骨架密實型應力吸收層SAC10動態復模量試驗分析

黃新生

(廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545005)

0 引言

桂林至柳州高速公路(僚田至鹿寨北互通)于2015年開始實施舊水泥路面加鋪瀝青面層的“白加黑”改造工程，項目于2018年1月通過交工驗收，2022年1月通過竣工驗收。由于桂柳高速公路原有路面為水泥混凝土路面，為了避免舊路反射裂縫的大規模出現、保證路面耐久性，將瀝青路面加鋪層的最下層設計為厚度2 cm的改性瀝青應力吸收層。在混合料設計時，參考廣西區內已完成全線改造的柳南高速公路的工程建設經驗，將這層瀝青混合料設計為骨架密實型應力吸收層SAC10，并根據性能均衡的設計思想，采用“四控制點”法進行最佳油石比的確定[1]，之后結合工程所在地的地方性材料，通過系統的路用性能分析和對比驗證，最終設計出適用于桂柳高速公路的骨架密實型應力吸收層SAC10混合料。

雖然應力吸收層是一種功能性材料，但由于本工程中的結構厚度設計為2 cm，在路面結構計算和分析中影響不可忽略，需要參與受力分析和計算。此時，需要考慮該層材料的動態復模量取值問題。由于此前對于骨架密實型應力吸收層的研究主要集中在高溫、低溫、水穩定性、施工和易性等常規的路用性能評價上[2-3]，而對于其動態復模量等動態特性的研究尚未開展，在路面結構計算時，相關材料的參數取值只能參考其他材料，導致結構計算結果不合理。因此，為了獲得骨架密實型應力吸收層SAC10混合料的動態復模量試驗結果，并分析其影響因素，本文以桂柳高速公路實體工程為依托，針對該項目所使用的應力吸收層材料開展動態復模量等相關試驗，為路面結構設計提供必要的材料參數。

1 桂柳高速公路骨架密實型應力吸收層的材料組成設計

1.1 骨架密實型應力吸收層設計原理

桂柳高速公路路面改造工程中使用的應力吸收層SAC10，借鑒柳南高速公路路面改造工程應力吸收層材料設計的相關經驗并做進一步優化，采用基于路用性能均衡的應力吸收層材料“四控制點”設計方法開展應力吸收層AC-10的目標配合比設計工作[4]。該方法的主要原理是：(1)選擇最緊密嵌擠狀態下的油石比作為確定最佳油石比的第一控制點，以協調抗變形能力和抗車轍能力；(2)選擇析漏試驗損失率拐點處的油石比作為確定最佳油石比的第二控制點，控制應力吸收層瀝青混合料的最大瀝青用量以保證施工和易性；(3)在第一、第二控制點之間，開展0 ℃低溫小梁彎曲試驗、60 ℃車轍試驗，分別獲得滿足彎曲應變要求的第三控制點和滿足高溫穩定性要求的第四控制點；(4)綜合混合料的體積指標、緊密狀態、變形適應性、高溫穩定性以及施工和易性，最終確定應力吸收層適用的最佳油石比，并據此開展路用性能驗證。

1.2 桂柳高速公路應力吸收層目標配合比設計結果

根據上述原理，針對桂柳高速公路路面2標所使用的原材料開展目標配合比的相關設計工作，設計級配曲線如表1所示[5-6]。所確定的各檔冷料倉比例為5～10 mm碎石∶0～3 mm機制砂∶礦粉=65∶28.5∶6.5，最佳油石比為6.2%。體積指標和路用性能驗證結果如下頁表2和表3所示。從設計結果來看，桂柳高速公路路面2標的應力吸收層SAC10能夠滿足相關的設計要求。

表1 桂柳高速公路路面2標應力吸收層目標配合比設計級配表

表2 桂柳高速公路路面2標應力吸收層目標配合比體積指標設計成果表

表3 桂柳高速公路路面2標應力吸收層目標配合比路用性能試驗結果表

2 動態復模量試驗方法

為了全面評價骨架密實型應力吸收層SAC10的動態復模量特性及其影響因素，本文選擇桂柳高速公路路面2標中使用的骨架密實型應力吸收層SAC10，采用SPT試驗設備開展相應的動態特性試驗，研究不同試驗條件對應力吸收層混合料動態復模量的影響規律[7]。

SPT試件制備時，使用桂柳高速公路2標的設計成果，采用SGC旋轉壓實儀成型圓柱體試件，再通過鉆芯取樣切割的方式制備得到。為了對比分析不同試驗條件下的動態復模量結果，本文研究不同應變水平、圍壓荷載、試驗頻率、試驗溫度下的動態特性試驗。其中應變水平為20～100με，圍壓荷載為0～0.2 MPa，試驗頻率為0.01～25 Hz，試驗溫度為0 ℃～55 ℃。

3 不同影響因素下應力吸收層SAC10的動態復模量試驗結果分析

已有研究中，常常是固定一種應變水平，開展不同溫度和不同頻率下瀝青混合料的動態特性試驗，據此構造動態復模量主曲線。而實際上，應變水平、圍壓荷載水平的大小對于瀝青混合料的動態特性也存在著較大影響。因此，本研究主要針對這兩種試驗條件下應力吸收層SAC10的動態特性開展研究，以分析不同應變水平對動態復模量的影響規律。由于試驗溫度、荷載、頻率等試驗條件對瀝青混合料的動態特性影響研究較多，本文雖然開展了相關試驗工作，但不再將其作為研究和討論的重點。

3.1 不同應變水平下的動態復模量試驗結果分析

表4為不同應變水平下的動態復模量試驗結果，試驗頻率為10 Hz、圍壓荷載為0 MPa。由表4可以看出，應力吸收層SAC10的動態復模量數值隨著試驗的應變水平增加而逐漸增大，不同試驗溫度下均存在這種相同的單調遞增變化趨勢。只是在溫度較低時，隨著應變水平的增加，動態復模量數值的增量較小，如在0 ℃時，最大應變下的模量數值與最小應變下的模量數值相比，增幅僅為1.7%；而在溫度較高時，隨著應變水平的增加，動態復模量的增量變大，如在55 ℃時，最大應變下的模量數值與最小應變下的模量數值相比，增幅已達23%，變化十分明顯。

表4 不同溫度和應變水平下的動態復模量試驗結果表

這種現象表明，應力吸收層SAC10的動態復模量數值受試驗的應變水平影響較大，瀝青混合料存在顯著的荷載依賴特性，這與傳統意義上認為的瀝青混合料為線性粘彈性材料，動態復模量不受應變水平影響的認識有一定差別，應將應力吸收層SAC10視作一種非線性粘彈性材料來看待。這主要是由于本文所研究的桂柳高速公路骨架密實型應力吸收層SAC10是一種富瀝青含量的瀝青混合料，因瀝青含量較高使得瀝青混合料具有更顯著的粘彈性材料性質，其動態特性受外力荷載的影響更加顯著，從而表現出動態復模量隨著荷載(應變水平)的增大而逐漸增大的試驗規律。當溫度較低時，這種非線性粘彈性特征不太顯著，即最大應變下的模量數值與最小應變下的模量數值相比增幅較小；而當溫度較高時，這種非線性粘彈性特征就變得十分顯著，即表現為最大應變下的模量數值與最小應變下的模量數值相比增幅較大的試驗現象。由于這種動態復模量的非線性荷載依賴性現象的存在，因此在開展應力吸收層混合料的動態特性試驗時，應保證試件處在合理的受力狀態范圍內，使用合理的荷載水平開展相關試驗，以保證試驗結果的準確性和可對比性。綜合本文的相關試驗結果，試驗的應變水平建議為60～80με。

3.2 不同圍壓荷載下的動態復模量試驗結果分析

應力吸收層在路面結構內部實際上處于一種三向受壓的受力狀態，上述研究是在無圍壓條件下開展的動態特性試驗，而為了與應力吸收層在路面結構中的實際服役狀態相匹配，研究含有圍壓荷載條件的動態復模量才更具有工程意義。為此，本文開展了不同圍壓荷載下的應力吸收層混合料動態特性試驗，分析圍壓荷載對SAC10瀝青混合動態復模量的影響規律。詳見表5。

表5 不同溫度和圍壓荷載下的動態復模量試驗結果表

表5為不同溫度圍壓荷載下的動態復模量試驗結果，荷載頻率為10 Hz、應變水平為60με。由表5可以看出，當溫度較低時，應力吸收層SAC10的動態復模量數值基本不受圍壓的影響，數值相差不大；而隨著溫度的升高，動態復模量數值隨著圍壓荷載的增加而逐漸變大。如在0 ℃～20 ℃時，圍壓荷載為0.2 MPa下的動態復模量數值與0 MPa圍壓荷載下的數值基本相同；而在55 ℃時，圍壓荷載為0.2 MPa下的動態復模量數值與0 MPa圍壓荷載下的數值相比增大許多，增幅達到100%以上。這種現象表明，當溫度較高時，試驗的圍壓荷載對應力吸收層SAC10的動態復模量數值存在較大影響，當溫度較低時影響不大。考慮到應力吸收層在路面結構中服役時，要經歷一年四季的溫度變化，當夏季溫度較高時，如果不考慮圍壓荷載，則應力吸收層的模量數值較低，這時按此開展路面結構計算和力學分析，受力結果會十分不利。但實際上，由于實體路面結構處于一種三向受力狀態，為了保證路面結構計算更加符合實際情況，應按照應力吸收層所處的真實受力環境，考慮其所承受的圍壓荷載條件進行材料動態復模量的參數取值，之后再進行路面力學計算才更加合理。綜合本文的相關試驗結果，當溫度>20 ℃時，試驗的圍壓荷載水平建議為0.1～0.15 MPa。

3.3 現行設計規范條件下的骨架密實型應力吸收層復模量推薦數值

2017年我國頒布了新版的《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)，其中對路面結構計算中瀝青混合料的動態模量取值條件進行了規定。按照規范中的要求，對于本文所使用的骨架密實型應力吸收層SAC10混合料而言，其動態復模量應取試驗溫度為20 ℃、加載頻率為10 Hz下的試驗結果，結合前文的分析結論，動態復模量試驗的應變水平取60με，由于溫度為20 ℃，圍壓荷載取0.1 MPa。按此條件，結合本文的試驗結果，桂柳高速公路使用的骨架密實型應力吸收層SAC10在進行路面結構計算時，動態復模量數值為8 642 MPa。考慮到試驗的可靠性和復現性，對于國內采用同類型骨架密實型應力吸收層混合料時，動態復模量取值范圍建議為8 000～9 000 MPa。

4 結語

為了獲得骨架密實型應力吸收層SAC10混合料的動態復模量，本文以桂柳高速公路路面2標使用的應力吸收層為研究對象，通過不同試驗條件下的動態特性試驗，研究了應變水平和圍壓對應力吸收層動態復模量的影響，結合現行設計規范給出了適用于骨架密實型應力吸收層材料的動態模量取值范圍，為路面結構分析和設計提供了相應的計算參數。