瀝青混合料模量特性試驗分析

崔 頔

(遼寧省交通建設投資集團有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

瀝青混合料的模量是瀝青路面結構分析的關鍵參數(shù)，對于瀝青路面結構受力的準確分析至關重要。目前，瀝青混合料的模量主要有動態(tài)模量、靜態(tài)模量、彎曲模量等[1]。瀝青混凝土路面在使用中絕大多數(shù)情況下會承受動態(tài)荷載，在少數(shù)交通擁堵的情況下還會承受靜態(tài)荷載[2]。由于瀝青混合料具有明顯的粘彈性，因此，在不同的荷載作用下，瀝青路面結構層的力學反應特性是不同的，而進行結構層力學分析時，對應的模量特性是準確分析的基礎和前提。目前關于瀝青混合料動態(tài)模量、靜態(tài)模量的分析較多[3-7]，但是關于不同試驗方法得到的模量的比較分析較少。采用單軸動態(tài)模量試驗、四點彎曲疲勞試驗以及圓柱體單軸壓縮試驗等三種試驗方法，對常用的高模量瀝青混凝土AC-20、SBS改性瀝青AC-20混合料以及基質瀝青AC-20混合料等三種材料在15℃條件下的模量特性進行了比較分析，并對各自的適用性進行了探討，希望研究成果可以為瀝青混凝土路面的結構設計提供一些參考與借鑒。

1 原材料與礦料合成級配

1.1 瀝青膠結料

試驗用基質瀝青為遼河90#石油瀝青，改性瀝青為SBS改性瀝青，瀝青基本性能試驗結果見表1、表2。

表1 遼河90#石油瀝青試驗結果

表2 SBS改性瀝青試驗結果

1.2 礦料及合成繼配

集料選用優(yōu)質石灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，各混合料的合成級配如表3所示。

表3 試驗用合成級配表

1.3 高模量外摻劑

高模量劑采用智信“路寶牌”外摻劑，為3mm左右的黑色顆粒，主要成分為聚烯烴類物質。基本性能試驗結果如表4所示。

表4 “路寶牌”外摻劑基本性能試驗結果

2 試驗方法與設備

2.1 動態(tài)模量試驗方法

采用旋轉壓實儀成型直徑150mm、高170mm試件，鉆芯成高150mm、直徑100mm的圓柱體試件。試驗采用基本材料試驗儀SPT(圖1)，施加連續(xù)無間歇的半正矢荷載波形，不施加圍壓，試驗溫度為15℃，試驗頻率為0.01Hz、0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、25Hz等10個不同頻率。試驗開始后，先進行頻率高的試驗，然后進行頻率低的試驗。對于每個頻率，首先進行10次預壓，然后開始正式試驗，加載次數(shù)10次，取10次正式試驗結果的平均值作為最終結果。

圖1 動態(tài)模量設備SPT

2.2 靜態(tài)模量試驗方法

采用旋轉壓實儀成型直徑100mm、高100mm圓柱體試件，空隙率控制在3%～5%。采用LMT-3型瀝青混合料材料性能試驗系統(tǒng)(圖2)，試驗溫度為15℃，加載速率為2mm/min。首先確定抗壓強度P，再以0.1P、0.2P…0.7P進行7級分級加載，采用第5級荷載壓強與相應的修正回彈變形計算混合料的靜態(tài)抗壓回彈模量。

圖2 LMT-3型瀝青混合料材料性能試驗系統(tǒng)

2.3 彎曲勁度模量試驗方法

采用自制鋼模具，利用車轍成型儀成型300mm×400mm×70mm試件，用鋸石機切割成400mm×63.5mm×50mm的疲勞試驗試件，采用BFA小梁疲勞試驗儀(圖3)，試驗溫度為15℃，加載頻率為10Hz，選用了300、400和500微應變水平，取三個應變水平的模量值的平均值作為最終的試驗結果。

圖3 BFA小梁疲勞試驗儀

3 試驗結果與分析

3.1 不同試驗方法的模量比較

將15℃、10Hz的動態(tài)模量、15℃的靜態(tài)模量以及15℃彎曲勁度模量列于表5中。

表5 混合料模量試驗結果

由表5中數(shù)據(jù)可知，對于三種瀝青混合料，均是靜態(tài)模量數(shù)值最小，并且高模量AC-20混合料的靜態(tài)模量、動態(tài)模量以及彎曲勁度模量最高，基質瀝青混合料的靜態(tài)模量、動態(tài)模量以及彎曲勁度模量最低。對于靜態(tài)模量、動態(tài)模量以及彎曲勁度模量，三種混合料有相同的規(guī)律，即高模量AC-20>SBS改性瀝青AC-20>基質瀝青AC-20，以上分析表明，高模量劑與SBS可以提高混合料的動態(tài)模量、靜態(tài)模量以及彎曲勁度模量，能夠同時提高瀝青混合料的拉壓性能。

通過對三種瀝青混合料300、400和500微應變水平下的彎曲疲勞試驗，分析了小梁彎拉勁度模量的變化情況，可以得出應變疲勞模式中，小梁的彎曲勁度模量不斷減小，并且其衰減速率呈非線性變化；另外對于不同的應變水平，應變水平越高，彎曲勁度模量的衰減速率越大；應變水平越低，衰減速率越小。試驗結果表明，采用彎曲勁度模量可以真實表征瀝青混合料試件在應變疲勞過程中的力學狀態(tài)變化，并由此推算其疲勞壽命。

3.2 頻率對動態(tài)模量的影響

將三種瀝青混合料在15℃、不同頻率下的試驗結果繪于圖4中。

圖4 不同頻率下的動態(tài)模量

由圖4可以看出，三種瀝青混合料隨著頻率的降低，模量明顯降低，在各個頻率時，高模量瀝青混合料的動態(tài)模量均高于SBS改性瀝青混合料及基質瀝青混合料，這表明，高模量瀝青混凝土具有更加優(yōu)良的力學性能。此外，隨著頻率的降低，SBS改性瀝青AC-20與基質瀝青AC-20的模量逐漸接近，這是由于在較低頻率下，SBS改性瀝青混合料的受壓時間較長，柔韌性不再顯著所致。

我國舊瀝青路面設計規(guī)范把靜態(tài)模量作為路面結構設計的一個重要參數(shù)，眾所周知，靜態(tài)模量是指荷載作用非常慢時，試件產生的應力與荷載作用下產生的應變之間的比值，不受溫度和加載頻率等因素的影響，理論上是一個固定不變的值，所以靜態(tài)模量不能充分描述瀝青路面在受到行車荷載時的力學響應。瀝青混合料作為一種粘彈性材料，在受到動態(tài)的行車荷載時，會受到一種動態(tài)的力學響應，即動態(tài)模量。因此，進行路面結構受力分析時，要依不同情況而進行模型參數(shù)的選擇。對于交通量較大的路面，存在著一定的緩行風險，而緩行時，相當于荷載頻率的降低，依據(jù)試驗結果，瀝青混合料的模量會大幅降低，路面結構層的應變水平必然會大幅升高，導致瀝青路面結構層出現(xiàn)塑性損傷，因此當針對緩行狀態(tài)下的路面的抗永久變形分析時，采用較低頻率的動態(tài)模量值會得到與實際情況更為接近的結果；對于高速公路的正常行駛路段，絕大多數(shù)情況下均承受動態(tài)荷載，采用動態(tài)試驗方法獲得的較高頻率的模量值進行分析與實際的情況更為接近。

4 結語

通過試驗分析，得到以下初步結論：

(1)在15℃條件下，瀝青混合料的靜態(tài)模量、動態(tài)模量、彎曲勁度模量三者差異較大，其中靜態(tài)模量值最小，三種混合料規(guī)律相同，即高模量AC-20>SBS改性瀝青AC-20>基質瀝青AC-20。

(2)三種瀝青混合料隨著加載頻率的降低，動態(tài)模量明顯降低，在各個頻率時，高模量瀝青混合料的動態(tài)模量均高于SBS改性瀝青混合料及基質瀝青混合料，這表明，高模量瀝青混凝土具有更加優(yōu)良的力學性能。

(3)采用彎曲勁度模量可以真實表征瀝青混合料試件在應變疲勞過程中的力學狀態(tài)變化，并由此推算其疲勞壽命。