基于正交試驗方法的細集料瀝青混合料動態模量研究

劉惠兵

（山西路橋第三工程有限公司，山西 忻州 034000）

0 引言

細集料瀝青混合料可作為超薄罩面層和下封層，廣泛應用于路面預防性養護。細集料瀝青混合料按集料粒徑大小可分為：粗的細集料瀝青混合料，細集料瀝青混合料和超細的細集料瀝青混合料[1]，選擇最大粒徑為4.75 mm的細集料瀝青混合料作為主要研究對象。

細集料瀝青混合料黏彈特性顯著，其動態力學性能更加不容忽視。瀝青混合料的動態力學性能是指材料在外界交替變化的應力作用下的力學響應，主要包括：動態模量、動穩定度、疲勞壽命等。其中混合料動態模量是路面設計的基本依據，為路面結構有限元分析提供了基礎數據。瀝青混合料動態模量作為混合料工程應用的基礎數據，其重要性不言而喻。南京林業大學周鍵煒[2]利用時間-溫度置換原理確定了瀝青混合料動態模量主曲線，并分析了瀝青混合料黏溫特性。長沙理工大學羊明[3]從影響瀝青混合料動態模量的眾多因素出發，研究了各因素對瀝青混合料黏彈特性的影響和動態模量的回歸方程。東南大學馬翔等[4]利用簡單的力學儀器測試了多種瀝青混合料的動態模量，并分析了頻率和溫度對混合料動態模量的影響，結合規劃求解得出動態模量主曲線。南京林業大學李強[5]采用不同受力模式對3種瀝青混合料進行動態模量試驗，分析圍壓、應力水平、受力模式等因素對動態模量主曲線的影響，并通過模型分析各因素對移位因子的影響，認為二次擬合可以消除主曲線上動態模量的極值對移位因子的影響。江蘇省交通科學研究院趙延慶[6]對瀝青混合料動態模量季節性變化規律進行了研究，認為混合料動態模量呈現出季節性變化規律，最大、最小日平均動態模量可相差14倍以上，隨著路面深度的增加，動態模量的季節性變化規律逐漸減弱。目前，國內外有大量學者通過萬能材料測試系統研究瀝青混合料的動態模量，但是大多停留在大粒徑級配混合料，如 AC-13、SMA-13、AC-20、AC-25 等[7-8]；利用彎曲梁流變儀研究低溫勁度模量，評價低溫抗裂性[9-11]。對細集料瀝青混合料的研究主要集中在橋面防水層、下封層、抗滑磨耗層、路面坑槽修補等實際應用方面。美國德克薩斯大學Pedro[12]在論文中完整地論述了最大粒徑為1.18 mm的細集料瀝青混合料動態熱機械儀圓柱形試件的制備方法。Fabiola等[13]利用動態熱機械儀測試了細集料瀝青混合料的復合剪切模量G*，并通過多種模型分析其主曲線之間的差異。但是利用正交試驗方法研究細集料瀝青混合料的動態模量，分析不同測試方法對動態模量的影響卻鮮有報道。

正交試驗方法是一種利用正交表來對試驗進行整體設計、綜合比較、統計分析，實現通過少數的試驗次數找到較好的生產條件，以達到最佳效果的統計學方法。吉林大學董偉智[14]利用正交試驗設計方法對瀝青混合料級配曲線、體積指標及路用性能進行了分析，最終確定了瀝青混合料礦料級配的最優級配范圍和最佳目標級配。長安大學吳傳海[15]通過正交試驗設計方法確定了瀝青混合料的級配檢驗、優化準則及合理體積參數。正交試驗設計方法的種種優點表明，利用正交試驗設計方法對瀝青混合料動態力學性能進行研究是一個不錯的選擇。

細集料瀝青混合料的動態力學性能受集料類型、加載頻率、溫度和環境的影響較大，因此選擇不同集料類型、加載頻率、溫度、環境條件下細集料瀝青混合料的動態模量作為研究重點，利用正交試驗方法分析上述因素對動態模量的影響程度。結合間接拉伸和三點彎曲測試方法分析動態模量，并評價其相關性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

選用盤錦北方瀝青股份有限公司70號道路石油瀝青、玄武巖集料、安山巖集料、鋼渣等為原材料，具體的性能如表1～表4所示。

表2 玄武巖的基本性能指標

表3 安山巖的基本性能指標

表4 鋼渣的基本性能指標

所用填料為石灰石礦粉，無團聚結塊現象，親水系數為0.8，塑性指數為2.5%，具體性能指標見表5。

表5 填料試驗結果

1.2 試驗方法

細集料瀝青混合料級配設計分別選取最大粒徑為4.75 mm的玄武巖、鋼渣和安山巖3種不同類型集料。為了試驗結果的可比性，玄武巖、鋼渣和安山巖的合成級配一致。合成級配曲線如圖1。采用馬歇爾電動雙面擊實75次，制備玄武巖、鋼渣和安山巖3種砂粒式瀝青混合料樣品。玄武巖和安山巖瀝青混合料的油石比確定為7.5；鋼渣瀝青混合料油石比確定為8.5，主要原因是鋼渣表面多孔，凹凸不平，比表面積較大，極易吸收瀝青。

圖1 細集料瀝青混合料的級配曲線

利用動態熱機械儀（DMA）測試細集料瀝青混合料的動態模量。DMA測試用混凝土樣品包括圓柱體和長方體兩種試樣。圓柱體試樣直徑為16 mm，高度為25 mm；長方體試樣長為30 mm，寬為10 mm，高為5 mm。圓柱體試樣是利用馬歇爾試件經過切割，然后鉆芯取樣獲得的。長方體試樣是通過切割機切成條狀試樣，然后用砂輪磨磨到相應尺寸，最后拋光，使樣品表面光滑平整。紫外老化瀝青混合料的制備：把瀝青混合料放入紫外老化箱（箱內溫度60℃，輻照強度73 w/m2），經過7 d的紫外光照射所得到的瀝青混合料（武漢一個季度的紫外輻照量）。水損害瀝青混合料的制備：參照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規范中T0729—2000，用容器裝入一定量的混合料，在飽水情況下抽真空15 min，低溫-18℃貯存16 h，再放入60℃溫水中恒溫24 h，再將試樣放入25℃恒溫水槽中恒溫2 h，得到水損害瀝青混合料。

2 結果與討論

2.1 正交試驗設計

正交試驗設計是用部分試驗代替全面試驗，通過對部分試驗的結果進行分析，了解全面試驗的情況。研究工作中，很多情況下不止存在一個因素影響試驗結果，通常會出現多因素。如若進行全面試驗會浪費大量人力和財力。此時可以利用正交試驗設計，并運用極差和方差對數據進行分析，尋找最佳試驗條件。

針對本研究工作中可能出現的主要影響因素進行匯總并擇優選?。哼x擇溫度、頻率、環境和集料類型作為細集料瀝青混合料動態模量的影響因素。

針對選定因素所處的條件或狀態即因素水平：溫度（5 ℃，15 ℃，25 ℃）；頻率（0.5 Hz，1.0 Hz，2.0 Hz）；環境（未處理，紫外老化，水損害）；集料類型（玄武巖，鋼渣，安山巖）。分析過程中以動態模量為基本指標。正交實驗表L9（34）正好滿足本試驗要求，因此，只需要進行9次試驗即可完成試驗。馬歇爾試樣的動態模量測試按照我國的規范進行平行重復試驗，以確保試驗數據準確、可靠。按照影響因素和因素水平可得到表6所示的正交試驗表。

表6 細集料瀝青混合料動態模量分析正交試驗表

按照上述多因素試驗方案表進行試驗，結果如表7所示。

表7 細集料瀝青混合料動態模量正交試驗結果 MPa

為分析各影響因素對瀝青混合料間接拉伸動態模量的影響，利用極差分析對數據進行分析，判定各因素的影響因素主次順序。由表8可知，環境條件下砂粒式瀝青混合的極差最大，為3 858 MPa；溫度和頻率條件下細集料瀝青混合料的極差居中，分別為3 202 MPa和2 832 MPa；集料類型條件下細集料瀝青混合料的極差最小，為863 MPa。結果表明：溫度、頻率、環境和集料類型對細集料瀝青混合料間接拉伸動態模量的影響順序為：環境＞溫度＞頻率＞集料類型。

表8 極差分析表 MPa

2.2 溫度和集料類型對動態模量的影響

由圖2可知，隨著溫度的升高，瀝青混合料的動態模量不斷減少，當溫度由5℃～15℃時，安山巖和鋼渣瀝青混合料動態模量變化不大，而玄武巖瀝青混合料動態模量變化較大；當溫度由15℃～25℃時，玄武巖和安山巖瀝青混合料的動態模量變化較大，而鋼渣瀝青混合料的動態模量變化較小，這表明不同類型的細集料瀝青混合料動態模量具有溫度選擇性。在3種不同集料類型的瀝青混合料中，鋼渣瀝青混合料的動態模量最大，安山巖瀝青混合料其次，玄武巖瀝青混合料的最小。

圖2 3種不同集料類型瀝青混合料的間接拉伸動態模量

2.3 頻率和環境對動態模量的影響

由表9～表11可知，低的溫度和高的頻率都會使瀝青混合料動態模量增加，紫外老化會提高細集料瀝青混合料的動態模量，而水損害則會降低細集料瀝青混合料的動態模量。低溫下，細集料瀝青混合料的動態模量增加；高溫下，細集料瀝青混合料的動態模量降低。低頻下，細集料瀝青混合料的動態模量降低；高頻下，細集料瀝青混合料的動態模量增加。同時，水損害對玄武巖瀝青混合料的動態模量損害程度較強，紫外老化對玄武巖瀝青混合料的動態模量損害程度較弱，在低溫時，甚至還能提高玄武巖瀝青混合料的動態模量。

表9 玄武巖瀝青混合料的動態模量 MPa

表10 紫外老化玄武巖瀝青混合料的動態模量 MPa

表11 水損害玄武巖瀝青混合料的動態模量 MPa

2.4 間接拉伸和三點彎曲動態模量對比分析

動態模量是評價道路材料動態應力與應變響應的重要指標，可以真實地反映瀝青路面的實時工況，而且可以作為預測路面結構響應和路面性能的重要輔助參數。采用間接拉伸和三點彎曲兩種受力模式對細集料瀝青混合料動態模量進行對比試驗，分析受力模式對細集料瀝青混合料動態模量的影響，研究間接拉伸和三點彎曲受力模式下動態模量數值之間的相互轉換關系。間接拉伸和三點彎曲動態模量測試方法的區別在于：三點彎曲試驗其受力狀態為單軸應力，而間接拉伸試驗受力狀態為雙軸應力。由圖3可知，5℃時三點彎曲動態模量對應較低溫度（小于5℃）時間接拉伸動態模量，2.0 Hz時三點彎曲動態模量對應較低頻率（小于0.5 Hz），以上結論表明：相同條件下，三點彎曲動態模量對應于溫度較低時的間接拉伸動態模量；相同條件下，三點彎曲動態模量對應于頻率較低的間接拉伸動態模量。

圖3 間接拉伸和三點彎曲動態模量對比

利用統計學方法分析間接拉伸和三點彎曲動態模量，結果如表12所示。由表可知，2種不同加載方式的細集料瀝青混合料t檢驗的P值都小于0.005，其中間接拉伸動態模量t統計量為3.84，大于2.26；三點彎曲動態模量t統計量為3.90，大于2.26。F檢驗的F值均大于Fcritical，表明在95%的置信度條件下，兩種不同加載方式的細集料瀝青混合料的間接拉伸和三點彎曲動態模量均存在顯著相關。

表12 統計學分析結果

3 結論

采用正交試驗設計方法研究細集料瀝青混合料動態模量得出以下結論：

a）不同類型的細集料瀝青混合料動態模量具有溫度選擇性；低的溫度和高的頻率都會使瀝青混合料動態模量增加。

b）正交設計方法分析結果顯示，各因素對細集料瀝青混合料間接拉伸動態模量的影響順序為：環境＞溫度＞頻率＞集料類型。

c）相同條件下，低溫三點彎曲動態模量對應于低溫間接拉伸動態模量；相同條件下，高頻三點彎曲動態模量對應于低頻間接拉伸動態模量。

d）在95%的置信度條件下，兩種不同加載方式的細集料瀝青混合料的間接拉伸和三點彎曲動態模量均存在顯著相關。