态模量和相位角的变化规律，为就地取材、降低工程成本及沥青路面设计提供参考。

1 原材料和礦料级配

1.1 原材料

粗、细集料均采用闽清石料场花岗岩碎石，经过颚式、圆锥式和反击式3种破碎方式加工而成^[9-10]。细集料砂当量为70.6%，粗集料试验结果如表1所示。3种品牌基质沥青苯乙烯-丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene，SBS）改性后的常规指标检测结果如表2所示。

由表2可知：SBS改性后高硫沥青的闪点、溶解度最大，弹性恢复最小，储存稳定性略优于A沥青，比B沥青差。3种改性沥青经薄膜加热老化后，残留物的质量变化相差不大。

经检测，全部原材料均符合文献[12]要求。

1.2 矿料级配

采用SBS改性沥青混合料AC-16C，油石比为5.1%，其矿料级配如表3所示。

2 动态模量试验

2.1 试验准备

动态模量试验设备为UTM-25动态伺服液压材料试验机，试验温度分别为-10、5、20、35、50 ℃。试验频率与行车速度有关，高速公路行车速度为120 km/h，频率约25.0 Hz；在高速公路收费站进出口车辆速度较慢，对应的试验频率不小于0.1 Hz；车辆行驶速度分别为40、60 km/h，对应的试验频率约为5.0、10.0 Hz。单轴压缩动态模量试验采用的加载频率分别为0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、25.0 Hz。

2.2 试验结果

3种品牌基质沥青AC-16C改性沥青混合料的动态模量与相位角试验结果如图1、2所示。

由图1可知：随温度的升高和加载频率的减小，3种品牌基质沥青AC-16C改性沥青混合料的动态模量均逐渐减小。温度相同时，频率越小，动态模量越小；频率相同时，温度越低，动态模量越大。高硫改性沥青混合料在高温低频时的动态模量相对较大。

由图2可知：相位角变化情况较复杂，主要原因是沥青属于黏弹性材料，相位角表征沥青黏性和弹性成分相对比例，相位角越大，沥青的黏性越大，弹性越小；相位角越小，沥青的黏性越小，弹性越大。当温度低于20 ℃时，相位角随加载频率的增大而减小，表明在低温高频作用下，沥青混合料从黏性向弹性转化，矿料骨架沥青胶浆性能对混合料力学特性影响更显著。当温度达到35 ℃时，相位角随加载频率的减小先增大后明显减小。温度继续升至50 ℃的过程中，相位角随温度的升高和加载频率的减小而持续减小。这是因为在高温低频作用下，沥青组分中的高分子链段加速移动，混合料的矿料骨架结构开始发挥作用，整体结构强度增大，当温度达到改性沥青的软化点时，矿料骨架的作用已超出改性沥青混合料本身。高硫改性沥青混合料在高温低频时相位角相对较小^[13-16]。

3 动稳定度试验

为验证动态模量与高温稳定性的关系， 对3种品牌的基质沥青AC-16C改性沥青混合料进行室内车辙动稳定度试验^[17-18]。按照文献[12]要求，分别进行60、80 ℃车辙试验及60 ℃浸水车辙试验，结果如表4所示。

由表4可知：同等试验条件下，基质沥青是高硫沥青的AC-16C改性沥青混合料动稳定度相对较大。这是因为高硫改性沥青中的硫化物相对较多，增强了沥青的极性，与沥青混合料中骨料的黏结力大幅提高，高硫改性沥青混合料的高温稳定性较好。

4 结论

选择3种品牌基质沥青AC-16C改性沥青混合料，粗、细集料均采用花岗岩碎石，在不同试验温度和加载频率的条件下进行单轴压缩动态模量试验与动稳定度试验。通过分析动态模量曲线图及相位角曲线图可知在不同温度和加载频率综合作用下改性沥青混合料的动态模量与相位角的变化规律，可用于预测和分析不同温度与加载频率条件下沥青路面的行为特征。

1）高硫改性沥青混合料在高温低频时的动态模量相对较大，且相位角较小。实测的3种改性沥青混合料动态模量可为沥青路面设计提供参考。

2）同等条件下，高硫改性沥青混合料的高温稳定性较好，抗车辙能力较强。

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Effect of matrix asphalt on dynamic modulus and phase angle of

granite modified asphalt mixture

BU Liping^1，2， WANG Jiazhu^3，4

1.College of Civil Engineering， Fujian Chuanzheng Communications College， Fuzhou 350007， China;

2.Collaborative Innovation Center of Intelligent and Green Construction Application Technology of Transportation Civil Construction，

Fuzhou 350007， China; 3.Fujian Provincial Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Fuzhou 350004，China;

4.Research and Development Center of Transport Industry of New Materials， Technologies Application for Highway Construction and

Maintenance of Offshore Areas， Ministry of Transport， PRC，Fuzhou 350004，China

Abstract：In order to make full use of the abundant granite in Fujian and reduce the project cost， the granite modified asphalt mixture is used to provide dynamic parameters for the design of asphalt pavement. Three kinds of brand of asphalt and granite aggregate are selected to make AC-16C modified asphalt mixture， and dynamic modulus and dynamic stability test are carried out to analyze the change law of dynamic modulus and phase angle of the modified asphalt mixture under the combined effect of temperature and frequency. The results show that with the increase of temperature and the decrease of loading frequency， the dynamic modulus of 3 brands of asphalt AC-16C modified asphalt mixture gradually decreases， and the change of phase angle with temperature is more complicated. The dynamic modulus of the asphalt AC-16C modified asphalt mixture of high-sulfur asphalt is relatively larger， and the phase angle is relatively small at high temperature and low frequency. The test results can be used to predict and analyze the behavior characteristics of asphalt pavement under different temperatures and loading frequencies， and provide reference for asphalt pavement design.

Keywords：matrix asphalt; granite; modified asphalt mixture; dynamic modulus; phase angle

（責任编辑：王惠）