基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀的瀝青砂漿力學(xué)性能研究

張延雙,周新星

(1.通遼市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 028000；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀的瀝青砂漿力學(xué)性能研究

張延雙1,周新星2

(1.通遼市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 028000；
2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)不同老化條件瀝青砂漿進(jìn)行性能測(cè)試，分析其路用性能。結(jié)果表明：紫外和熱氧老化會(huì)改善瀝青砂漿的高溫穩(wěn)定性，水損害則會(huì)弱化瀝青砂漿的穩(wěn)定性；同時(shí)，紫外和熱氧老化還會(huì)在一定程度上對(duì)砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能造成損害，加快瀝青路面的低溫開(kāi)裂，但是水損害卻能夠提高瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能。

動(dòng)態(tài)剪切流變儀； 瀝青砂漿； 力學(xué)性能

瀝青混凝土主要由瀝青、砂漿和集料組成[1]，其中瀝青砂漿作為混凝土重要的組成部分，對(duì)瀝青混凝土的力學(xué)性能起著關(guān)鍵性的作用，還能指導(dǎo)瀝青混凝土的設(shè)計(jì)；同時(shí)對(duì)研究瀝青混凝土的紫外老化和水損害機(jī)理也起著重要的作用，因此研究細(xì)集料瀝青混凝土的力學(xué)性能首先必須考慮瀝青砂漿的性能。早在2007年荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Mo[2]就采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)對(duì)瀝青砂漿以及瀝青砂漿-集料界面的動(dòng)態(tài)力學(xué)進(jìn)行了分析測(cè)試，但主要集中在疲勞性能。García等[3]考察了不同礦粉和纖維含量的瀝青砂漿的導(dǎo)電性能，認(rèn)為隨著礦粉添加瀝青砂漿導(dǎo)電性能增加，達(dá)到最大值后便不再增加，同時(shí)他們還對(duì)瀝青砂漿的自愈合性能進(jìn)行了研究。龐海峰[4]利用MTS力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)瀝青砂漿粘彈特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。長(zhǎng)沙理工大學(xué)吳婷[5]采用SANS材料伺服試驗(yàn)機(jī)通過(guò)單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)分析不同集料組成對(duì)瀝青砂漿高溫性能的影響。2011年Mo等[6]便提出了利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)試瀝青砂漿的標(biāo)準(zhǔn)方法。瀝青路面在氣候環(huán)境和車(chē)輛荷載作用下會(huì)發(fā)生一定程度的破壞，如熱氧老化、紫外老化和水損害等[7]。研究瀝青路面在外界環(huán)境作用下的力學(xué)性能對(duì)瀝青路面使用性能和預(yù)養(yǎng)護(hù)具有重要意義。因此也有必要對(duì)瀝青砂漿在短期老化(熱氧老化)、紫外老化和水損害情況下的力學(xué)性能進(jìn)行分析，以探討瀝青砂漿破壞機(jī)理，為瀝青路面設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，為道路養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料參數(shù)

瀝青砂漿是由瀝青、石灰石礦粉和1.18 mm篩孔以下鋼渣細(xì)集料組成，其中瀝青∶礦粉∶細(xì)集料質(zhì)量比0.34∶0.30∶0.36。瀝青基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 70# 基質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)

1.2 方法

熱氧老化砂漿的制備：將砂漿放入165 ℃的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱內(nèi)加熱5 h后得到熱氧老化瀝青砂漿。紫外老化砂漿的制備：是指瀝青砂漿在紫外老化條件下，60 ℃、30 W實(shí)驗(yàn)條件下所得到的瀝青砂漿。水損害瀝青砂漿的制備：用容器裝入一定量的砂漿，在保水情況下抽真空15 min，低溫-5 ℃貯存18 h，再放入25 ℃溫水中24 h得到水損害瀝青砂漿。

動(dòng)態(tài)剪切流變儀通過(guò)作用已知扭矩來(lái)測(cè)量試樣的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，配合相應(yīng)軟件可進(jìn)行應(yīng)變控制(測(cè)量其應(yīng)力)和應(yīng)力控制(測(cè)量其應(yīng)變)，DSR剪切作用原理見(jiàn)圖1。考慮材料性能和幾何尺寸效應(yīng)，本研究選取測(cè)試樣品高度為2 mm。蠕變測(cè)試過(guò)程恒定剪應(yīng)力30 Pa，測(cè)試60 ℃應(yīng)變的緩慢變化情況；低溫應(yīng)力松弛則是選取-5 ℃，5%的應(yīng)變作為測(cè)試條件。

2 結(jié)果與討論

蠕變是指材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。高溫條件下的瀝青砂漿蠕變測(cè)試對(duì)評(píng)價(jià)砂漿的高溫穩(wěn)定性和抗車(chē)轍性能具有重要的參考價(jià)值。蠕變曲線(xiàn)分為4個(gè)部分：瞬時(shí)彈性變形、彈性變形、可恢復(fù)變形和永久變形。由圖2可知，當(dāng)開(kāi)始施加恒定荷載時(shí)，瀝青砂漿會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)彈性變形，并隨著時(shí)間推移逐漸積累，直到卸載時(shí)達(dá)到最大變形量。恒定作用力卸載后，瀝青砂漿瞬時(shí)彈性變形消失，遲滯變形隨時(shí)間逐漸恢復(fù)，最終剩下不可恢復(fù)的永久變形。

從圖3可以看出瀝青砂漿的彈性變形很小，水損害砂漿的彈性變形最大，原樣砂漿其次，紫外老化砂漿的彈性變形最小，這就說(shuō)明高溫情況下，水損害瀝青砂漿的高溫彈性最好，紫外老化砂漿最差；總變形量由水損害砂漿、原樣砂漿、紫外老化砂漿、熱氧老化砂漿依次增加。高溫蠕變曲線(xiàn)的總變形量可以在一定程度上反映抗車(chē)轍性能。由圖可知，說(shuō)明不同老化條件下，抵抗高溫車(chē)轍能力最好的是水損害砂漿，其次是紫外老化砂漿，最后才是熱氧老化砂漿。從材料的粘彈特性來(lái)看，高溫情況下紫外老化砂漿的瞬時(shí)彈性變形最大，也是最差的，其他3種材料的相差不大，說(shuō)明紫外老化對(duì)瀝青砂漿的瞬時(shí)彈性變形影響最大。

應(yīng)力松弛是指粘彈性材料在總應(yīng)變不變的條件下，由于試樣內(nèi)部的粘性應(yīng)變(或粘塑性應(yīng)變)分量隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)，使回彈應(yīng)變分量隨時(shí)間逐漸降低，從而導(dǎo)致變形恢復(fù)力(回彈應(yīng)力)隨時(shí)間逐漸降低的現(xiàn)象。如圖4所示，瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛曲線(xiàn)表明：水損害砂漿的松弛時(shí)間最短，只有32 s；原樣瀝青砂漿的其次，為49 s；紫外老化砂漿的松弛時(shí)間最長(zhǎng)，為328 s，這表明紫外老化砂漿在低溫情況下應(yīng)力來(lái)不及松弛，可能會(huì)造成低溫開(kāi)裂，嚴(yán)重影響到瀝青混凝土的路用性能。為了清晰表述瀝青砂漿的應(yīng)力松弛性能，文中采用松弛率描述應(yīng)力松弛性能。其計(jì)算公式如下

(1)

式中，S代表應(yīng)力松弛率;Smax代表最大應(yīng)力值;Smin代表最小應(yīng)力值。根據(jù)公式(1)可知，原樣瀝青砂漿、熱氧老化砂漿、紫外老化砂漿、水損害砂漿的應(yīng)力松弛率分別為99.93%，99.50%，98.36%，99.98%。由上述數(shù)據(jù)可知，水損害砂漿的應(yīng)力松弛率最好，原樣砂漿的其次，紫外老化砂漿的最差；這說(shuō)明水損害能夠提高瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能，而紫外老化和熱氧老化則會(huì)損害瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能；但是，紫外老化對(duì)瀝青砂漿應(yīng)力松弛性能的影響最大，效果最嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

由瀝青砂漿在不同老化條件下的高溫蠕變性能和低溫應(yīng)力松弛性能結(jié)果分析可得出以下結(jié)論：不同老化條件下，抵抗高溫車(chē)轍能力最好的是水損害砂漿，其次是紫外老化，最后才是熱氧老化。紫外老化和熱氧老化都會(huì)在一定程度上對(duì)砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能造成損害，可能會(huì)加快瀝青路面的低溫開(kāi)裂，嚴(yán)重影響到瀝青混凝土的路用性能，但是水損害卻能夠提高瀝青砂漿的低溫應(yīng)力松弛性能。

[1] Lv Dan,Zheng Chuanfeng,Qin Yong,et al.Analysing the Effects of the Mesoscopic Characteristics of Mineral Powder Fillers on the Cohesive Strength of Asphalt Mortars at Low Temperatures[J].Constructure and Building Materials,2014,65:330-337.

[2] Mo Liantong,Huurman M,Wu Shaopeng ,et al.Ravelling Investigation of Porous Asphalt Concrete Based on Fatigue Characteristics of Bitumen-Stone Adhesion and Mortar[J].Materials and Design,2009,1(30):170-179.

[3] Garcia Alvaro,Schlangen Erik,van de Ven Martin,et al.Electrical Conductivity of Asphalt Mortar Containing Conductive Fibers and Fillers[J].Constructure and Building Materials,2009,23(10):3175-3181.

[4] 龐海峰.瀝青砂漿粘彈性試驗(yàn)分析[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué),2009.

[5] 吳 婷.瀝青砂漿細(xì)觀力學(xué)性能分析研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué),2010.

[6] Mo Liantong,Huurman M,Wu Shaopeng,et al.Research Bituminous Mortar Fatigue Test Method Based on Dynamic Shear Rheometer[J].Journal of Testing and Evaluation,2012,40(1):84-90.

[7] 蘭 宏.瀝青路面水損害行為及機(jī)理研究[D].長(zhǎng)安：長(zhǎng)安大學(xué),2011.

Mechanical Properties of Asphalt Mortar Based on Dynamic Shear Rheometer

ZHANG Yan-shuang1，ZHOU Xin-xing2

(1.Traffic Construction Engineering Quality Supervision Station of Tongliao City,Inner-Mongolia 028000,China;
2.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Dynamic shear rheometer(DSR) was used to measure the pavement properties of asphalt mortar on different aging conditions.Its results showed that:ultraviolet(UV) and thermal oxygen(TO) aging could improve the high-temperature stability of asphalt mortar,moisture damage could reduce the high-temperature stability of asphalt mortar; UV and TO aging could also damage the low-temperature stress relaxation properties,but moisture damage is opposite.

dynamic shear rheometer; asphalt mortar; mechanical properties

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.005

2014-12-13.

張延雙(1971-),副高級(jí)工程師.E-mail:253122797@qq.com