瀝青穩(wěn)定碎石動靜模量測定對比試驗研究

吳國平

瀝青穩(wěn)定碎石基層可以克服半剛性基層瀝青路面的一些弱點，可以解決現(xiàn)有高速公路路面早期破壞嚴(yán)重的問題，并且由于其模量與瀝青面層接近、瀝青穩(wěn)定碎石基層與瀝青面層的層間粘結(jié)效果好等優(yōu)點，有利于提高路面受力的協(xié)調(diào)性，延長路面使用壽命。瀝青路面設(shè)計參數(shù)的測定和選取是路面設(shè)計工作的主要內(nèi)容。根據(jù)我國現(xiàn)行的設(shè)計體系和對動載作用研究的需求，本文選用瀝青穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量和動態(tài)模量來表征材料的基本力學(xué)性能;進(jìn)行不同級配和不同瀝青標(biāo)號條件下的抗壓回彈模量試驗和動態(tài)模量試驗，研究不同條件對瀝青穩(wěn)定碎石模量的影響規(guī)律及抗壓回彈模量和動態(tài)模量相關(guān)關(guān)系。

1 材料組成及試件成型

本試驗瀝青材料選用70號和30號道路石油瀝青，兩種瀝青試驗檢測結(jié)果見表1;ATB-30和ATB-40選用級配見表2。

表1 瀝青試驗檢測結(jié)果

表2 ATB-30和ATB-40設(shè)計級配

通過馬歇爾試驗設(shè)計，ATB-30和ATB-40的最佳油石比分別為3.4%和3.3%，設(shè)計空隙率控制在4%。瀝青混合料試件的制作方法采用靜壓法，對試件的成型采用高度控制，以壓實度為控制指標(biāo)，這種成型方法對壓力沒有規(guī)定，通常為20 MPa～30 MPa。

2 模量試驗方法與計算

2.1 抗壓回彈模量試驗

我國對靜態(tài)抗壓回彈模量試驗的研究已經(jīng)比較完善。試驗方法見行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 052-2000，T0713-2000公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程。瀝青混合料的單軸壓縮試驗按規(guī)定方法進(jìn)行逐級加載卸載，測定試件的抗壓回彈模量。抗壓回彈模量試驗方法簡單，設(shè)備便宜，但卻存在著一個明顯的缺陷，即抗壓回彈模量不能夠反映工程現(xiàn)場的實際情況。

按照式(1)和式(2)計算各級荷載下試件實際承受的壓強 qi。繪制各級荷載的壓強 qi與回彈變形ΔLi，將 qi—ΔLi關(guān)系繪成一平順的連續(xù)曲線，從坐標(biāo)軸第 5級荷載(0.5P)讀取壓強 q5及相應(yīng)的ΔL5。

其中，qi為相應(yīng)于各級試驗荷載Pi作用下的壓強，MPa;Pi為施加于試件的各級荷載值，N;E′為抗壓回彈模量值，MPa;q5為相應(yīng)于第5級荷載(0.5P)時的荷載壓強，MPa;h為試件軸心高度，mm;ΔL5為相應(yīng)于第5級荷載(0.5P)時經(jīng)原點修正后的回彈變形，mm。

2.2 動態(tài)模量試驗

本次研究試驗溫度為15℃，采用逐級加載、卸載，荷載級別為0.2 MPa的半正矢荷載，加載頻率10 Hz，循環(huán)次數(shù)為10次。

具體計算公式為:

1)量測最后5次加載循環(huán)的平均荷載和應(yīng)變幅值，計算軸向應(yīng)力:

其中，σ為軸向應(yīng)力幅值，MPa;F為試驗所加荷載，kN;A為試件橫截面面積，m2。

2)動態(tài)模量:

其中，E為動態(tài)模量，MPa;ε為軸向可恢復(fù)應(yīng)變幅值。

3)動態(tài)模量代表值:

其中，ˉE為動態(tài)模量實測平均值;S為標(biāo)準(zhǔn)差;n為試件個數(shù);t為隨保證率而變的系數(shù)，當(dāng)為95%的保證率時，t=2.015。

3 對比試驗結(jié)果及分析

利用上述兩種試驗方法得到不同級配和不同瀝青標(biāo)號的瀝青穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量試驗結(jié)果(見表3)，動態(tài)模量試驗結(jié)果見表4。

表3 15℃的抗壓回彈模量試驗結(jié)果 MPa

表4 15℃的動態(tài)模量試驗結(jié)果 MPa

3.1 不同級配類型對模量的影響

從同種瀝青不同級配類型的瀝青穩(wěn)定碎石模量結(jié)果對比可以看出，無論是抗壓回彈模量還是動模量，相同瀝青種類ATB-30均比ATB-40的模量值要大，公稱粒徑較小的瀝青穩(wěn)定碎石基層的模量要更大。

3.2 不同瀝青種類對模量的影響

從不同瀝青種類對瀝青穩(wěn)定碎石模量的影響可以看出，無論是抗壓回彈模量還是動模量，同一種級配選用30號瀝青的混合料模量比選用70號瀝青的要高，因此，使用30號硬質(zhì)瀝青能有效提高瀝青穩(wěn)定碎石模量。

3.3 動態(tài)模量與抗壓回彈模量相關(guān)關(guān)系

靜態(tài)的抗壓回彈性模量是一定時間與溫度條件下，應(yīng)力與總應(yīng)變的比值，總應(yīng)變包括了彈性、粘彈性與粘塑性變形。而動態(tài)彈性模量是在反復(fù)荷載作用下，彈性應(yīng)變和粘彈性應(yīng)變的比值。兩種試驗中試件承受的力學(xué)圖式相同，只是試驗方法不同，故兩者測定結(jié)果應(yīng)具有相關(guān)性。對表3和表4中所示的試驗結(jié)果進(jìn)行線性回歸，同在15℃溫度條件下，相同級配類型和相同瀝青種類的穩(wěn)定碎石動態(tài)模量與靜態(tài)抗壓回彈性模量之間的關(guān)系如下:

其中，相關(guān)系數(shù) R=0.99。

以上回歸關(guān)系經(jīng)檢驗，其線性關(guān)系顯著性檢驗值均符合要求，故動模量與靜態(tài)抗壓回彈模量有一定相關(guān)性，利用式(6)，可以通過常規(guī)的單軸壓縮試驗測定靜態(tài)抗壓回彈模量來估算動模量，計算精度能滿足工程設(shè)計要求。

4 結(jié)語

1)無論是抗壓回彈模量還是動模量，相同瀝青種類ATB-30均比ATB-40的模量值要大，公稱粒徑較小的瀝青穩(wěn)定碎石基層的模量要更大。2)無論是抗壓回彈模量還是動模量，同一種級配選用30號瀝青的混合料模量比選用70號瀝青的要高，因此，使用30號硬質(zhì)瀝青能有效提高瀝青穩(wěn)定碎石模量。3)動模量與靜態(tài)抗壓回彈模量有一定相關(guān)性，可以通過常規(guī)的單軸壓縮試驗測定靜態(tài)抗壓回彈模量來估算動模量，計算精度能滿足工程設(shè)計要求。

[1] 陳靜云，任瑞波，李玉華，等.瀝青路面柔性基層和半剛性基層模量理論研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2004，44(4):536-538.

[2] 胡 斌.瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層(瀝青穩(wěn)定碎石)應(yīng)用研究[D].西安:長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[3] 趙延慶，薛 成，黃榮華.瀝青混合料抗壓回彈模量與動態(tài)模量比較分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007，29(12):101-102.

[4] 應(yīng)榮華，張起森.瀝青混合料設(shè)計參數(shù)測定對比試驗研究[J].中南公路工程，1999，24(2):98-100.