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沥青混凝土与改性沥青粘合剂的动态力学特性

S. Anjan kumar lowast;, A. Veeraragavan

印度理工学院马德拉斯土木工程系，钦奈600036，印度

摘要：这项工作的主要目的是表征和比较沥青混凝土混合料与苯乙烯丁二烯苯乙烯（SBS）聚合物和碎屑橡胶改性沥青粘合剂的动态力学性能与未改性粘度级沥青粘合剂的混合行为。沥青粘合剂的特征在于其物理和流变性质。简单的性能测试，如在不同的温度和时间下进行动态模量，动态和静态蠕变测试能体现上述特征。使用数值优化技术构造的动态模量主曲线可用于解释改性和未改性沥青粘合剂混合物的时间和温度依赖性。通过回归分析估计的蠕变参数可描述沥青混凝土混合料的永久变形特性。从动态力学特征研究中可以看出，与沥青混合料和未改性沥青粘合剂相比，沥青混凝土与SBS聚合物改性沥青粘合剂混合物的动态模量值与较高温度下的变形率有明显差异。 从能量耗散的概念出发，发现SBS聚合物改性在较高温度下显着降低了能量损失。使用广义衬垫模型进行的多因素分析表明，温度，频率和沥青结合料类型对沥青混凝土混合料的机械响应有重要影响。SBS聚合物改性沥青粘合剂的机械响应与沥青混凝土混合料的车辙阻力显着相关。

关键词：改性沥青 动态模量 爬行 能耗 车辙

介绍

沥青路面的性能取决于所用材料的性能，设计准确性和施工质量。 材料表征是在设计寿命期间在路面设计和性能中发挥重要作用的最重要的任务。 沥青混凝土混合物是一种由矿物填料和沥青粘合剂复合而成的混合物聚集体。 由于沥青混凝土混合料的基本性能的各种成分的表征，因此混合料的设计至关重要，因为它决定了沥青路面在设计寿命期间的性能。混合物的机械性能测试不包含在

Superpave混合设计方法中。 在NCHRP 9-29 [26]中已经开发并提出了协议，以表征沥青混凝土混合料的机械性能，从而可以使用简单的性能测试仪来评估对车辙和断裂的抵抗性和性能。

2.准备工作评估

沥青混凝土混合料根据试验的时间和温度，显示粘弹性固体与流体相似的行为。在评估沥青混凝土混合料的基本性能时，应考虑沥青混凝土混合料的时间 - 温度依赖特性。 在正弦载荷下确定的动态模量可用于表征沥青混凝土混合料在不同时间和温度下的机械响应。对于弹塑性材料如沥青混合物，可以使用时间 - 温度叠加原理在参考温度下开发主曲线，以解释在线性粘弹性范围内的温度和载荷时间的变化。应力依赖动态模量预测方程是用k- 非线性弹性模型[34]，并考虑了体积和剪切应力对动态模量值的影响。 2003年，Christensen等 [10]使用基于混合定律的Hirsch模型，使用粘合剂模量和混合物组成来预测沥青混凝土混合料的动态模量。研究[24,31,35]已经表明，动态混合沥青混凝土混合物显着依赖于试样几何，标称骨料尺寸，加载时间和试验温度。据报道，通过使用较低粘合剂含量和较低（3％）空气空隙水平的刚性沥青粘合剂，可以增加动态模量值[38]。 然而，发现沥青混凝土混合料的测量和预测动态模量的变化随着温度的升高而增加。 此外，已经报道了实验室和现场测量的动态模量值的显着差异[9]。 调查[39]也表明，与温度和频率相比，气隙对动态模量的影响不显着。 使用高沸点石油和SBS聚合物改性沥青，与传统的沥青混凝土混合物相比，增加了沥青混凝土混合料的动态模量和抗疲劳性[18]。研究[24]表明，简单的性能测试参数，如流量数和时间，有助于基于交通水平对沥青混凝土混合物进行区分。 流动次数（动态蠕变）估计高度依赖于收集的数据的重复性，可能会导致误导[20,33]。 使用由蠕变刚度确定的故障点可以减少由于流数确定中的低数据点导致的误差[20]。 使用假设应变既不保持恒定也不增加的逐步方法在二次流期间估计的变形率也可以给出流量的良好估计[33]。

车辙可能被认为是沥青路面中最重要的一种病害。混合使用简单性能试验的沥青混凝土混合料的设计和试验可以很好地建立混合反应和车辙之间的相关性[26]。 重复载荷下沥青混凝土混合料的力学性能可以分为初级，二级和三级三个阶段。 这三个阶段之间的过渡可以分配为车辙指示器[12]。 还表明，与常规和其他改性沥青粘合剂相比，具有线性接枝的SBS聚合物改性沥青粘合剂提高了抗车辙性能[15]。 通过使用SBS聚合物改性沥青粘合剂可以改善沥青混凝土混合料的机械性能和温度敏感性[2]。

发现改性沥青中聚合物的连续相是改性沥青混凝土混合料车辙和疲劳性能改善的推论[13]。沥青粘合剂中韧性和韧性的改善以及网络的形成取决于用于改性的聚合物的类型和用量，这导致复合模量的增加[22,23]。发现橡胶改性增加了沥青混合料的高温性能，但使材料在低温下脆化，这些现象可能是由于油馏分的吞咽和橡胶中存在的炭黑[1]。发现聚合物改性在提高高温下的耐车辙性和中等温度下的耐疲劳性方面是有效的。这种行为主要是由于与富含聚合物相和分子排列的发展相关的微观结构变化[14,16,21,25]。发现剪切过程中聚合物改性沥青结合料的扰动结构随时间改变，赋予了自愈能力[7]。基本上在聚合物改性中，共混组成，剪切速率，温度和时间的优化产生了改性沥青粘合剂的最佳流变性能[8]。

上述研究表明，简单的性能测试评估了沥青混凝土混合料对车辙和断裂的抵抗力。沥青混合料的改性增强了沥青混凝土混合料的永久变形性。表征和理解多组分材料如沥青粘合剂的机械响应是一项艰巨的任务。具有不同类型添加剂如聚合物，碎屑橡胶等的沥青粘合剂的改性增加了这一任务的复杂性。在不同的温度和时间下，对不同的改性沥青粘合剂的混合物进行了有限的研究。改性沥青粘合剂和沥青混凝土混合料的机械性能之间的关系还不完全清楚。改性旨在提高沥青粘合剂的温度敏感性。因此在本研究中，对沥青混凝土搅拌混凝土机械响应的时间，温度和沥青粘合剂类型的综合影响进行了评估，为改善沥青混合料的使用寿命提供了可行性。对基本性能和机械特性的研究将促进沥青混凝土混合料与不同改性沥青粘合剂的性能比较，并与沥青混合料与未改性沥青混合料进行比较。

图1：沥青混凝土的总体等级

研究目的

研究的目的是：

（1）比较改性沥青结合料与未改性沥青粘合剂的物理和流变性能。

（2）评估沥青混凝土混合料与改性沥青粘合剂在不同温度和时间下的动态力学响应。

（3）在静态和动态载荷条件下，研究沥青混凝土混合料与改性和未改性沥青结合料的蠕变特性。

（4）使用干轮跟踪器来表征沥青混凝土混合料与改性和未改性沥青结合料的抗车辙性能。

4.实验调查

4.1 使用材料

本研究使用SBS聚合物和碎屑橡胶改性沥青粘合剂和未改性粘度级（VG-30）沥青粘合剂。 采用印度规范[27]推荐的沥青混凝土混合料（图1），二级（沥青混凝土）的骨料级配。

4.2 简单的性能测试

4.2.1动态模量（NCHRP 9-19 [26]）

根据AASHTO TP62 [4]，使用简单的性能测试仪来测试沥青混凝土混合料的动态模量。 沥青混凝土与改性和未改性沥青粘合剂混合物经受正弦（半径）压缩载荷，频率从25变化到0.01Hz，温度为20〜60℃。 在线性粘弹性范围内的无约束条件下测试样品，其中菌株在75和125微克之间[26]。 测量来自三个样本安装位移传感器的施加的应力和所产生的轴向应变作为时间的函数。从收集的数据中，计算动态模量和相位角如下：

(1)

这里为压力

，（储能模量） (2)

，（损耗模量） (3)

为应变，为相位

动态模量的复数模量的大小由下式给出：

(4)

把（2）和（3）代入（4）可得到

4.2.2动态蠕变

对沥青混凝土混合物进行试验，以评估符合NCHRP 9-19的重复载荷/动态蠕变下的永久变形特性[26]。 沥青混凝土与改性和未改性的沥青粘合剂混合物经受重复的半横向轴向压缩载荷。 保持0.9s停留0.1s的加载时间保持恒定，并施加1000个循环。 施加200kPa的轴向应力和5kPa的接触应力。 在20〜60℃的不同温度下对沥青混凝土混合物进行了测试。 样品在无约束条件下进行测试。 测量所得到的永久轴向应变作为施加的加载循环次数的函数。

4.2.3 静态蠕变

沥青混凝土与改性和未改性沥青粘合剂混合物经受静态轴向压缩载荷，也称为静态蠕变。 轴向偏应力为200 kPa，接触应力为5 kPa。 在20〜60℃的不同温度下对沥青混凝土混合物进行了试验。 所有样品在无约束条件下进行测试。 测量所得永久轴向应变作为功能时间。 选择这些载荷条件，以评估不同沥青混凝土混合物的相对性能，由于高偏差应力而在高温下不会过度流动。

4.2.4车轮追踪器

沥青混凝土混合料的抗车辙性能采用干轮跟踪器进行评估。 700N的移动载荷通过直径为200mm，直径为50mm的圆柱形试样的直径为50mm的橡胶滚轮施加。速度保持在每分钟53次。根据欧洲标准12697-22（E）[11]，选择设备能力的最大负载和最小速度来相对评价沥青混凝土混合料的性能。试图在缓慢的车辆运动条件下解决沥青改性目的的改进的好处。将沥青混凝土与改性和未改性的沥青粘合剂混合物在环境室中实际开始试验前进行调理6小时。所有样品在40和60°C的温度下进行10000次通过或者达到10 mm的车辙深（以较早者为准）进行测试。从15个局部轮廓测量点，使用以下关系计算比例车辙深度：

(6)

其中是测量的比例车辙深度，是局部变形，是第j个位置处的初始测量值，h是样本厚度。

4.3 约束变量

所有样品均采用具有5.25％不变沥青粘结剂含量的单组分灰分的回转压实机制备。 压实作用保持恒定，使沥青混凝土混合料与改性和未改性沥青粘结剂的体积性质相当。 在沥青混凝土与未改性的沥青粘合剂混合的情况下，该粘合剂含量保持恒定。 根据ASTM D 6925-09 [5]，对所有测试的机械性能和性能特征进行短期老化。

5.结果和讨论

5.1沥青粘合剂表征

本研究中特征的改性和未改性的沥青结合料符合印度规范[6,19]的要求。沥青粘合剂的性能分级按照AASHTO [3]进行。与未改性沥青粘合剂相比，改性沥青粘合剂的G * / sinıge;2.2kPa的温度被发现更高，如表1所示。

没有观察到在SBS聚合物改性和橡胶改性沥青粘合剂之间引起车辙的最高临界温度的显着差异。 SBS聚合物改性沥青粘合剂具有最低的相位角。这解释了由于弹性（较低的相位角），SBS聚合物改性沥青粘合剂导致增强的抗车辙性能。与SBS聚合物改性沥青粘合剂相比，未改性沥青粘合剂消耗的能量17％。与未改性沥青粘合剂相比，SBS聚合物改性的低温敏感性降低了37.5％。这表明只有SBS聚合物改性可以提高高温车辙阻力和低温耐热龟裂性。

5.2动态模量主曲线

时间和温度对粘弹性材料行为的影响可以通过使用时间 - 温度叠加原理拟合主曲线来描述。时间温度原理背后的假设是粘弹性材料在高温和高应变速率下的机械响应与低温和低应变率相似[37]。粘弹性材料的温度依赖性可以通过每个温度下所需的移动量来考虑[30]。图2显示了具有改性和未改性沥青粘合剂的沥青混凝土混合料的动态模量主曲线。

表1：改性和未改性沥青粘合剂的物理性能

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