高模量瀝青混合料黏聚力與相位角關系研究

閆翔鵬，蘆子朝,2，安 平，張曉萌，蔡 翔

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2.山東建筑大學，山東 濟南 250101；3.日照公路建設有限公司，山東 日照 276800）

引言

瀝青混合料作為一種典型的黏彈性材料，溫度敏感性高，在重交通量、高溫的環境條件下，易出現嚴重的早期損壞，直接影響道路的使用性能，其中高溫穩定性不足是導致路面破壞的主要原因之一［1-4］。隨著科技的發展，開始研發適用于道路的新材料，高模量瀝青混合料以優異的抗車轍效果而廣受關注，尤其是添加劑型高模量瀝青混合料，高模量添加劑可以提高瀝青混合料高溫抗車轍的能力，有效延長路面使用年限，減少路面翻新維修的次數［5-8］。

國內外對動力荷載作用下瀝青材料的性質進行了大量的研究，研究表明：瀝青混合料動力特性的改善源自于內摩擦角和黏聚力的變化，改善效果可通過動態模量和相位角有所體現［9-12］。但是，瀝青混合料相位角與黏聚力的關系研究較少，瀝青材料是一種黏彈性材料，相位角表征材料彈性和黏性成分的相對比例；黏聚力表征瀝青與集料之間的黏附強度和瀝青分子間的黏結強度。因此，黏聚力與相位角之間存在一定的關系，并通過一系列試驗進行了驗證。

畢玉峰和孫立軍［13］提出了高效計算瀝青混合料黏聚力和內摩擦角的單軸貫入、無側限抗壓強度聯合試驗。瀝青混合料單軸壓縮動態模量試驗對試件施加半正弦連續荷載，加載頻率10 Hz 符合我國高等級公路汽車行駛速度范圍。

1 試驗方案設計

1.1 原材料

瀝青采用SBS 改性瀝青，性能指標均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的要求。級配為連續密集配AC-20 瀝青混合料，集料選用優質石灰巖，石灰巖按粒徑不同分為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm五檔，各項技術指標均符合《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）技術要求。

1.2 高模量添加劑

通過摻入添加劑的方式制成高模量瀝青混合料，高模量添加劑的類型、摻量及材料類型見表1。4 種高模量添加劑均為外摻型改性劑，在混合料拌和時加入。

表1 高模量添加劑

1.3 試件制備及試驗方法

采用旋轉壓實儀進行試件成型，鉆芯機和巖石切割機將成型試件分別制成動態模量試驗標準試件、單軸貫入和無側限抗壓強度試驗標準試件。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E42—2011）要求對室內成型試件進行單軸壓縮動態模量實驗、單軸貫入試驗和無側限抗壓強度試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 單軸壓縮動態模量試驗數據分析

2.1.1 15 ℃、10 Hz 模量數據分析

《路面面層高模量瀝青混合料BBME》（法國標準NF P98-141-1993）指出，15 ℃、10 Hz 模量≥ 14 000 MPa 的瀝青混凝土就是高模量瀝青混凝土［9］。由表2可知，4種高模量添加劑均使瀝青混合料15 ℃、10 Hz 模量達到14 000 MPa，因此，這4 種高模量添加劑均能使瀝青混合料達到高模量瀝青混合料的模量要求。

表2 瀝青混合料動態模量

由表2 可知，與普通型瀝青混合料相比，4 種高模量添加劑使瀝青混合料的模量和相位角有大幅度改善，相位角表征瀝青材料彈性和黏性成分的相對比例，相位角越小，材料的彈性越大，黏性越小；越大則反之。加入添加劑后相位角降低，這說明添加劑的加入提高了瀝青的彈性成分的比例，荷載卸載后變形更容易恢復，這也是4 種添加劑型高模量瀝青混合料動穩定度遠高于普通型瀝青混合料的原因［14-15］。

2.1.2 60 ℃條件下動態模量數據分析

由圖1 可見，瀝青混合料動態模量受加載頻率的影響均較為明顯，隨著加載頻率的降低，荷載作用時間增加，動態模量減小［16］。主要是因為瀝青混合料是一種黏彈性材料，在高頻狀態下，瀝青混合料主要表現為彈性性質，在低頻狀態下，瀝青混合料黏性增強，模量減小。此外，發現在高溫低頻的情況下瀝青混合料的模量最低，此時混合料最易出現車轍。

圖1 60 ℃動態模量對比

與普通型瀝青混合料動態模量相比，高模量添加劑的加入可明顯提高瀝青混合料的動態模量，其中A 型高模量添加劑效果最為明顯。這是因為瀝青混合料模量的改善源自于其內摩擦角和黏聚力的變化，高模量添加劑使混合料內摩擦角增大，限制了集料間的相對摩擦，從而提高其動態模量［17］。

2.1.3 60 ℃條件下相位角數據分析

由圖2 可見，A 型高模量瀝青混合料相位角隨加載頻率的降低呈現先增大后減小的規律，這是因為加載頻率降低能夠促進高分子鏈段的移動，相位角增大，但隨著加載頻率的不斷降低，滯后現象減弱相位角減小。B、C、D 和普通型混合料相位角隨著加載頻率的降低呈現減小的趨勢，這是由于在60 ℃條件下，瀝青材料呈現明顯的黏性，瀝青膠漿變軟，混合料骨架效應起主導作用，相位角變小。

圖2 60 ℃相位角對比

A、B、C、D 型高模量瀝青混合料相位角與普通型瀝青混合料相位角相比，加入高模量添加劑可使混合料相位角變小，這是因為相位角表征瀝青材料彈性和黏性成分相對比例，相位角越小，材料的彈性越大，黏性越小；越大則反之。加入添加劑后相位角降低，這說明添加劑的加入提高了瀝青的彈性成分的比例，荷載卸載后變形更容易恢復。

2.2 黏聚力結果與分析［13］

根據公式（1）～（7）計算瀝青混合料的黏聚力和內摩擦角：

式中：Rτ—單軸貫入強度，MPa；fτ—貫入指數0.34；σP—單軸貫入壓力，MPa；P—極限荷載，N；A—加載頭的橫截面積，mm2；

式中：σu—無側限抗壓強度，MPa；P—極限荷載，N。

根據單軸貫入試驗和無側限抗壓強度試驗的結果，計算出內摩擦角和黏聚力：

式中：σP1—第一主應力，MPa；σP3—第三主應力，MPa；c—黏聚力，kPa；φ—內摩擦角，°。

5 種瀝青混合料的黏聚力結果見表3。普通型瀝青混合料黏聚力平均值為240.29 kPa，均大于4 種高模量瀝青混合料黏聚力。因為黏聚力表征的是瀝青與集料之間的黏附強度和瀝青分子之間的黏結強 度［15］，高模量添加劑融于瀝青，在瀝青中起到加筋作用，瀝青黏度增大，瀝青分子間的作用力增強，但是瀝青與集料間的黏附強度降低，導致高模量瀝青混合料黏聚力降低。

表3 黏聚力數據/kPa

2.3 相位角與黏聚力的相關性分析

相位角表征材料黏性與彈性成分比例，60 ℃條件下瀝青混合料10 Hz 對應的相位角見表4。

表4 相位角數據/（°）

經過多個擬合公式比選，相位角與黏聚力多項式關系的相關性最高，擬合關系見圖3。可以看出，在60 ℃條件下，隨著相位角的增大，黏聚力增大，呈正相關性。這是因為相位角表征瀝青材料彈性和黏性成分相對比例，相位角越大，材料的黏性越大，彈性越小；黏聚力表征的是瀝青與集料之間的黏附強度和瀝青分子之間的黏結強度。高溫條件下，瀝青材料從彈性向黏性轉化，高模量添加劑可使瀝青材料彈性成分增加，瀝青分子之間黏結強度增加，使相位角減小，但高模量添加劑的使用減弱了瀝青膠漿與集料之間的黏附強度，從而降低了黏聚力。即60 ℃條件下，高模量瀝青混合料相位角越大，黏性成分越高，瀝青膠漿與集料之間的黏附效果越好，黏聚力越大。

圖3 60 ℃、10 Hz 加載頻率對應相位角與其黏聚力變化規律

3 結語

（1）4 種高模量添加劑使得瀝青混合料動態模量顯著增加，動穩定度明顯改善，進而提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能；4 種高模量添加劑可作為新型路用材料應用到更多實際工程中。高模量添加劑能夠使瀝青混合料的相位角減小，彈性成分增加，荷載卸載后變形更容易恢復。高模量添加劑的使用使得瀝青混合料的瀝青膠漿與集料之間的黏附強度減弱，黏聚力變小。（2）60 ℃條件下，高模量瀝青混合料的黏聚力隨著相位角的增大而增大，呈正相關性；建立了相位角與黏聚力的相關性模型，可通過此模型預估高模量瀝青混合料60 ℃、10 Hz 相位角對應黏聚力，用于評價瀝青與集料間的黏附強度。