測試方法對瀝青混合料動態模量取值的影響

劉勝， 劉靖宇

(1.長沙理工大學， 湖南 長沙 410114； 2.湖南省交通科學研究院有限公司)

單軸壓縮狀態的回彈模量是國內外瀝青道路的主要設計參數，美國從20世紀70年代就致力于動態模量的研究，并于2004年的NCHRP子報告1-37A中完成了Simple Performance Tester(SPT)及其試驗方法的研發。采用兩點彎曲模式對T形梁試件進行動態加載，其試驗體系廣泛應用于歐洲。與國外相反，中國1986版設計規范、1997版設計規范、2006版設計規范一直沿用靜態回彈模量，到2017版設計規范實現了從靜到動的轉變，并確定以2011版試驗規程中的單軸壓縮試驗(T0738)作為動態模量的測試方法。

然而，由于長年靜態模量經驗累積的主觀認知存在差異，加之工地試驗儀器達不到要求，在實用中測定動態模量的方法不統一，主要體現在：① 荷載狀態，現行規范規定了兩種加載波形，但并沒有明確不同加載波形帶來的差異；② 試件尺寸，規范要求的φ100 mm×150 mm圓柱體試件成型難度較高，需先SGC成型φ150 mm×170 mm試件，通過切割、鉆芯等一系列操作，方可進行測試，相對而言φ100 mm×100 mm尺寸試件因其成型簡便、用料節約而更受青睞；③ 變形采集方式，過去采集的靜態模量數據往往采用千分表等觀測得到，結果偏主觀。

為研究上述不同測試方法間的差異，設計了不同荷載狀態、試件狀態和數據采集手段的瀝青混合料室內試驗，以量化測試方法對模量取值的影響。

1 原材料設計

采用AC13礦料級配及秦皇島SBS I-D改性瀝青作為瀝青混合料原料，其級配及混合料常規性能均滿足規范要求，分別見表1、2。

表1 AC13級配設計

表2 瀝青混合料常規性能指標

按照規范T0738要求，每組平行試驗保證5個有效試樣，試驗溫度為20 ℃，計算得到AC13-SBS瀝青混合料在不同測試方法下的單軸壓縮動態回彈模量值(以下簡稱動態模量)。

2 荷載狀態對動態模量取值的影響

2.1 加載波形

在國內外相關研究中，應用最多的加載波形主要有：三角波、半正弦波、半正矢波(Haversine波)。3種加載波形下的動態模量如圖1所示。

圖1 3種加載波形動態模量

從圖1可以看出：三角波與Haversine波的動態模量基本相等，而半正弦波的動態摸量略大于Haversine波和三角波，數值偏高20%～50%；從能量的角度來看，單個荷載周期內半正弦波對試件施加的荷載能量最大，而Haversine波和三角波的荷載能量接近。因此，半正弦波下試件測試得到的動態模量較大，比三角波與Haversine波高20%～50%。

2.2 加載方式

除加載波形外，荷載連續與否也是動態加載必須考慮的問題。已有研究認為，間歇荷載研究的是單次行車荷載對道路結構的影響，而連續荷載研究的是穩定荷載作用下的路面響應狀態，間歇加載或者連續加載都有一定理論意義。通常動態加載試驗中存在兩種加載方式：① 連續荷載；② 間歇荷載。加載0.1 s，間歇0.9 s。分別進行5、10 Hz頻率下兩種加載模式的動態模量試驗，結果如表3所示。

從表3可以看出：各個荷載振幅下連續荷載作用的動態模量比間歇的大。在荷載頻率10 Hz時這種差別尤為明顯，連續荷載下的動態模量比間歇荷載下的動態模量平均大20%。而在5 Hz時僅大3%左右。由此可見，間歇時間對動態模量的影響與荷載頻率有直接關系。當荷載頻率較大時，間歇時間的影響比較明顯，當荷載頻率較小時影響不大。

表3 荷載間歇對動態模量的影響

3 試件狀態對動態模量取值的影響

3.1 試件尺寸

按照規范T0738及SPT試驗要求，單軸壓縮動態模量試驗采用φ100 mm×150 mm試件進行試驗，但作為中國傳統路面材料回彈模量的測量方法，習慣采用φ100 mm×100 mm尺寸的試件，其原因如下：① 大量的室內外對比試驗發現，φ100 mm×100 mm尺寸試件采用頂面法測定的靜態模量與施工現場承載板測定的模量數值十分接近；② 試驗方法簡單，因此仍有不少研究和工程應用采用φ100 mm×100 mm的試件進行試驗。為了明確這兩種試件尺寸對動態模量測試結果的影響，分別成型了φ100 mm×150 mm和φ100 mm×100 mm試件進行試驗，結果見圖2。

在受壓過程中，試件端面與上下金屬壓板之間產生摩擦力，使得試件在受壓時端部還受到摩擦力的約束，導致試驗結果存在誤差(表4)。由圖2、表4可知，φ100 mm×150 mm試件的動態模量均明顯大于φ100 mm×100 mm試件，其動態模量值為后者的1.2～1.6倍，說明試件尺寸對模量取值的影響較大，為減小端部效應對模量測試的干擾，應采用φ100 mm×150 mm圓柱體試件測得的結果作為動態模量標準值。此外，根據表4可知，5 Hz頻率對應的動態模量比值高于10 Hz、輕載荷作用時模量比值稍大于重載荷狀態，說明荷載狀態也會對端部效應的干擾產生影響，但影響較小。

圖2 φ100 mm×100 mm與φ100 mm×150 mm尺寸試件的動態模量的對比

表4 φ100 mm×100 mm與φ100 mm×150 mm尺寸試件的動態模量比值

圖3為φ100 mm×100 mm試件與φ100 mm×150 mm試件在不同荷載狀態下動態模量的散點圖，可見不同荷載狀態下的模量取值均在虛線處波動，使得兩種尺寸試件模量取值總存在一定的線性關系，如式(1)所示：

E150=1.17E100+259

(1)

式中:E150和E100分別為φ100 mm×150 mm試件和φ100 mm×100 mm試件的動態模量值(MPa)，判定系數R2=0.96。

圖3 不同試驗條件下兩種尺寸試件動態模量散點圖

3.2 試件的端部處治

為了減小端部效應的干擾，國內外相關試驗方法中都強調試件端面的平整，現行規范T0738建議在試件與壓板之間放一層聚四氟乙烯墊片以減小摩擦力(以下簡稱墊片法)；該文考慮了一種端部處治方式，即采用一定比例滑石粉與甘油的混合物涂抹在試件端面，然后用蠟封閉，進行端面處理后再進行抗壓試驗(以下簡稱蠟封法)。分別用墊片和蠟封法處治φ100 mm×100 mm試件，并與未處置的φ100 mm×100 mm試件和φ100 mm×150 mm試件進行對比，結果如圖4所示。

圖4 端部不同處治方法測得的動態模量變化曲線

通過墊片法和蠟封法對試件進行端部處治，其實測動態模量分別比未處治的φ100 mm×100 mm尺寸試件高約10%和20%，比未處治的φ100 mm×150 mm尺寸試件低約20%和10%，說明端部處治效果顯著降低了端部摩擦力的影響，且蠟封法的處治結果與φ100 mm×150 mm尺寸試件更接近，說明蠟封法的處治效果優于墊片法。

4 變形采集手段對動態模量取值的影響

變形的測試手段是影響動態模量試驗結果準確度的重要因素。目前國內外常見的變形測試手段有：① 儀器自帶傳感器，即配套于儀器的位移傳感器；② 頂面兩端沿對角線設置的線性位移傳感器(LVDT)；③ 固定于試件側面的LVDT。同時采用上述3種變形采集方式測試標準尺寸試件的豎向回彈變形，并計算得到其動態模量值，結果如表5所示。

由表5可知：儀器自帶傳感器采集得到的變形數據偏大，按該數據計算得到的動態模量小于規范要求，建議有條件時應采用外接的變形采集方式進行測量。頂面法與側面法LVDT測得的豎向回彈變形接近，但頂面兩端架設LVDT的方法只是削弱了端部效應的影響，而側面法因針對試件側面中部的豎向變形進行測試，受端部效應影響極小，測得的變形更為準確。

表5 不同變形采集方法結果對比

考慮到在3.1節的測試過程中，試件的豎向回彈變形是唯一存在的某個實數值，可以把表5中3組不同變形作為該實數值在不同測試手段下的映射結果，作出3種手段測得的變形散點圖(圖5)。

圖5 不同變形采集手段的散點圖

由圖5可知：不同采集手段測得的變形之間存在二次曲線關系，假設其轉化方程為：

y=Ax2+Bx+C

則可以得到不同采集手段測量變形間的轉換系數A、B、C見表6。

表6 不同采集手段的轉換系數

5 結論

根據試驗數據及研究結果，推薦采用尺寸為φ100 mm×150 mm試件進行測試，采用外接LVDT進行數據采集，并明確了其他影響因素對模量測試結果的誤差范圍，建立了不同尺寸、不同數據采集方法之間的換算公式，可得如下結論：

(1) Haversine波和三角波下測得的動態模量基本相當，半正弦波形加載測得的動態模量是Haversine波和三角波的1.2～1.5倍，10 Hz頻率下連續加載是間歇加載測得的動態模量的1.2倍左右。

(2) 試件尺寸是影響動態模量取值的重要因素，測得的φ100 mm×150 mm試件動態模量為φ100 mm×100 mm試件的1.2～1.6倍，可按下式對兩種尺寸測得的動態模量值進行換算：

E150=1.17E100+259

(3) 墊片法和蠟封法對試件進行端部處治可有效削弱端部效應影響，其實測動態模量比未處治的φ100 mm×100 mm尺寸試件分別高約10%和20%。