高模量瀝青混凝土動態參數試驗研究

崔世萍

（山東省交通科學研究院,山東 濟南 250102）

0 引言

近年來，隨著經濟社會的快速發展，道路交通量大幅增加，對道路的承載能力提出了更高的要求。因此，國內外對高模量瀝青混凝土的研究、開發和應用越來越重視。高模量瀝青混凝土具有較好的抗高溫變形能力，能夠對路面的抗車轍和抗疲勞性能進行有效地改善，進而提升路面的耐久性，增加道路的服役時間，帶來了良好的經濟和社會效益。

1 試驗方案

采用石灰巖集料、石灰巖磨制礦粉和不同種類的瀝青，按AC-13 級配類型進行配合比設計，在此基礎上，對相應混合料進行簡單性能試驗，四點梁疲勞試驗和漢堡輪轍試驗。

2 材料

2.1 瀝青

該研究用外摻法對阿爾及利亞40 號瀝青進行改性，其主要技術指標見表1。高模量瀝青采用阿爾及利亞40號瀝青加SBS 瀝青、巖瀝青改性，SBS 摻量4%，巖瀝青摻量7.5%，利用高速剪切乳化機剪切，剪切速率為5 000 r/min，時間持續30~40 min，以添加劑完全融化為準。

表1 瀝青主要技術指標

2.2 配合比設計

采用10~20 mm、5~10 mm、3~5 mm、0~3 mm 四種規格的集料，技術指標性能滿足規范要求。采用AC-13級配類型，按照馬歇爾設計法，進行配合比設計，設計級配見表2。設計最佳瀝青含量為5.8%，設計空隙率為4.5%。

表2 設計級配

3 試驗結果及分析

3.1 動態模量試驗

按AASHTO TP62-03 規范[1]，首先采用旋轉壓實成型的方法，成型高度為16.5~17.5 cm 的試件，采用取芯機從成型好的試件中取出Φ100 mm 直徑的芯樣，然后用雙面鋸切出滿足高度要求的試件，進行測試，其標準尺寸為Φ100 mm×150 mm。用SPT 簡單性能試驗儀測試，采用4 ℃、15 ℃、35 ℃ 、50 ℃四個試驗溫度，25 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz、2 Hz 、1 Hz、0.5 Hz、0.2 Hz、0.1 Hz、0.01 Hz 十個加載頻率，測定動態模量和相位角，結果見圖1~2。

圖1 不同溫度高模量瀝青混凝土動態模量

從圖2 可以看出，溫度及加載頻率對高模量瀝青混凝土的動態模量和相位角大小有顯著的影響[2]。隨著溫度的升高和荷載頻率的降低，材料的動態模量會逐漸減小。反之，溫度下降或者荷載頻率增加，材料的動態模量則會逐漸增加。隨加載頻率的增加動態模量先快速增長而后緩慢增長。即高溫時或者溫度升高過程中，動態模量受加載頻率的影響更為顯著；溫度為50 ℃時，動態模量與加載頻率關系曲線隨加載頻率的變化而變小。

圖2 不同溫度高模量瀝青混凝土相位角

溫度和頻率對相位角的影響規律：溫度較低時瀝青混合料的相位角隨著荷載頻率的增加而減小，溫度較高時，相位角隨著荷載頻率的增加先增大后減少[2]；即在溫度4 ℃、15 ℃和35 ℃時，當加載頻率增加時，相位角逐漸減小；在溫度50 ℃時，當加載頻率增加時，相位角先增大后減少。

根據法國高模量瀝青混凝土的技術要求，在溫度15 ℃、頻率10 Hz 加載條件下，瀝青混合料的動態模量應達到14 000 MPa。高模量瀝青混凝土在15 ℃，10 Hz 加載條件下，動態模量為20 895 MPa，高于技術要求的1.5 倍，說明設計的高模量瀝青混凝土動態模量遠高于法國高模量瀝青混凝土的規范要求。

從圖3 看出，高模量瀝青混凝土在各個溫度點處的動態模量值明顯高于40 號瀝青混合料，提高的幅度基本呈現出隨溫度升高而逐漸減小的趨勢，瀝青混合料的力學性能得到顯著提高。

圖3 10 Hz 加載頻率動態模量比較

3.2 重復加載蠕變試驗

重復加載蠕變試驗方法：在一定溫度條件下，采用半正弦周期荷載，對瀝青混合料試件施加的0.1 s 間隙0.9 s 的荷載，同時記錄加載時間及加載次數對應的軸向永久變形。為了消除接觸面摩擦對試件結果和精度的影響，在試件的上下表面墊上一層光滑的聚四氟乙烯塑料薄膜。旨在提高實驗數據的準確性。

該研究采用50 ℃，600 kPa 軸向應力，進行重復加載蠕變試驗。當最大重復荷載作用次數20 000 次，或達到最大變形為50 000 微應變，試驗就會自動停止[3]。試驗結果如圖4 所示。

圖4 50 ℃、600 kPa 下兩種瀝青混合料流動數

通過對比可知，高模量瀝青混凝土能夠顯著提高混合料的流動數，提高瀝青混合料的高溫性能和抗永久變形能力。

3.3 四點梁疲勞試驗

按AASHTO T321 規范，采用四點梁疲勞試驗來評估瀝青混合料的疲勞性能[4]。采用澳大利亞IPC 公司制造的氣動伺服疲勞試驗設備，可以準確控制試驗條件，實時獲取試驗數據，旨在探究不同應變控制水平對試件的影響。標準試件尺寸為385 mm×65 mm×50 mm；選擇260 με、400 με、800 με 3 個不同應變控制水平進行試驗。試驗溫度均為30 ℃，加載波形為半正矢波，加載頻率10 Hz。由于試驗周期較長，僅測試了高模量瀝青混凝土3 個應變水平，試驗結果匯總見表3。

表3 疲勞測試結果

從表4 可知，在260 με、400 με、800 με 下，隨加載次數的增加其勁度模量均逐漸減小。在加載初始階段，勁度模量的衰減速度較快，并且會伴隨著加載次數的增加，勁度模量的衰減速率會逐漸趨于平穩，直到出現了疲勞破壞，具有一定的規律性。可見隨著應變水平的增加，試件變形增大的速度就會越快，對疲勞壽命產生不利的影響，并隨著加載次數的增加，豎向變形也會逐漸增大。從表5可以看出，疲勞壽命與應變水平存在良好的相關性。

表4 疲勞方程與相關系數

表5 德克薩斯州漢堡輪轍試驗指標[5-6]

根據法國關于高模量瀝青混凝土的標準的有關規定，在溫度15 ℃，頻率10 Hz，控制應變230 με 條件下瀝青混合料的疲勞壽命不低于100 萬次。高模量瀝青混凝土在溫度30 ℃，頻率10 Hz 控制應變400 με 下，疲勞壽命超過100 多萬次，表明高模量瀝青混凝土滿足法國高模量瀝青混凝土規范的要求，表明設計的高模量瀝青混凝土具有較高的抗疲勞性。

3.4 漢堡輪轍試驗

該研究采用漢堡輪轍試驗來評估瀝青混合料的水穩定性和抗車轍性。根據美國國家瀝青中心（NCAT）對密級配瀝青路面的水損害、車轍與漢堡輪轍試驗相關性的研究結果，建議在碾壓10 000 次時最大變形深度不應超過4 mm，而在碾壓20 000 次時，最大變形深度不應超過10 mm[5]。德克薩斯州交通部（TxDOT）公路施工及維護規范根據瀝青膠結料PG 分級提出相應的指標要求[6]，如表5 所示。通過采用旋轉壓實成型的方法，得到圓柱形試件，然后將其切割成標準試件進行測試。結果如表6。

表6 漢堡輪轍試驗

從漢堡輪轍試驗可以看出，兩種瀝青混合料的變形基本一致，且都未出現剝落拐點，說明瀝青混合料均具有較強的抗水損害能力。高模量瀝青混凝土較40 號瀝青混合料表現出更好的高溫穩定性和水穩定性。兩種瀝青混合料的試件在碾壓10 000 次和碾壓20 000 次時，最大變形深度不超過4 mm，具有較強的抗高溫車轍性能，完全滿足德克薩斯州的漢堡輪轍試驗要求，并且不超過美國國家瀝青中心（NCAT）的輪轍變形的推薦值[5-6]。

4 結論

通過對動態模量、重復加載蠕變、四點梁疲勞及漢堡輪轍試驗結果的分析，可以得到如下結論：

（1）通過動態模量和重復加載蠕變試驗，高模量瀝青混凝土對于常用瀝青混合料可以明顯提升瀝青路面的力學性能，能夠提高路面結構抗變形能力。

（2）通過動態模量試驗，高模量混凝土的動態模量在中頻或低頻范圍內較高。在溫度15 ℃，頻率10 Hz 加載條件時，表明高模量瀝青混凝土動態模量遠高于法國高模量瀝青混凝土的規范要求。

（3）高模量瀝青混凝土的疲勞壽命與應變水平呈現出較好的相關性，在溫度30 ℃，頻率10 Hz 控制應變400 με 下，疲勞壽命超過100 萬次，說明高模量瀝青混凝土滿足法國高模量瀝青混凝土的規范要求，具有較高的抗疲勞性。

（4）通過添加外摻劑的方法，使用性能良好的低標號瀝青，可以提高高模量瀝青混凝土的耐高溫抗車轍性能、抗水損害能力、抗永久變形能力和抗疲勞性能，從而延長其道路的服役時間，延長路面使用和維修周期，進而降低維修成本。