基于DMA的瀝青混合料動態模量影響因素研究

楊強 趙弘正

摘 要：為掌握瀝青路面結構在動荷載作用下的受力特性，有必要研究試驗溫度、試驗頻率、級配類型和瀝青類型等因素對瀝青混合料動態模量的影響。本文基于溫度和頻率控制范圍廣和精度高的動態力學分析儀（DMA），對SBS和橡膠（AR）改性瀝青制備的AC-13和SMA-13瀝青混合料分別進行動態模量試驗。結果表明：隨著試驗溫度提高，瀝青混合料動態模量逐漸下降，動態模量溫度敏感性則呈先增加后降低趨勢；隨著試驗頻率增加，瀝青混合料動態模量及動態模量的頻率敏感性均增加，且SBS改性瀝青混合料的動態模量頻率敏感性高于AR改性瀝青混合料，級配對頻率敏感性的影響則相對較小；SMA-13瀝青混合料動態模量較AC-13瀝青混合料低，但隨溫度提高兩者差值逐漸減小，隨頻率提高兩者差值逐漸增大；頻率為0.1Hz到5Hz之間時，AC-13-AR改性瀝青混合料動態模量較AC-13-SBS高，而頻率為5Hz到80Hz之間時，正好相反。

關鍵詞：瀝青混合料；動態模量；DMA；溫度；頻率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.084

1 引言

瀝青路面是我國高速公路的主要結構形式，其具有行車舒適、建養周期短及可回收利用等特點。我國瀝青路面采用多層連續彈性層狀理論進行設計，以往設中對瀝青混合料材料特性往往以15℃和20℃抗壓回彈模量表征[1]，但實際瀝青路面服役過程中，在氣候環境、汽車軸載和交通量等的綜合影響下，瀝青路面受力情況是實時變化的動態過程，因而采用靜態抗壓回彈模量進行瀝青路面結構設計可靠性存疑[2-4]。近年來相關學者提出基于動態模量的瀝青路面結構設計方法，且目前已被我國《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2017）采納。動態模量是動荷載作用下軸向應力幅值與應變幅值的比值，其決定了瀝青混合料在一定溫度和加載頻率下的應變響應，且與瀝青混合料抗疲勞和抗車轍性能有重要關系[5-7]，顯然采用動態模量表征瀝青混合料特性更能接近路面結構實際受力情況。

目前國內外對瀝青混合料動態模量進行了較多研究，但受試驗設備限制，現有研究中涉及的瀝青混合料動態模量研究溫度和頻率范圍往往較窄[8-9]，因而有必要進行深入研究。為此，本文基于溫度和頻率控制范圍廣和精度高的DMA設備，分析試驗溫度、試驗頻率、級配類型和瀝青類型對瀝青混合料動態模量的影響規律，對進一步掌握瀝青混合料動荷載作用下的受力特性有積極意義。

2 試驗概況

2.1 原材料

（1）瀝青。采用SBS和AR改性瀝青進行試驗研究，兩者主要技術指標如表1所示。

（2）集料。粗集料選擇質地堅硬的玄武巖，細集料為石灰巖，主要技術指標如表2所示。

（3）級配。采用AC-13和SMA-13兩種級配制備瀝青混合料進行試驗研究，兩種級配各篩孔通過率如表3所示。其中AC-13使用SBS和AR兩種改性瀝青，對應最佳油石比分別為5.1%和6.2%，SMA-13使用SBS改性瀝青，對應最佳油石比為5.8%。

2.2 動態模量試驗

根據表3級配成型SGC圓柱形試件，脫模后采用普通切割機切割為45mm×45mm×10mm長方體試塊，進而移入-20℃冰箱中冷凍24h，取出后采用高精度切割機切割為35mm×10mm×3mm長方體試塊進行動態模量試驗。其中動態模量試驗采用DMA Q800進行，試驗中其溫度和荷載頻率控制范圍廣、精度高，該設備主要技術參數如表4所示。

3 溫度對瀝青混合料動態模量影響

瀝青路面服役過程中環境溫度變化范圍較大，故有必要研究溫度對瀝青混合料動態模量的影響，為此本文制備SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種類型瀝青混合料試件分別進行-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃和40℃共7條溫度條件下的DMA試驗，頻率10Hz，結果如圖1所示。

由圖1可知：

隨著試驗溫度提高，瀝青混合料動態模量逐漸下降，這是由于瀝青為粘彈性材料，溫度提高時瀝青粘度下降，且粘性成分比例增加，因為在荷載作用混合料中瀝青容易發生粘性流動，導致變形量增加，因而動態模量減小，其中溫度由-20℃增加至40℃時，SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種瀝青混合料的動態模量分別降低91.2%、88.6%和87.0%。

隨著試驗溫度提高，瀝青混合料動態模量溫度敏感性呈先增大后減小趨勢，其中在-20℃到-10℃溫區和30℃到40℃溫區溫度敏感性相對較低，在-10℃到30℃溫區溫度敏感性相對較高。試驗溫度由-20℃增加到-10℃，溫度每增加1℃SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種類型瀝青混合料的動態模量分別下降163.7MPa、225.7 MPa和126.0MPa，試驗溫度由-10℃增加到30℃，溫度每增加1℃三種類型瀝青混合料的動態模量分別下降289.5MPa、343.1MPa和303.2MPa，而試驗溫度由30℃增加到40℃時，溫度每增加1℃三種類型瀝青混合料的動態模量分別下降154.3MPa、213.4MPa和211.1MPa。

SMA-13瀝青混合料動態模量較AC-13瀝青混合料低，但隨著溫度提高兩者差值逐漸較小。各個試驗溫度下SMA-13-SBS瀝青混合料的動態模量均低于AC-13-SBS改性瀝青混合料，其中試驗溫度為-20℃時，SMA-13-SBS較AC-13-SBS低4265MPa，而溫度增加至40℃時兩者僅相差909MPa；AR改性瀝青混合料動態模量較SBS改性瀝青混合料低，尤其溫度較低時表現明顯。各個試驗溫度下AC-13-AR瀝青混合料的動態模量均低于AC-13-SBS改性瀝青混合料，其中試驗溫度為-20℃時，AC-13-AR較AC-13-SBS低2627MPa，而溫度增加至40℃時兩者僅相差12MPa。

4 頻率對瀝青混合料動態模量影響

瀝青路面服役過程中不同環境和交通量條件下行車速度差異較大，而試驗中可通過改變試驗頻率模擬不同行車速度，其中頻率越大表征行車速度越快。為此本文制備SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種類型瀝青混合料試件分別進行0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz、40Hz和80Hz共8個頻率條件下的DMA試驗，溫度20℃，結果如圖2所示。

由圖2可知：

隨著試驗頻率提高，瀝青混合料動態模量逐漸增加，這是由于瀝青為粘彈性材料，試驗頻率提高時荷載作用作用時間短，此時瀝青彈性部分發生變形，但粘性部分變形對荷載的作用有滯后性，因而頻率提高時瀝青混合料變形響應時間縮短，故動態模量提高，其中頻率由0.1Hz增加至80Hz時，SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種瀝青混合料的動態模量分別增加3.0倍、2.8倍和2.0倍。

隨著試驗頻率提高，瀝青混合料動態模量頻率敏感性呈增大趨勢，其中在0.1Hz到1Hz頻率范圍時敏感性相對較低，在1Hz至10Hz頻率范圍時敏感性相對較高。此外，瀝青類型對瀝青混合料的動態模量頻率敏感性影響較大，級配則對其影響較小，其中頻率為0.1Hz時，AC-13-AR改性瀝青混合料的動態模量較AC-13-SBS改性瀝青混合料高850MPa，頻率為80Hz時動態模量反較其低410MPa，表明SBS改性瀝青混合料的頻率敏感性高于AR改性瀝青，而SMA-13-SBS和AC-13-SBS瀝青混合料動態模量隨頻率變化曲線的斜率相差不大，表明兩種級配的頻率敏感性差異較小。

SMA-13瀝青混合料動態模量較AC-13瀝青混合料低，且隨著頻率提高兩者差值逐漸增大。各個試驗頻率下SMA-13-SBS瀝青混合料的動態模量均低于AC-13-SBS改性瀝青混合料，其中試驗溫度為0.1Hz時，SMA-13-SBS較AC-13-SBS低916MPa，而頻率增加至80Hz時兩者相差2939MPa；不同頻率范圍AR改性瀝青混合料動態模量和SBS改性瀝青混合料表現出明顯差異，其中頻率在0.1Hz到5Hz之間時，AC-13-AR改性瀝青混合料動態模量較AC-13-SBS高，而頻率在5Hz到80Hz之間時，AC-13-AR改性瀝青混合料動態模量較其更低。

5 結語

（1）隨著試驗溫度提高，瀝青混合料動態模量逐漸下降，動態模量溫度敏感性則呈先增加后降低趨勢，其中動態模量在-20℃到-10℃溫區和30℃到40℃溫區的溫度敏感性相對較低，在-10℃到30℃溫區的溫度敏感性相對較高。

（2）隨著試驗頻率增加，瀝青混合料動態模量及動態模量的頻率敏感性均增加，其中在0.1Hz到1Hz頻率范圍時頻率敏感性相對較低，在1Hz至10Hz頻率范圍時則相對較高；SBS改性瀝青混合料的動態模量頻率敏感性高于AR改性瀝青混合料，級配對頻率敏感性的影響則相對較小。

（3）SMA-13瀝青混合料動態模量較AC-13瀝青混合料低，但隨試驗溫度提高兩者差值逐漸減小，隨頻率提高兩者差值逐漸增大；頻率在0.1Hz到5Hz之間時，AC-13-AR改性瀝青混合料動態模量較AC-13-SBS高，而頻率在5Hz到80Hz之間時，正好相反。

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作者簡介：楊強（1993-），男，湖南衡陽人，助理工程師，研究方向：道路瀝青混合料。