基于SPT試驗的SMA瀝青混合料動態模量研究

欒利強

廣東省南粵交通投資建設有限公司（510101）

基于SPT試驗的SMA瀝青混合料動態模量研究

欒利強

廣東省南粵交通投資建設有限公司（510101）

為了研究瀝青混合料的動態特性，應用簡單性能試驗機(SPT)對SMA瀝青混合料進行動態模量試驗，分析頻率和溫度對瀝青混合料動態特性的影響，結果表明：頻率越高，瀝青混凝土的動態模量越大；溫度越高，瀝青混凝土的動態模量越小。

美國seet等將動態模量定義為：對于具有一定周期和波形的動態荷載，其應力振幅與應變振幅的比值，計算公式為：

式中：σ（t）、ε（t）為應力和對應應變的時間函數，σ（0）、ε（0）為應力和應變的振幅。

從動態模量的概念可以看出：靜態模量反映彈性條件下應力和應變的比值，忽視瞬態響應，而動態模量考慮了時間的影響，是應力幅值與應變幅值的比值，動態模量不僅能夠反映應力與應變的力學性質，還能夠反映材料在不同荷載下的響應特征。

1 試驗材料

SMA13的集料采用沂水永盛石料廠生產的玄武巖碎石和玄武巖機制砂，級配如表1所示，瀝青采用山東華瑞道路材料技術有限公司生產的SBS改性瀝青，最佳瀝青含量為6.0%，礦粉自制，摻加15%生石灰,含量9%,混合料添加0.3%的木質纖維。

表1 SMA13的集料級配

2 試驗方法

參考AASHTO試驗規程DESIGNATION TP-62-03，對各種瀝青混凝土使用Superpave簡單性能試驗機（SPT）進行動態模量試驗，所用的SPT試驗機如圖1所示。

2.1 試件制備

首先采用Superpave旋轉壓實儀成型直徑150mm×高170mm的試件，然后用鉆芯機對成型好的試件進行鉆芯,鉆取圓周光滑、平行、直徑為100mm的圓柱體試件，如圖2所示。

為了消除試驗過程中試件的偏心受壓和減小端面的摩擦系數，將鉆芯得到的試件進行切割，切割后的標準試件尺寸為直徑100mm×高150mm，如圖3所示。

圖1 SPT試驗機

圖2 鉆芯試件

圖3 直徑100mm×高150mm的標準件

2.2 試驗條件

1）加載頻率

加載頻率是動態模量的一個重要參數，不同加載頻率下的動態模量差別很大，SPT試驗機可以測定的頻率范圍為0.01～25 Hz，為了全面測定瀝青混凝土在不同加載頻率下的動態模量，加載頻率范圍取為0.01～25 Hz。

2）加載波形

正弦波的波形包括加載與卸載兩個階段，能夠描述路面實際受力情況，因此采用正弦波加載。

2.3 試驗溫度

根據DESIGNATION TP-62-03，試驗溫度選取21℃、37℃和55℃三個溫度，試驗步驟：

1）將試驗系統調至工作狀態，并在試驗之前設定為所要求的試驗溫度。

2）試驗前將試件放入溫控箱，使其達到試驗所要求的溫度，利用傳感器安裝工具在試件上粘貼傳感器夾具，在壓盤頂部放置減小摩擦的兩片橡膠膜并在中間涂抹黃油潤滑，在其上放置試件，安裝傳感器夾具，然后在試件上面放置中間涂抹黃油的兩片橡膠膜及頂部壓盤和鋼球，打開三軸室將準備好的試件放入，并安裝傳感器。

3）放入試件之后調整、平衡電子測量系統，輸入試驗溫度、不施加圍壓，選擇試驗的加載頻率，設定加載次數為10次，打開油泵，調節應力，使加載過程中應變的變化幅度在75微應變～125微應變之間。

4）開始試驗。

3 試驗結果分析

SPT試驗機會在試驗過程中記錄下每個加載循環的軸向應力、三向應變、三向變形與溫度等因素，圖4和圖5是SMA13的一個平行試件在37℃和10 Hz加載頻率下的軸向應力和軸向應變隨時間變化的結果。

圖4 軸向應力隨時間變化規律

圖5 軸向應變隨時間變化規律

通過測量最后5次加載循環的平均荷載和應變，可以計算出軸向應力幅值與應變幅值，應力幅值為：

應變幅值εamp為：

動態模量為：

對試驗數據進行提取和處理，得到幾種瀝青混合料在不同溫度和頻率下的動態模量，如表2所示。

表2 動態模量試驗結果

由表2可見：

1）相同溫度條件下，頻率越高，瀝青混凝土的動態模量越大，即加載持續時間越短，瀝青混凝土的動態模量越大，因此車速越快，瀝青層的動態模量越大。國內外道路研究者對加載頻率與車速的關系的研究成果也表明，車速是路面加載頻率的主要影響因素，而深度對路面加載頻率的影響要小很多，這是因為瀝青層通常離路表較近。

2）相同頻率條件下，溫度越高，瀝青混凝土的動態模量越小。

3）目前，國內外一般用10 Hz的動態模量作為路面在正常車速時的動態模量。0.01 Hz加載頻率下的動態模量的加載時間很長,一次加載的時間為100 s，這與《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中靜態單軸壓縮回彈模量試驗的累計加載時間相當甚至更長（不考慮回彈變形時間），可將其等同于靜態回彈模量。

4 結論

采用SPT試驗機對SMA瀝青混合料的動態模量進行了試驗研究，試驗結果表明：

1）相同溫度條件下，頻率越高，瀝青混凝土的動態模量越大。

2）相同頻率條件下，溫度越高，瀝青混凝土的動態模量越小。

3）0.01 Hz加載頻率下的動態模量的加載時間很長，可將其等同于靜態回彈模量。