时温等效原理的应用(玄武岩纤维沥青混合料高温性能研究)
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时温等效原理的应用(玄武岩纤维沥青混合料高温性能研究)
吴靖江 张聪 吴正光 景玉婷
中国建筑第七工程局有限公司 扬州大学建筑科学与工程学院
摘 要：通过车辙、单轴贯入、动态模量、动态蠕变试验，研究了Sup-13、Sup-20和Sup-25等3种级配在掺加玄武岩纤维和改变最大公称粒径前后，沥青混合料高温性能指标的变化，并将试验数据进行曲线拟合，系统分析了玄武岩纤维沥青混合料的高温性能。结果表明，4种试验方法中掺入玄武岩纤维后沥青混合料的动稳定度、贯入强度、动态模量、流变次数均有提高，增大最大公称粒径后除了贯入强度，其余3项指标也都有提高，且玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度与贯入强度和流变次数之间有着正相关的线性关系，为玄武岩纤维沥青混合料的高温性能研究构建系统模型提供了一定的理论基础。
关键词：沥青混合料;玄武岩纤维;最大公称粒径;高温性能;曲线拟合;
基金：国家自然科学基金资助项目，项目编号51908487;扬州市建设系统科技计划项目，项目编号201807;中建七局科技研发计划资助项目，项目编号CSCEC7b-2020-Z-20;
沥青路面在高温和重载车辆的作用下，车辙变形问题随之暴露，严重影响了出行的安全性和舒适度。玄武岩纤维是一种新型矿物纤维材料，具有高模量、高强度、高耐久性等优点[1],将玄武岩纤维加入沥青混合料中可以与沥青形成复合材料，增大黏度，限制矿料相对移动，提高其高温性能[2,3,4,5]。
陆鹏程[6]、Lou等[7\\]对Sup-13、Sup-20、Sup-25级配的混合料路用性能进行了系统的研究分析，根据试验结果，采用归一化方法确定了适合各配合比的最佳纤维长度，推荐单掺玄武岩纤维的长度分别为6 mm、9 mm、12 mm。顾倩俪等[8]、文月皎[9]、易勇等[10\\]采用常用的车辙试验、单轴贯入试验来评价沥青混合料的高温性能，利用动稳定度和贯入强度指标评价混合料抵抗变形的能力。杨盼盼[11]、吴少鹏等[12]结合动态模量、动态蠕变等试验，研究了沥青混合料的动态模量主曲线、劲度模量等参数，发现玄武岩纤维可以提升这些参数，改善沥青混合料的高温性能。何兆益等[13]对最大公称粒径不同的PAC-16、PAC-13、PAC-10和PAC-5混合料进行动态模量试验，发现动态模量随着最大公称粒径的增加有所增加。
本文通过路用性能、力学性能等4种高温性能的评价试验方法，选取上面层、中面层、下面层结构的Sup-13、Sup-20、Sup-25沥青混合料，对掺入玄武岩纤维和改变最大公称粒径前后的指标进行定量分析，进一步分析各指标之间的关系，并选取相关性较好的指标进行曲线拟合，为系统评价玄武岩纤维对沥青混合料高温性能的影响提供一定指导意见、发挥一定借鉴作用。
1 原材料
(1)沥青采用SBS改性沥青，其技术性质见表1。
表1 SBS改性沥青主要技术性质
检测项目 | 规范要求 | 试验结果 | 试验方法 |
| 60～80 | 68 | T0604 |
| ≥55 | 59 | T0606 |
| ≥30 | 45 | T0605 |
(2)玄武岩纤维采用短切玄武岩纤维，技术性质见表2。
表2 短切玄武岩纤维技术性质
项目 | 密度g⋅cm−3密度g⋅cm-3 | 断裂强度MPa断裂强度ΜΡa | 断裂伸长率%断裂伸长率% | 弹性模量GPa弹性模量GΡa |
| 2.60～2.80 | ≥1 200 | ≥2.1 | ≥7.5 |
| 2.71 | 2 653 | 2.68 | 109 |
(3)集料采用玄武岩和石灰岩，技术性质满足规范要求。
(4)矿粉采用石灰岩矿粉，其技术性质满足规范要求。
2 试验方案设计
2.1混合料类型
本文选取3种级配沥青混合料，通过掺加纤维和改变最大公称粒径获取6种组合方式。试验方案见表3。
表3 试验方案
编号 | 级配类型 | 纤维类型 | 纤维长度mm纤维长度mm | 掺量%掺量% |
| Superpave-13 | / | / | / |
|
| 6 | 0.3 | |
| Superpave-20 | / | / | / |
|
| 9 | 0.3 | |
| Superpave-25 | / | / | / |
|
| 12 | 0.4 |
2.2配合比设计
对3种级配进行配合比设计，设计级配曲线见图1,马歇尔试验结果见表4。
图1 不同沥青混合料的设计级配曲线
2.3试验方法
(1)车辙试验。
在0.7 MPa、0.78 MPa、0.87 MPa等3种轴载条件下，用车辙试验机对6种在60℃空气浴中养护4 h以上的沥青混合料试件进行车辙试验。
表4 马歇尔试验结果
编号 | 最佳油石比%最佳油石比% | 稳定度kN稳定度kΝ | 流值0.1mm流值0.1mm | 空隙率VV%空隙率VV% | 沥青饱和度VFA%沥青饱和度VFA% | 矿料间隙率VMA%矿料间隙率VΜA% |
| 4.6 | 10.24 | 39.6 | 5.2 | 67.59 | 14.83 |
| 4.8 | 11.75 | 34.5 | 5.1 | 68.37 | 14.91 |
| 4.2 | 11.16 | 33.2 | 5.1 | 67.48 | 14.34 |
| 4.4 | 12.14 | 30.5 | 4.8 | 69.92 | 14.73 |
| 4.1 | 11.43 | 45.8 | 5.4 | 65.75 | 14.78 |
| 4.3 | 12.64 | 37.7 | 5.1 | 67.62 | 14.97 |
(2)单轴贯入试验。
在60℃的试验温度下，采用UTM-25伺服多功能材料试验机对试件施以1 mm/min的加载频率进行单轴贯入试验。
(3)动态模量试验。
同样采用UTM-25仪器，选取-10℃、5℃、20℃、35℃、50℃等5种试验温度和0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz等6种试验加载频率进行动态模量试验。
(4)动态蠕变试验。
在60℃温度下，选取0.7 MPa、0.78 MPa、0.87 MPa等3种轴载以及半正弦波来模拟实际车辆荷载行驶情况，采用UTM-25仪器进行动态蠕变试验。
3 试验结果分析
3.1车辙试验结果分析
试验结果如图2所示。从图2中可以看出，在3种轴载、3个级配条件下，对比掺加玄武岩纤维前后沥青混合料动稳定度的变化，反映的趋势是掺加后的动稳定度均有不同程度的增大，最小增幅有14.6%,最大增幅有28.4%;且最大公称粒径对动稳定度的影响呈现了很好的规律性，粒径越大动稳定度越大，掺加玄武岩纤维后的规律依旧如此。究其原因，玄武岩纤维与集料拌和成型后随机分布在沥青混合料中起到加筋作用，可减少内部集料的相对滑移；最大公称粒径的增大能够提高粗集料所占比例，大粒径集料之间相互嵌入咬合，形成嵌锁结构限制其产生塑性变形，使得沥青混合料有更好的高温抗变形的能力。
图2 动稳定度试验结果
3.2单轴贯入试验结果分析
如图3所示，3种级配的玄武岩纤维沥青混合料比普通沥青混合料的贯入强度都有不同程度的提高，其中Sup-13级配提高了16.4%,Sup-20级配提高了12.2%,Sup-25级配提高了12.4%;不同最大公称粒径对于沥青混合料的贯入强度影响不大。分析原因，玄武岩纤维提高了沥青与集料间的黏聚力，阻碍了集料发生横向位移；最大公称粒径的影响相对于车辙试验，荷载面积由条状变为圆点，荷载变得更为集中，粒径变大的优势也不复存在，反而有略微的下降。
图3 沥青混合料贯入强度试验结果
3.3动态模量试验结果分析
根据时温等效原理，对不同温度下的动态模量曲线进行平移，得到在参考温度下的光滑曲线称为主曲线。Witczak[14]用S形函数表示动态模量主曲线，以20℃作为参考温度，加载频率作为变量，得到3种级配掺加玄武岩纤维前后的沥青混合料动态模量～当量频率主曲线图。以Sup-13为例，如图4所示，动态模量与温度呈反比关系，在35℃左右动态模量主曲线图出现交叉点；在温度较高时玄武岩纤维沥青混合料动态模量较大，在温度较低时普通沥青混合料动态模量较大。
图4 Superpave-13沥青混合料动态模量主曲线
本文研究的是玄武岩纤维沥青混合料高温性能，因此选择50℃条件下的动态模量数据进行分析。在5、10、25 Hz时，掺加玄武岩纤维后沥青混合料的动态模量提高了5%左右，如图5所示。动态模量随着最大公称粒径的增加略有增大，在掺加玄武岩纤维和普通沥青混合料中呈现的规律是一致的。
图5 50℃下6种沥青混合料动态模量随频率变化关系
3.4动态蠕变试验结果分析
由图6可得，随着荷载的增加沥青混合料的流变次数Fn减小，沥青混合料在掺加玄武岩纤维和增大最大公称粒径后流变次数有所提高。以轴载0.7 MPa条件下的沥青混合料为例，3种级配的玄武岩纤维沥青混合料流变次数分别提高了17.3%、29.7%、18.9%。这表明掺加玄武岩纤维后的沥青混合料有着较小的永久变形敏感度，改善了沥青混合料的抗永久变形能力。
图6 流变次数试验结果
3.5沥青混合料高温性能评价指标关系的建立
根据3.1～3.4节中所述的4种试验结果，分别选取动稳定度DS、贯入强度、动态模量、流变次数这4个评价指标，用于评价玄武岩纤维沥青混合料的高温性能。选取指标对比情况见表5。
表5 不同级配沥青混合料的4种试验方法高温评价指标对比
类型 | 动稳定度DS次/mm动稳定度DS次/mm | 贯入强度MPa贯入强度ΜΡa | 动态模量MPa动态模量ΜΡa | 流变次数次流变次数次 | |
| 60℃, | 60℃ | 50℃, | 60℃, | |
|
| A1>A0 | |||
| B1>B0 | ||||
| C1>C0 | ||||
由表5可知，掺入玄武岩纤维后的沥青混合料高温性能指标均有提高，选取的4个指标在选定的试验条件下得到的结果基本一致，说明这4个试验方法均可有效评价玄武岩纤维沥青混合料的高温性能。此外，如图7、图8所示，本文将不同级配沥青混合料的贯入强度、流变次数与动稳定度之间的关系进行拟合，拟合曲线表达式见表6。
图7 贯入强度～动稳定度拟合曲线
图8 流变次数～动稳定度拟合曲线
表6 贯入强度、流变次数与动稳定度之间的拟合曲线
关系类型 | 相关表达式 | 相关系数R2 |
| y=0.217x-135.886 | 0.966 5 |
| y=0.882x-2 376.192 | 0.857 4 |
由表6可得，沥青混合料贯入强度～动稳定度、流变次数～动稳定度之间呈线性关系，有着较好的相关性，可以更加直观系统地评价沥青混合料的高温性能。但是，相关表达式的适用性需要更多的数据验证。
4 结语
(1)玄武岩纤维对于沥青混合料高温性能在各个试验中都有一定的提升效果，最大公称粒径的增大对于普通和玄武岩纤维沥青混合料高温性能也都几乎存在改善效果，除了在单轴贯入试验中。
(2)在动态模量试验中，掺加玄武岩纤维后动态模量在高温、高频条件下有更为明显的提升。其温度分界点为35℃,频率分界点为5 Hz。动态模量有不同程度的增大，表明玄武岩纤维沥青混合料对于温度、荷载频率有一定的敏感性。
(3)通过4种试验方法研究3种级配在不同条件下的高温性能变化情况，并对试验数据进行曲线拟合，发现沥青混合料的贯入强度、动态蠕变试验的流变次数与车辙试验动稳定度呈现较好的线性关系。
参考文献
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[12] 吴少鹏，叶群山，刘至飞.矿物纤维改善沥青混合料高温稳定性研究[J].公路交通科技，2008,(11):20-23.
[13] 何兆益，李金凤，周文，等.多孔沥青混合料的动态模量及其预估模型[J/OL].吉林大学学报：工学版，1-12[2021-11-08].https://doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb20210062.
[14] Witczak M W.Specification criteria for simple performance tests for ruting [R].Washington,DC:Transportation Research Board,2007.
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