瀝青混合料模量特性試驗分析

崔 頔

(遼寧省交通建設(shè)投資集團有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

瀝青混合料的模量是瀝青路面結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵參數(shù)，對于瀝青路面結(jié)構(gòu)受力的準(zhǔn)確分析至關(guān)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(jié)構(gòu)層的力學(xué)反應(yīng)特性是不同的，而進行結(jié)構(gòu)層力學(xué)分析時，對應(yīng)的模量特性是準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)和前提。目前關(guān)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(guān)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(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)料

試驗用基質(zhì)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(jié)果見表1、表2。

表1 遼河90#石油瀝青試驗結(jié)果

表2 SBS改性瀝青試驗結(jié)果

1.2 礦料及合成繼配

集料選用優(yōu)質(zhì)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(zhì)。基本性能試驗結(jié)果如表4所示。

表4 “路寶牌”外摻劑基本性能試驗結(jié)果

2 試驗方法與設(shè)備

2.1 動態(tài)模量試驗方法

采用旋轉(zhuǎn)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(yù)壓，然后開始正式試驗，加載次數(shù)10次，取10次正式試驗結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

圖1 動態(tài)模量設(shè)備SPT

2.2 靜態(tài)模量試驗方法

采用旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)變水平，取三個應(yīng)變水平的模量值的平均值作為最終的試驗結(jié)果。

圖3 BFA小梁疲勞試驗儀

3 試驗結(jié)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(jié)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(zhì)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變水平，應(yīng)變水平越高，彎曲勁度模量的衰減速率越大；應(yīng)變水平越低，衰減速率越小。試驗結(jié)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(yīng)變疲勞過程中的力學(xué)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(jié)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(zhì)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(xué)性能。此外，隨著頻率的降低，SBS改性瀝青AC-20與基質(zhì)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(shè)計規(guī)范把靜態(tài)模量作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)生的應(yīng)力與荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)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(xué)響應(yīng)。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(xué)響應(yīng)，即動態(tài)模量。因此，進行路面結(jié)構(gòu)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(fēng)險，而緩行時，相當(dāng)于荷載頻率的降低，依據(jù)試驗結(jié)果，瀝青混合料的模量會大幅降低，路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變水平必然會大幅升高，導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)塑性損傷，因此當(dāng)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(jié)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(jié)語

通過試驗分析，得到以下初步結(jié)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(zhì)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(zhì)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(xué)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(yīng)變疲勞過程中的力學(xué)狀態(tài)變化，并由此推算其疲勞壽命。