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沥青路面材料的线性流变特性

Gordon D. Airey¹; Behzad Rahimzadeh²; and Andrew C. Collop³

摘要: 利用动态剪切流变仪和特制的动态直接拉压伺服液压试验装置，研究了各种未改性沥青粘合剂和改性沥青粘合剂以及含有这些粘合剂的沥青混合料的线性极限。 连续级配沥青混合料和间隙级配沥青混合料均与细砂/填充砂浆（胶泥）一起进行了试验。这些混合物的圆柱形试样分别在10至40°C温度下承受正弦载荷，首先进行应力扫描条件下，然后进行频率扫描条件下。 结果表明，在高复模量下，粘结剂和沥青混合料均存在粘结剂和体积应变线性判据，弹性改性粘结剂存在高温粘结剂应变线性判据。沥青混合料线性体应变判据为100微应变，粘结剂应变判据为1万微应变时，粘结剂应变至少是100倍，聚合物网络粘结剂应变判据为100万微应变。一般来说，沥青混合料的线性粘弹性流变特性是相似的，而复合模量和相角的差异只在中等温度和频率下出现，这是由于粘结剂的流变特性造成的。然而，骨料骨架的额外加劲作用确实增加了沥青混合料相对于粘结剂的弹性响应，特别是在高温和低频条件下。

DOI:10.1061/(ASCE)0899-1561(2004)16:3(212)

CE数据库主题标题:沥青；流变性能；粘合剂、材料；沥青路面；沥青混合料；粘弹性

1.简介

为了预测材料的工程性能，有必要了解材料的应力-应变特性。这通常是通过控制应力或应变条件下的实验室测试来完成的。沥青材料对加载的响应取决于加载速率和温度。早在20世纪50年代，Van der Poel(1954)就提出了沥青和沥青混合料刚度作为温度和加载时间(频率)的函数的概念。一般情况下，沥青材料的非线性应力/应变特性只在小应变时才表现为可忽略。

由于复模量、相位角、储能模量和损耗模量的粘弹性参数都是在线性粘弹性（LVE）条件下定义的，因此在LVE响应区域内进行流变测量至关重要。在LVE区域内，应力和应变之间的关系仅受温度和加载时间（频率）的影响，而不受应力或应变的大小的影响（Ferry 1980）。

此外，表征和分析方法，如利用时间-温度叠加原理(TTSP)生成主曲线，依赖于流变粘弹性数据的线性(Bahia et al. 1998)。

本文研究了一系列未老化和短期老化的沥青结合料以及掺入这些结合料的沥青混合料的LVE限值。为了测量粘合剂的LVE限值，使用动态剪切流变仪（DSR）进行了应力/应变扫描试验(Airey et al. 2002a)。在选定的温度和频率下进行应力扫描，并将应力和应变线性极限确定为初始复合模G^*值下降的特定百分比(Anderson et al. 1994; Airey et al. 2002a)。采用特制的动态单轴拉压伺服液压测试装置(Airey et al. 2002b)研究了沥青混合料的应力和应变行为。采用应力扫描法测定了不同温度和频率下沥青混合料的线性极限。与粘合剂类似，应力和应变线性极限被确定为初始复合模量G^*值下降的特定百分比(Anderson et al. 1994;Airey et al. 2002b)。在此基础上，利用DSR和单轴仪进行了线性范围内的应变级流变试验，比较了粘结剂和沥青混合料的线性流变特性。

¹Senior Lecturer, Nottingham Centre for Pavement Engineering, Univ. of Nottingham, University Park,Nottingham, NG7 2RD, UK. E-mail: gordon.airey@nottingham.ac.uk

²Researcher, Nottingham Centre for Pavement Engineering, Univ. of

Nottingham, University Park, Nottingham, NG7 2RD, UK.

³Reader, Nottingham Centre for Pavement Engineering, Univ. of Nottingham, University Park, Nottingham, NG7 2RD, UK.

Note.Associate Editor: Eyad Masad. Discussion open until November 1, 2004. Separate discussions must be submitted for individual papers. To extend the closing date by one month, a written request must be filed with the ASCE Managing Editor. The manuscript for this paper was submitted for review and possible publication on November 4, 2002; approved on May 20, 2003. This paper is part of the Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 16, No. 3, June 1, 2004. copy;ASCE, ISSN 0899-1561/ 2004/3-212–220/$18.00.

2.背景

沥青路面材料的线性极限已经被许多研究者研究过。张和Cebon (1997a,b)发现纯沥青的稳态行为在低应力水平下表现出线性粘滞行为，在高应力水平下表现出幂律蠕变行为。在DSR测量方面，战略高速公路研究项目(SHRP)的研究发现，SHRP核心沥青的剪切应力和应变极限是复模量G*的函数，定义如下式所示(Anderson et al. 1994; Petersen et al. 1994):

(1)

(2)

式中tau;=剪应力（在主轴圆周处计算）；gamma;=剪应变（在主轴圆周处计算）；G^*=复合剪切模量

对于沥青混合料，Pell（1962）表明，非线性行为取决于体积应变振幅，特别是在动态扭转刚度试验的高温条件下。Sayegh（1967）发现，在20微应变以上测试的试样具有明显的非线性行为。他还发现非线性在更高的温度下会更加明显。随后，他得出结论，对于小于40微应变的体积应变，沥青混合料是线性的。Gardner和Skok（1967）利用纯压缩重复加载试验，结果表明他们研究的材料在100微应变以下的小应力和体应变下可以被认为是LVE。Pell和Taylor（1969）对沥青混合料进行了一系列悬臂弯曲试验，发现复合模量E^*随温度的升高而显著的应力依赖性。Taylor（1968）利用旋转弯曲疲劳试验机进行了一系列的试验，以测量动态荷载下沥青混合料的刚度。他说，在一些沥青混合料中检测到非线性效应，其标称体积应变水平在50到200微应变之间，这表明线性行为将在略低于这些值的应变值时发生。所有这些研究都证实了沥青混合料的非线性行为和应变相关LVE准则的存在。然而，研究主要局限于渗透级沥青，不包括聚合物改性沥青（PMBs）对不同沥青混合料LVE限值的影响。

因此，本文研究调查了一系列专用PMB和多级沥青的线性极限，以及一系列含有这些粘合剂的沥青混合料的线性极限。这是为了确定改性、混合料级配和粘合剂含量对LVE线性极限和流变特性的影响。

3.材料

以下五种粘合剂，包括未改性、聚合物改性和工艺改性沥青，已纳入线性测试程序：

表1 常规粘合剂性能

注：SBS=丁苯苯乙烯 PMB=聚合物改性沥青 EVA=乙烯醋酸乙烯酯

图1 10mm厚沥青碎石集料级配

• 常规50渗透级沥青,
• 中间聚合物含量径向苯乙烯-丁二烯-苯乙烯

(SBS) PMB,

• 高聚物含量线性 SBS PMB,
• 中间聚合物含量乙烯-醋酸乙烯酯 (EVA)

PMB

• 加工改性多级沥青 (35/50).

所有的PMB都是用Silverson高剪切实验室轧机生产的。每种混合物的基层渗透性根据PMB中聚合物的数量而变化，聚合物含量越高，基层沥青越软。剪切温度在170°C到185°C之间，这取决于PMB的粘度，每个温度都被剪切，直到达到稳定状态。五种粘合剂的渗透性[英国标准协会（BSI）1983a]和软化点（BSI 1983b）的规范参数见表1。

由于路面工程师主要关注沥青混合料中沥青的性能特性，因此在DSR试验之前，五种粘合剂都经过了标准的短期滚动薄膜烘箱（RTFO）老化试验（ASTM 1995）。

选取两种沥青混合料进行线性特性表征;10毫米密集沥青碎石路(DBM)面层(BSI 1993)(见图1)和一个30/10热轧沥青(HRA) 1985 (BSI)(见图2)。这些材料被选中代表两个泛型类型的沥青混合物用于英国道路建设和允许连续级配与间断级配组成的比较。为这两种混合物选择的集料类型是碾碎的石灰石。DBM和HRA的沥青含量分别为混合料的5.5%和7%，两种混合物均压实至4%的空隙率。除了这两种沥青混合料外，还对与沥青混合料相比具有更高结合料体积含量的HRA砂浆进行了试验。三种混合物的体积组成见表2。

为了研究不同沥青类型对沥青混合料性能的影响，采用不同的未改性沥青和改性沥青制备了沥青混合料。在本研究中，总共制造并测试了五种DBM、两种HRA和两种HRA砂浆混合物。表2显示了根据混合料和沥青类型分类的不同混合料。

图2 热轧沥青30/10集料级配

表2 DBM、HRA和砂浆混合物的体积组成

注：DBM=密沥青碎石 HRA=热轧沥青

4.测试方法

4.1沥青粘合剂

采用波林模型DSR50进行动态力学分析线性度研究。测试程序和样品制备方法的细节已在其他地方详细描述(Airey等，2002a,c)。不同粘结剂的线性行为范围是通过在选定的温度和频率下进行应力扫描(应变扫描)来确定的，即:

• 温度-10、20、30和40℃（8 mm主轴几何形状）、60和70°C（25mm几何形状）,
• 频率-0.1、1、5和10赫兹,
• 每个温度/频率组合下的应力扫描（最小扭矩值到最大扭矩值或复合模量减少30%，G^*）

LVE极限被定义为在SHRP研究中，复模量G*下降到初始值的95%的点(Anderson et al. 1994)。所有的应力扫描都在不同的样本上进行了复制

一旦确定了五种粘合剂的线性限值，

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