高模量瀝青混合料模量的試驗研究

汪于凱， 李立寒， 孫艷娜

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

隨著我國公路交通運輸量的快速增長，特別是重載車輛的增加以及高壓輪胎的使用，瀝青路面過早出現(xiàn)了車轍病害，路面結(jié)構(gòu)的損壞也逐漸加劇.瀝青混合料的模量作為瀝青路面結(jié)構(gòu)計算的重要參數(shù)，一方面可以反映路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力—應(yīng)變特性，另一方面又可以反映混合料的路用性能.學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，提高瀝青混合料的模量能夠減少相同車輛荷載作用下瀝青路面產(chǎn)生的變形.增強混合料的抗高溫能力，延長混合料的疲勞壽命，是解決重交通環(huán)境以及高溫條件下瀝青路面車轍病害的有效途徑［1－2］.

高模量瀝青混合料在國內(nèi)的應(yīng)用尚處于初步階段，其模量參數(shù)一直是學(xué)者們關(guān)注的重點，包括靜態(tài)模量和動態(tài)模量.靜態(tài)模量是我國現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2006）規(guī)定的模量評價指標，而國內(nèi)外研究成果提出要用動態(tài)參數(shù)來取代靜態(tài)參數(shù)，因為動態(tài)模量相比于靜態(tài)模量能夠較好地模擬車輛荷載作用下路面的實際受力狀況［3－5］.因此，同時進行高模量瀝青混合料靜態(tài)模量與動態(tài)模量的研究有其現(xiàn)實意義和研究價值.國內(nèi)學(xué)者還對瀝青混合料動態(tài)模量的預(yù)估［6］以及動靜模量之間的對應(yīng)關(guān)系展開了一定的研究［7－8］，但仍缺乏針對高模量瀝青混合料模量參數(shù)選取和預(yù)估方面的研究.基于以上問題，本文采用MTS 810材料試驗機測試高模量瀝青混合料的模量，分析了動態(tài)模量分布特征及其影響因素和高模量瀝青混合料與其它類型混合料動態(tài)模量的分布特征差異，還分析了瀝青混合料動態(tài)模量與靜態(tài)模量的相關(guān)關(guān)系，為高模量瀝青混合料模量參數(shù)的選取以及高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計提供依據(jù).

1 試驗材料與試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

本試驗研究采用3種高模量瀝青混合料，分別為：烯烴類、天然瀝青類和硬質(zhì)瀝青類高模量瀝青混合料.前兩種是在A－70瀝青中摻加高模量改性劑制得，改性劑摻量為集料質(zhì)量的0.6%；硬質(zhì)瀝青類高模量瀝青混合料采用成品硬質(zhì)瀝青（15／25）制得.另采用SBS改性瀝青混合料和A－70瀝青混合料作為對比材料.

瀝青混合料類型為AC－13，試驗混合料的合成級配組成見表1.集料為玄武巖，礦粉為石灰?guī)r.采用Superpave設(shè)計方法［9］進行試驗瀝青混合料的目標配合比設(shè)計，得到3種高模量瀝青混合料的最佳瀝青用量為5.0%；對比的A－70瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.8%.試驗混合料的基本信息匯總于表2.

表1 試驗瀝青混合料的級配組成Tab.1 Gradation composition of asphalt mixture

表2 試驗瀝青混合料基本信息匯總Tab.2 Basic information summary of asphalt mixture

1.2 試驗設(shè)計

動態(tài)模量的測試參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E—20—2011）中的T0738—2011進行.首先按目標配合比拌制瀝青混合料，在成型溫度下老化2h后，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型ф150mm×170mm的圓柱體試件；試件靜置養(yǎng)生完全后，鉆芯取樣ф100mm×170mm的圓柱體試件；之后采用切割機切除所取芯樣兩端，保證試件高度為150mm±2.5mm.試驗溫度為5，15，20，40℃，測試頻率為0.1，0.5，1，5，10，25Hz.

靜態(tài)模量的測試參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E—20—2011）中的T0713—2000進行.按目標配合比拌制瀝青混合料，在成型溫度下老化2h后，采用靜壓方法成型ф100mm× 100mm的圓柱體試件.測試時加載速率為2mm／min，測試溫度為15℃和20℃.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 動態(tài)模量

采用MTS 810材料試驗機，對3種高模量瀝青混合料及2種對比瀝青混合料的動態(tài)模量進行測試，分析頻率和溫度對混合料動態(tài)模量的影響.

2.1.1 頻率對高模量瀝青混合料動態(tài)模量的影響

加載頻率對5種瀝青混合料動態(tài)模量的影響如圖1所示，Ed為混合料動態(tài)模量，f為加載頻率.分析圖1可知，在相同溫度條件下，加載頻率對3種高模量瀝青混合料及兩種對比瀝青混合料動態(tài)模量的影響有著相同規(guī)律，即隨著頻率的增大，瀝青混合料動態(tài)模量增大.

由圖1還可以得出，相同溫度和頻率條件下，高模量瀝青混合料的動態(tài)模量明顯大于對比瀝青混合料的動態(tài)模量，這表明高模量改性劑的加入可顯著提高混合料的動態(tài)模量；且3種高模量瀝青混合料中，硬質(zhì)瀝青類的動態(tài)模量大于烯烴類和天然瀝青類.分析圖1（d）可知，0.1Hz時硬質(zhì)瀝青類和天然瀝青類的動態(tài)模量相近，而25Hz時硬質(zhì)瀝青類的動態(tài)模量卻明顯大于天然瀝青類；0.1Hz時烯烴類的動態(tài)模量明顯小于天然瀝青類，而25Hz時烯烴類的動態(tài)模量卻與天然瀝青類相近.由此可見，40℃時硬質(zhì)瀝青類和烯烴類混合料動態(tài)模量對頻率的敏感性要大于天然瀝青類.

圖1 各溫度條件下頻率對動態(tài)模量的影響Fig.1 Frequency effect on dynamic modulus under different temperatures

以15℃混合料動態(tài)模量數(shù)據(jù)為例，分析各頻率條件下高模量瀝青混合料相對于對比瀝青混合料模量增大倍數(shù)，分析結(jié)果見表3.由表3可知，25Hz時高模量瀝青混合料的模量是A－70瀝青混合料的1.3～1.5倍，是SBS瀝青混合料的1.4～1.6倍；0.1Hz時高模量瀝青混合料的模量是A－70瀝青混合料的1.8～2.4倍，是SBS瀝青混合料的2.1～2.8倍.隨著頻率的降低，高模量瀝青混合料的模量增大倍數(shù)增大.其它溫度下，頻率對混合料模量增大倍數(shù)影響與15℃時相似.

2.1.2 溫度對高模量瀝青混合料動態(tài)模量的影響

“4G全網(wǎng)建設(shè)技術(shù)”大賽是對參賽選手的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備部署調(diào)試、業(yè)務(wù)對接測試和故障處理等方面進行考查[2]。這就要求參賽選手充分掌握承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)的理論知識，對硬件部分的互連和對軟件數(shù)據(jù)的配置要合理安排，最終實現(xiàn)LTE系統(tǒng)正常運行。移動通信職業(yè)技能大賽考核項目的全面性就要求職業(yè)院校給學(xué)生提供具有模擬真實工作條件的實訓(xùn)平臺，科學(xué)整合課程內(nèi)容，使學(xué)生學(xué)會“必須、夠用”的實用技術(shù)。

試驗溫度對5種瀝青混合料動態(tài)模量的影響如圖2所示，t為試驗溫度.分析圖2可知，在相同的頻率條件下，試驗溫度對5種瀝青混合料動態(tài)模量的影響也有著相同的變化規(guī)律，即隨著溫度的增大，混合料動態(tài)模量迅速減小.

表3 高模量瀝青混合料動態(tài)模量增大倍數(shù)Tab.3 Increase multiple of dynamic modulus of high modulus asphalt mixture

圖2 各頻率條件下溫度對動態(tài)模量的影響Fig.2 Temperature effect on dynamic modulus under different frequencies

由圖2還可以看出，頻率相同時高模量瀝青混合料在中低溫條件下（5℃和15℃）的動態(tài)模量相對于對比瀝青混合料SBS和70有較大的提高；高溫（40℃）時3類高模量以及SBS瀝青混合料的動態(tài)模量相對于70瀝青混合料同樣有較大的提高，但SBS與烯烴類瀝青混合料在低頻（0.1，0.5，1Hz）時的動態(tài)模量相差不大；3種高模量瀝青混合料中，5℃時烯烴類和硬質(zhì)瀝青類的動態(tài)模量相近，大于天然瀝青類；40℃時硬質(zhì)瀝青類的動態(tài)模量最大，烯烴類最小，天然瀝青類位于中間.由此可見，烯烴類混合料動態(tài)模量對溫度的敏感性要大于硬質(zhì)瀝青類和天然瀝青類.

2.2 靜態(tài)回彈模量

2.2.1 高模量瀝青混合料的靜態(tài)回彈模量特征

采用MTS 810材料試驗機，對3種高模量瀝青混合料及兩種對比瀝青混合料在15℃和20℃下的靜態(tài)回彈模量進行測試，測試結(jié)果如圖3所示，Er為混合料靜態(tài)回彈模量.分析圖3可知，5種瀝青混合料回彈模量受溫度影響的規(guī)律一致，均隨著溫度的升高而減小.在各溫度條件下（15℃和20℃）3種高模量瀝青混合料的回彈模量明顯高于兩種對比瀝青混合料，回彈模量的大小排列順序依次為：硬質(zhì)＞天然＞烯烴＞SBS＞70.

15℃，20℃時在相同頻率條件下（25Hz，15℃時天然瀝青類混合料動態(tài)模量稍大于硬質(zhì)瀝青類混合料；20℃時SBS瀝青混合料動態(tài)模量稍大于70瀝青混合料）5種瀝青混合料的動態(tài)模量從大到小排列順序依次為：硬質(zhì)＞天然＞烯烴＞70＞SBS.對比分析可知，15℃和20℃時3種高模量瀝青混合料動態(tài)模量與回彈模量的大小變化相對穩(wěn)定，而SBS瀝青混合料與70瀝青混合料的模量值大小排列相反.這是因為回彈模量與動態(tài)模量測試的加載方式與方法并不相同，前者是以一定的速率（2mm／min）對試件加載，屬于一種靜態(tài)的變化，后者是以無間歇時間偏移正弦波為加載波形對試件進行加載，屬于一種動態(tài)變化.這充分說明70瀝青混合料的模量相對于高模量瀝青混合料及SBS瀝青混合料對動態(tài)變化更為敏感.

圖3 瀝青混合料在不同溫度條件下的回彈模量Fig.3 Resilient modulus of asphalt mixtures under different temperatures

2.2.2 靜態(tài)回彈模量與動態(tài)模量相關(guān)性分析

表4 瀝青混合料靜態(tài)模量與動態(tài)模量的回歸結(jié)果Tab.4 Regression results between static modulus and dynamic modulus of asphalt mixtures

圖4 瀝青混合料靜態(tài)模量與動態(tài)模量相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation between static modulus and dynamic modulus of asphalt mixtures

3 結(jié) 論

本文通過對3種高模量瀝青混合料以及2種對比瀝青混合料展開模量試驗研究，可以得出以下結(jié)論：

a.3種高模量瀝青混合料動態(tài)模量中，硬質(zhì)瀝青類的動態(tài)模量大于烯烴類和天然瀝青類.動態(tài)模量對頻率敏感性分析中，硬質(zhì)瀝青類和烯烴類大于天然瀝青類.動態(tài)模量對溫度敏感性分析中，烯烴類要大于硬質(zhì)瀝青類和天然瀝青類.

b.高模量瀝青混合料的動態(tài)模量顯著大于SBS瀝青混合料和A－70瀝青混合料.高模量瀝青混合料的動態(tài)模量是A－70瀝青混合料的1.3～2.4倍，是SBS瀝青混合料的1.4～2.8倍，且隨著頻率的降低高模量瀝青混合料的模量增大倍數(shù)越大.

c.3種高模量瀝青混合料的靜態(tài)回彈模量大于SBS瀝青混合料和A－70瀝青混合料，靜態(tài)回彈模量大小從高到低依次為：硬質(zhì)＞天然＞烯烴＞SBS＞70.

d.瀝青混合料的靜態(tài)回彈模量與較低頻率下的動態(tài)模量呈較好的指數(shù)關(guān)系，在試驗條件受限時可采用瀝青混合料靜態(tài)回彈模量值對動態(tài)模量值進行預(yù)估.

［1］ 王 剛，劉黎萍，孫立軍.高模量瀝青混凝土抗變形性能研究［J］.同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，40（2）：217－222.

［2］ 沙愛民，周慶華，楊琴.高模量瀝青混凝土材料組成設(shè)計方法［J］.長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，29（3）：1－5.

［3］ 瀝青路面設(shè)計指標和參數(shù)研究［R］.北京：交通部西部交通建設(shè)科技項目管理中心，2006.

［4］ NCHRP 1－37A.Guide for mechanistic－empirical design of new and rehabilitated pavement structures［R］.Washington DC：Transportation Research Board National Research Council，2004.

［5］ 王旭東，沙愛民，許志鴻.瀝青路面材料動力特性與動態(tài)參數(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［6］ 馬翔，倪富健，陳榮生.瀝青混合料動態(tài)模量試驗及模型預(yù)估［J］.中國公路學(xué)報，2008，21（3）：35－39.

［7］ 高英.基于動態(tài)參數(shù)的瀝青路面設(shè)計方法研究［D］.上海：同濟大學(xué)，1999.

［8］ 趙延慶，薛 成，黃榮華.瀝青混合料抗壓回彈模量與動態(tài)模量比較分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007，29（12）：105－107.

［9］ 呂偉民，孫大權(quán).瀝青混合料設(shè)計手冊［M］.北京：人民交通出版社，2007.