基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的花崗巖瀝青混合料力學(xué)性能研究

摘要：為評價花崗巖瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，研究采用AC-10上面層加AC-16下面層組合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，基于一種基質(zhì)瀝青和五種不同抗剝落措施，進行了花崗巖瀝青混合料復(fù)合結(jié)構(gòu)的蠕變試驗和動態(tài)模量試驗，分析了不同方案不同溫度下結(jié)構(gòu)的蠕變規(guī)律和混合料結(jié)構(gòu)的動態(tài)模量及多種加載頻率下混合料的動態(tài)模量。對比分析了不同抗剝落措施對花崗巖瀝青混合料力學(xué)性能的影響，為花崗巖在瀝青路面中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：花崗巖瀝青混合料抗剝落措施多重蠕變動態(tài)模量

中圖分類號：U414.75

StudyontheMechanicalPropertiesofGraniteAsphaltMixtureBasedonCompositeStructure

GAOXiangqi1YANGYongfu2*GUOXiaochun1SUIXiubin1JIZhengjun2

1.NingliangExpresswayCo.，Ltd.ofShandongHi-SpeedGroup，Taian，ShandongProvince，271000China;2.ShandongTransportationInstitute，Ji’nan，ShandongProvince，250031China

Abstract：Inordertoevaluatethemechanicalpropertiesofgraniteasphaltpavementstructure，thisstudyusedacompositestructureconsistingofAC-10upperlayerandAC-16lowerlayer.Basedonamatrixasphaltandfivedifferentanti-strippingmeasures，creeptestsanddynamicmodulustestswereconductedonthecompositestructureofgraniteasphaltmixture.Thecreeplawsofthestructureunderdifferentschemesandtemperatures，thedynamicmodulusofthemixturestructure，andthedynamicmodulusofthemixtureundervariousloadingfrequencieswereanalyzed.Theinfluenceofdifferentanti-strippingmeasuresonthemechanicalpropertiesofgraniteasphaltmixturewascomparedandanalyzed，providingabasisfortheapplicationofgraniteinasphaltpavement.

KeyWords：Granite;Asphaltmixture;Anti-strippingmeasures;Multiplecreep;Dynamicmodulus

隨著應(yīng)用于瀝青路面的優(yōu)質(zhì)的堿性集料不斷減少和眾多學(xué)者對酸性集料應(yīng)用于瀝青混合料的不斷深入研究，對瀝青混合料的研究已不僅僅局限于某種混合料或某種原材料的單獨評價。為了更真實地模擬混合料在服役過程中的受力狀態(tài)，科研工作者開發(fā)出了越來越多的試驗方法。本研究采用與實際服役狀態(tài)相同的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究不同抗剝落措施下的花崗巖瀝青混合料力學(xué)性能，從中優(yōu)選出性能較優(yōu)抗剝落措施。

1復(fù)合結(jié)構(gòu)試件設(shè)計

1.1復(fù)合結(jié)構(gòu)混合料

復(fù)合結(jié)構(gòu)試件模擬瀝青路面上、下面層結(jié)構(gòu)，上面層采用AC-10瀝青混合料，下面層采用AC-16瀝青混合料，首先采用基質(zhì)瀝青按照熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計方法對兩種混合料進行了配合比設(shè)計，最終確定的AC-10和AC-16混合料礦料級配如表1、圖1、圖2所示。

1.2雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)試件方案

研究采用AC-10上面層+AC-16下面層的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時為對比幾種抗剝落措施的影響，復(fù)合結(jié)構(gòu)下面層采用的AC-16混合料，瀝青只采用70-A道路石油瀝青，填料全為礦粉：消石灰粉（4∶3），而上面層AC-10采用不同的瀝青及填料，具體組合方案如表3所示。

1.3復(fù)合結(jié)構(gòu)試件成型方法

多重蠕變試驗和動態(tài)模量試驗采用試件尺寸均為φ100mm×150mm，這種尺寸試件無法通過成型直接獲得，一般是先用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型直徑為150mm的圓柱形試件，成型高度控制在（170±2）mm，成型時按照上面層與下面層厚度比為3∶5的比例計算各自所需混合料質(zhì)量，首先在下部裝入AC-16所需混合料，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀進行8次初壓，之后按照計算質(zhì)量裝入AC-10混合料，成型好的試件下面層AC-16厚度應(yīng)為106.25mm，上面層AC-10厚度應(yīng)為63.75mm。根據(jù)蠕變試驗與動態(tài)模量試驗試件φ100mm×150mm尺寸要求，成型φ150mm×170mm后用取芯機鉆芯取直徑100mm試件，再用切割機切掉上下面多余的高度，切割好的試件上面層厚度應(yīng)為56.25mm，下面層厚度應(yīng)為93.75mm，誤差應(yīng)在2mm范圍內(nèi)。試件成型如圖3所示。

2力學(xué)性能試驗

2.1重復(fù)加載蠕變試驗

為更好地模擬實際路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，研究采用能夠反映瀝青混合料黏彈塑性的蠕變試驗，測定瀝青混合料的流變特性。重復(fù)加載蠕變試驗的荷載作用次數(shù)與永久變形的典型關(guān)系曲線圖如圖4所示，由此可以看到，永久變形曲線可以明顯分為三個階段：第一段為遷移期，永久變形迅速增大，增量逐漸減小；第二段為穩(wěn)定期，永久變形緩慢增大，其增量基本保持不變；第三段為破壞期，永久變形再一次迅速增大，其增量也逐漸增大，材料出現(xiàn)塑性流動破壞，把第二變形段過渡到第三變形段的曲線拐點稱為流動數(shù)FN，F(xiàn)N為應(yīng)變隨荷載作用次數(shù)的變化率最小的點所對應(yīng)的荷載作用次數(shù)，它反映了混合料進入剪切流動階段的起點。通過對重復(fù)荷載蠕變試驗曲線的回歸分析，可以獲得代表混合料永久變形性能的諸多參數(shù)[1-3]。

根據(jù)國內(nèi)外重復(fù)加載蠕變試驗經(jīng)驗，取間歇時間為0.9s，加載頻率10Hz，荷載作用時間就為0.1s[4]；依據(jù)相關(guān)研究夏季高溫時節(jié)瀝青路面可能達到的溫度水平，試驗溫度選擇30℃、45℃和60℃這3種溫度水平[5]；試驗荷載波形采用更能反映路面實際荷載的半正弦波[6]，荷載應(yīng)力水平采用與常規(guī)車轍試驗相對應(yīng)的700kPa壓應(yīng)力[7]。

2.2動態(tài)模量試驗

動態(tài)模量是表征瀝青混合料黏彈性能的又一參數(shù)，它能夠表征瀝青混合料的基本的松弛和蠕變特性。美國合作公路研究項目成果表明復(fù)合試件的動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)能很好地反映瀝青混合料的抵抗水變形和疲芳開裂的能力。

對于試驗采用周期性波動的動態(tài)荷載，混合料的動態(tài)模量將由動態(tài)荷載的應(yīng)力振幅與為其應(yīng)變振幅的比值進行表征。研究對6種結(jié)構(gòu)采用簡單性能試驗機進行動態(tài)模量試驗，試驗分別在無圍壓的20℃、35℃、和50℃環(huán)境中，對試件加載連續(xù)無間歇的半正矢波形荷載，每個試件均從0.1～25Hz間的9個不同荷載頻率進行加載，每個頻率正式加載前，均進行10次預(yù)壓，之后進行10次正式加載。通過試驗采集的荷載應(yīng)力、溫度、軸向應(yīng)變和時間等數(shù)據(jù)，計算獲得混合料的動態(tài)模量和相位角，并對其隨加載頻率和試驗溫度的變化規(guī)律進行分析。

3試驗結(jié)果分析

3.1蠕變試驗結(jié)果

多重蠕變試驗重復(fù)加載次數(shù)為混合料永久變形達到50000με時對應(yīng)的加載次數(shù)，但SPT簡單性能試驗機最大重復(fù)加載次數(shù)為20000次，試驗過程會存在以下幾種情況：（1）混合料永久變形達到50000με時重復(fù)加載次數(shù)小于等于20000次，記錄變形達到50000με時所對應(yīng)的加載次數(shù)；（2）重復(fù)加載20000次時，混合料永久變形仍未到50000με，則記錄重復(fù)加載20000次時混合料的永久變形量[8]，試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

（1）六種結(jié)構(gòu)方案中，混合料永久變形達到50000με時試驗結(jié)束的，隨著溫度的升高，混合料重復(fù)加載的次數(shù)逐漸減小；對于混合料重復(fù)加載20000次，混合料永久變形低于50000με的，隨著溫度的升高，混合料的永久變形逐漸增大。這兩種情況說明，溫度對混合料結(jié)構(gòu)抵抗永久變形的能力影響甚大。

（2）六種結(jié)構(gòu)方案在3種不同溫度條件下，混合料永久變形的變化規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)出采用偶巖復(fù)合改性瀝青的方案六最優(yōu)，不進行任何改性的方案一最差，其他4種方案均介于方案六和方案一之間，表現(xiàn)為方案五（5%巖改瀝青）優(yōu)于方案三（SBS改性瀝青）優(yōu)于方案四（界面聯(lián)結(jié)劑）優(yōu)于方案二（0.3%硅烷偶聯(lián)劑），說明偶巖復(fù)合改性瀝青改善混合料抗永久變形的能力均優(yōu)于單一改性劑改性瀝青或改性劑加消石灰粉的方案。

3.2動態(tài)模量實驗結(jié)果

（1）方案一（70-A）雙層瀝青混合料動態(tài)模量試驗結(jié)果見表5。

（2）方案二（0.3%硅烷偶聯(lián)劑）瀝青混合料動態(tài)模量試驗結(jié)果見表6。

（3）方案三（SBS改性瀝青）瀝青混合料動態(tài)模量試驗結(jié)果見表7。

（4）方案四（界面聯(lián)結(jié)劑）瀝青混合料動態(tài)模量試驗結(jié)果見表8。

（5）方案五（5%巖改瀝青）瀝青混合料動態(tài)模量試驗結(jié)果見表9。

（6）方案六（偶巖復(fù)合改性瀝青）瀝青混合料動態(tài)模量試驗結(jié)果見表10。

（1）六種方案瀝青混合料的動態(tài)模量均隨加載頻率的增加和試驗溫度的降低而增大。

（2）各方案瀝青混合料在溫度相同情況下，動態(tài)模量隨著加載頻率的增加而增大，且增大的變化率逐漸減小，分析原因，是因為在應(yīng)力加載頻率增加過程中，瀝青混合料的黏性降低，彈性增強；在相同加載頻率情況下，動態(tài)模量隨試驗溫度的下降逐漸增大，且增大的速率逐漸變大，究其原因，混合料溫度下降時，瀝青的勁度模量增大，回彈能力增加，動態(tài)模量增大。

（3）6種方案瀝青混合料相位角隨試驗溫度的增加先增大后減小，隨試驗荷載加載頻率的減小也是先增大后減小，這與理論分析結(jié)果有所不同。據(jù)分析，當(dāng)溫度增加或荷載加載頻率減小時，混合料的彈性降低、黏性增加，相位角理應(yīng)表現(xiàn)為增大趨勢。經(jīng)過進一步分析，瀝青混合料的性能主要受瀝青和礦料級配的影響，當(dāng)溫度較高時，瀝青的黏性下降，對混合料性能的影響程度下降，礦料級配對混合料性能的影響程度上升，而礦料分屬于彈性材料，其相位角為零，所以混合料的相位角減小；當(dāng)溫度較低時，瀝青的黏性增加，瀝青對混合料性能的影響程度增加，礦料級配對混合料性能的影響比例相對下降，混合料的相位角增加。

（4）當(dāng)溫度為20℃時，6種方案瀝青混合料的動態(tài)模量均表現(xiàn)為隨荷載頻率的減小而減小，且變化的速率逐漸變大，較小的荷載頻率符合停車場或者慢速車道等工況下的情況，這就是這種工況下較易形成車轍等病害的原因[8]。當(dāng)試驗荷載頻率為5Hz時，6種方案混合料的動態(tài)模量均隨溫度的升高而減小，這是高溫季節(jié)路面更易形成車轍病害的原因。

4結(jié)論

本研究采用兩種級配瀝青混合料和6種不同抗剝落措施，通過制作復(fù)合結(jié)構(gòu)試件模擬路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，采用蠕變試驗和動態(tài)模量試驗研究了花崗巖瀝青混合料的力學(xué)性能，主要得出以下結(jié)論。

（1）從多重蠕變試驗結(jié)果可以看出，天然巖瀝青作為改性劑摻入基質(zhì)瀝青中可以有效改善瀝青混合料抵抗重復(fù)荷載變形的能力，達到提高混合料高溫性能的效果，尤其是高溫抗車轍的能力明顯得到改善。

（2）瀝青混合料的性能受瀝青性能和礦料嵌擠作用的雙重作用，在高溫或低頻情況下，瀝青的黏性影響降低，礦料骨架的影響升高，混合料相位角下降；在低溫或高頻情況下則相反，瀝青的黏性起主導(dǎo)作用，混合料相位角增大。

參考文獻

[1] 舒士琪.花崗巖與瀝青黏附性能改善及混合料路用性能研究[D].濟南：山東建筑大學(xué)，2022.

[2] 何亮生.瀝青混合料動態(tài)模量主曲線擬合方法比選與評價[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023，27（33）：125-128.

[3] 楊勝豐，顏可珍.瀝青混合料動態(tài)黏彈性分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)Zener模型Wicket方法[J].公路工程，2022，47（5）：126-131.

[4] BOZI，TAVASSOTI-KHEIRYP，SOLAIMANIANM.Theadvantagesofusingimpactresonancetestindynamicmodulusmastercurveconstructionthroughtheabbreviatedtestprotocol[J].MaterialsandStructures，2017（50）：176-188

[5] 陳輝，劉涵奇，羅蓉.利用動態(tài)模量主曲線研究瀝青混合料水穩(wěn)定性[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2017，41（3）：501-506.

[6] GULH，CHENLC，ZHANGWG.Mesostructuralmodelingofdynamicmodulusandphaseanglemastercurvesofrubbermodifiedasphaltmixture[J].Materials（Basel，Switzerland），2019，12（10）：1667-1687.

[7] 郭榮鑫，劉興姚，顏峰.鋼渣瀝青砂漿動態(tài)模量試驗及其主曲線研究[J].硅酸鹽通報，2019，38（1）：205-210.

[8] POZO-ANTONIOJ.S，OTEROJ，ALONSOP.Nanolime-andnanosilica-basedconsolidantsappliedonheatedgraniteandlimestone：Effectivenessanddurability[J].ConstructionandBuildingMaterials，2019，201：852-870.