基于SPT實(shí)驗(yàn)的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及其主曲線研究

吳涎鋒

摘要：為研究瀝青路面常用AC-20瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量變化規(guī)律，文章選用70#基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青三種瀝青材料，采用相同技術(shù)指標(biāo)的粗、細(xì)集料和礦粉配制3種AC-20瀝青混合料并進(jìn)行簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)（SPT）動(dòng)態(tài)模量研究。同時(shí)運(yùn)用時(shí)間一溫度等效原理，采用Boltzmann函數(shù)進(jìn)行擬合，得到3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線。研究結(jié)果表明，橡膠瀝青和SBS改性瀝青均可改善瀝青混合料的力學(xué)性能;AC-20（SBS）和AC-20（AR22%）瀝青混合料主曲線變化趨勢(shì)一致，但有所區(qū)別，SBS改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性優(yōu)于橡膠瀝青混合料。

關(guān)鍵詞：道路工程;動(dòng)態(tài)模量;主曲線;相位角;SPT實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U416.02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.002

文章編號(hào)：1673-4874（2019）09-0006-04

0引言

瀝青混合料是我國高等級(jí)瀝青路面的主要材料。一般認(rèn)為，瀝青混合料是典型的彈粘塑性綜合體，其力學(xué)特性既不同于傳統(tǒng)的彈性固體材料又不同于傳統(tǒng)的黏性流體材料，主要受溫度、荷載、應(yīng)力（應(yīng)變）水平等因素影響。在實(shí)際道路工程中，瀝青混合料受到來自車輛荷載和大氣環(huán)境的動(dòng)態(tài)綜合作用。因此，以往常規(guī)的靜態(tài)模量已不能對(duì)其力學(xué)行為進(jìn)行充分描述，而動(dòng)態(tài)模量作為路面設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)參數(shù)能夠較好地表征瀝青混合料的動(dòng)力學(xué)特性和粘彈特性。美國的MEPDG力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法和我國新的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD50-2017）都將動(dòng)態(tài)模量作為瀝青路面的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)。于雷對(duì)不同油石比的橡膠瀝青混合料進(jìn)行了單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，探討了動(dòng)態(tài)模量和相位角的變化規(guī)律。

SBS改性瀝青和橡膠瀝青混合料常用在瀝青路面上面層和中面層，而中面層作為瀝青路面高溫抗車轍主要的面層。基于此，采用常用中面層級(jí)配AC-20，以70#基質(zhì)瀝青、S8S改性瀝青（基質(zhì)瀝青為70#）以及橡膠瀝青（AR22%）3種結(jié)合料，按照最佳油石比，配制70#基質(zhì)瀝青混合料、S8S改性瀝青混合料和橡膠瀝青混合料。采用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SP廠）進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為5℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃，荷載頻率為25HZ、20HZ、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz、0.01Hz。根據(jù)時(shí)間一溫度等效原理，構(gòu)建瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線，并分析溫度和加載頻率綜合作用下的動(dòng)態(tài)模量變化規(guī)律。

1動(dòng)態(tài)模量實(shí)驗(yàn)方案

1.1 瀝青混合料設(shè)計(jì)及試件制備

試驗(yàn)所用粗、細(xì)集料分別采用玄武巖集料和石灰?guī)r集料，礦粉由南寧生產(chǎn)，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中規(guī)定的方法對(duì)集料各項(xiàng)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，并測(cè)定礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明：粗細(xì)集料和礦粉的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都符合《公路瀝青路面技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的技術(shù)要求。由70#基質(zhì)瀝青、SBS（4%）改性瀝青以及橡膠瀝青（摻量22%）三種瀝青結(jié)合料配制3種瀝青混合料，分別為AC-20（70#基質(zhì)）、AC-20（SBS）和AC-20（AR22%）。瀝青混合料級(jí)配見圖1。

按照試驗(yàn)規(guī)程，將所選材料成型、切割、打磨得到標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件。SPT試件為φ100mmx高度150mm的圓柱體。儲(chǔ)存溫度為5℃-15℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用5℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃共6種溫度。由于利用SPT進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)時(shí)不能對(duì)應(yīng)變水平進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，NCI-RP9-29項(xiàng)目也給出了試驗(yàn)應(yīng)變水平的推薦范圍70-25με，本實(shí)驗(yàn)方案采用90-110με，加載頻率根據(jù)我國高等級(jí)公路以及二級(jí)以下公路行車速度在30-120km/h及120km/h以上選擇0.01-25Hz.每種瀝青混合料采用3個(gè)試件進(jìn)行平行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度進(jìn)行棄差處理后取平均值。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述選定的實(shí)驗(yàn)溫度和加載頻率，利用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）對(duì)3種瀝青混合料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖243所示。

由表1和圖2可知，3種瀝青混合料隨加載頻率的增大而增大，這說明實(shí)驗(yàn)加載頻率對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響很大;在同一溫度不同荷載頻率下，AC-20（SBS）、AC-20（AR22%）動(dòng)態(tài)模量都比基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量大，這說明在相同級(jí)配下，不同瀝青的性能對(duì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量影響較大.由圖3可知，以25HZ為例，結(jié)合表1分析可得隨著溫度的升高，3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量逐漸變小，這說明3種瀝青混合料受溫度的影響規(guī)律一致。

2動(dòng)態(tài)模量主曲線

瀝青混合料屬于粘彈性材料，其力學(xué)性質(zhì)受試驗(yàn)溫度和加載頻率的影響很大。根據(jù)時(shí)間一溫度等效原理及表1中的混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果，采用Bo-Itzmann函數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，得到基準(zhǔn)溫度20℃的動(dòng)態(tài)模量主曲線：

式中：y——?jiǎng)討B(tài)模量（MPa）對(duì)數(shù)值;

f——頻率對(duì)數(shù)值;

A、A——主曲線的上下漸近線;

x、dx——主曲線參數(shù)。

通過瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線確定的移位因子對(duì)相位角曲線進(jìn)行平移，可以得到相位角主曲線。主曲線移位因子如表2所示。

AC-20（SBS）、AC-20（AR22%）及AC-20（基質(zhì)）3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線分別見圖4和圖6，時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)化關(guān)系見圖5。

從圖4-6可以看出：3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量變化趨勢(shì)一致，即動(dòng)態(tài)模量隨著頻率的升高而升高，主曲線都呈典型的“S”型曲線;3種瀝青混合料屬于同一種級(jí)配，而AC-20（AR22%）和AC-20（SBS）混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線始終位于AC-20（70#基質(zhì)）的上方，且二者的動(dòng)態(tài)模量都大干基質(zhì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量，相位角要小于基質(zhì)瀝青。這表明SBS改性劑和AR22%同時(shí)改善了瀝青混合料的高溫和低溫性能。相位角表征材料的粘彈特性，隨著荷載頻率的降低，出現(xiàn)先增大后減小的過程，相位角越大，表明材料更多地表現(xiàn)為黏性性能。

在主曲線拐點(diǎn)左邊部分低頻高溫段，橡膠瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量要小于SBS改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量，瀝青變軟，瀝青混合料主要依賴集料的骨架結(jié)構(gòu)，這說明橡膠瀝青混合料高溫抗車轍性能要低于SBS改性瀝青混合料;在主曲線拐點(diǎn)右邊部分高頻低溫段，瀝青混合料的粘彈特性主要受瀝青材料影響，AC-20（AR22%）的動(dòng)態(tài)模量大于AC-20（SBS）瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量，這說明SBS改性瀝青混合料低溫抗裂性能優(yōu)于AR22%瀝青混合料。二者主曲線出現(xiàn)交叉段，在此區(qū)段動(dòng)態(tài)模量相差不大，表明二者性能基本相當(dāng)。在相交中間區(qū)段，橡膠瀝青混合料主曲線在SBS改性瀝青混合料主曲線上方，這說明在此區(qū)段，橡膠瀝青混合料性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

移位因子是溫度的函數(shù)，從圖6可以看出3種瀝青混合料對(duì)溫度的敏感程度。從表2以及圖5、6可以看出：SBS改性瀝青和橡膠瀝青改善了瀝青混合料的溫度敏感性和粘彈特性，提高了瀝青混合料的高溫抗車轍性能和低溫開裂性能，綜合反映了瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量在溫度和頻率作用下的變化規(guī)律。

3 結(jié)語

利用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)AC-20（基質(zhì)）、AC-20（SBS）、AC-20（AR22%）三種瀝青混合料在控制應(yīng)變90-110με范圍內(nèi)進(jìn)行SPT動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）依據(jù)時(shí)間一溫度等效原理以及Boltzmann函數(shù)對(duì)3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，得到動(dòng)態(tài)模量和相位角主曲線.結(jié)果顯示：3種瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量變化趨勢(shì)一致。AC-20（SBS）與AC-20（AR22%）的動(dòng)態(tài)模量主曲線始終在AC-20（基質(zhì)）瀝青混合料的上方，這說明AR22%和SBS兩種改性劑改善了瀝青混合料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

（2）AC-20（SBS）與AC-20（AR22%）的動(dòng)態(tài)模量主曲線出現(xiàn)逼近與交叉現(xiàn)象，說明二者的適用范圍不同。結(jié)合3種瀝青混合料的移位因子、動(dòng)態(tài)模量主曲線以及相位角主曲線，綜合反映了瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量在試驗(yàn)溫度和頻率作用下的變化規(guī)律。