瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響因素試驗(yàn)研究

張　奎，劉　玉，樊偉民

瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響因素試驗(yàn)研究

張奎1，劉玉2，樊偉民3

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)道路教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3.陜西渭南公路管理局白水公路段，陜西渭南 714000）

為更好地掌握瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)隨溫度和時(shí)間的變化規(guī)律，文章采用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）測(cè)試了4種不同級(jí)配、不同空隙率的瀝青混合料在不同試驗(yàn)溫度、不同加載頻率條件下的動(dòng)態(tài)模量。結(jié)果表明：瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量隨溫度的升高而降低，隨頻率的增加而增大；低空隙率、級(jí)配良好的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量相對(duì)較高，性能較好。

瀝青混合料；動(dòng)態(tài)模量；簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)；空隙率；級(jí)配

瀝青路面暴露在空氣中，直接受到車輛、氣候等因素不斷變化的作用，尤其是路面結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下主要表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)加載效應(yīng)，但是目前路面設(shè)計(jì)模型僅考慮靜力模型［1-2］。路面實(shí)際受力狀態(tài)與路面設(shè)計(jì)方法之間，存在著模型與參數(shù)方面的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、彈性與粘彈性之間的不同。動(dòng)態(tài)模量是表征瀝青混合料粘彈性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)。與靜態(tài)模量相比，以動(dòng)態(tài)模量表征瀝青混合料的材料特性能更好地接近路面的工作狀態(tài)［3-5］。因此從路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)出發(fā)，深入研究瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量及動(dòng)態(tài)特性具有十分重要的意義。

瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)是研究混合料試件在不同溫度、不同荷載作用頻率以及不同加載方式下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以較好地了解瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)隨溫度和時(shí)間的變化規(guī)律［6］。本文采用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）對(duì)4種類型瀝青混合料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，測(cè)試了4種級(jí)配、空隙率的瀝青混合料在不同試驗(yàn)溫度、不同加載頻率條件下的動(dòng)態(tài)模量。

1　原材料參數(shù)

本文根據(jù)Superpave混合料設(shè)計(jì)規(guī)范試驗(yàn)選用4種工程上常用的級(jí)配，分別記為級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3、級(jí)配4，其級(jí)配曲線如圖1所示。瀝青膠結(jié)料采用滿足PG64-28和PG64-22技術(shù)指標(biāo)的基質(zhì)瀝青，其中級(jí)配1和2采用PG64-22，級(jí)配3和4采用PG64-28；所用礦料均相同。

圖1　瀝青混合料級(jí)配曲線圖

2　試驗(yàn)與結(jié)果分析

研究采用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）對(duì)4種瀝青混合料進(jìn)行不同加載頻率和溫度下的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，研究溫度、頻率、級(jí)配和空隙率對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響。該試驗(yàn)可以得到3個(gè)參數(shù)，分別為復(fù)數(shù)模量E*、動(dòng)態(tài)模量和相位角。復(fù)數(shù)模量E*是一個(gè)復(fù)數(shù)，用來描述像瀝青混合料此類粘彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。動(dòng)態(tài)模量是復(fù)數(shù)模量E*的絕對(duì)值（即模），用來反映粘彈性材料抗變形的能力。相位角φ是用來描述材料彈性部分和粘性部分的相對(duì)大小。在實(shí)際中，相位角一般位于10°～45°，隨著材料粘性增加，相位角也逐漸增加［5］。

本試驗(yàn)試件成型采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式，初始試件為150 mm×170 mm的圓柱體試件，室溫養(yǎng)生24 h后，再鉆取100 mm×150 mm的芯樣進(jìn)行試驗(yàn)。每種級(jí)配成型3組不同空隙率的試件，分別為4%、7%、10%；每組3個(gè)平行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用正弦應(yīng)力控制的加載方式進(jìn)行加載，不施加圍壓，試件加載次數(shù)相同，試驗(yàn)溫度從低溫到高溫分別為-5 ℃、4 ℃、13 ℃、21.3 ℃、39.2 ℃，每種溫度條件下采用6個(gè)不同的加載頻率為0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz。試驗(yàn)順序由低溫到高溫、由高頻到低頻，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

通過分析可以得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于4種級(jí)配的混合料來說，溫度相同時(shí)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量均隨加載頻率的升高而增大。這是因?yàn)楫?dāng)頻率增大時(shí)，前一個(gè)或者若干個(gè)加載應(yīng)力積累的能量不能在一瞬間釋放，因此，加載頻率越高，積累的能量越多，表現(xiàn)出來的彈性特性越加明顯，動(dòng)態(tài)模量增加；但增大的幅度隨著溫度的升高而略有減緩，而后趨于平緩。溫度相同時(shí)，當(dāng)加載頻率由0.1 Hz增長(zhǎng)到5 Hz時(shí)，動(dòng)態(tài)模量的增加幅度很明顯，而當(dāng)頻率由5 Hz經(jīng)10 Hz增加到25 Hz時(shí)增加的趨勢(shì)趨于平緩。這說明當(dāng)加載頻率到達(dá)一定程度后不會(huì)隨著加載頻率的增加而無限制的增大。這主要是因?yàn)楫?dāng)加載平率很高時(shí)，混合料不再具有明顯的粘彈性性質(zhì)，此時(shí)材料本身的性質(zhì)對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響更加顯著。

圖2　4種級(jí)配混合料在不同溫度不同頻率下動(dòng)態(tài)模量比較（4%空隙率）

（2）溫度是影響瀝青路面性能的重要因素。頻率相同時(shí)，隨著溫度的升高，混合料的動(dòng)態(tài)模量降低。這是因?yàn)榧虞d頻率一定時(shí)，溫度的升高使得瀝青混合料主要表現(xiàn)為粘彈性材料，在應(yīng)力的作用下，混合料骨架結(jié)構(gòu)的變形愈加明顯，吸收了一部分能量，回彈能力降低，動(dòng)態(tài)模量降低。

（3）空隙率對(duì)混合料的動(dòng)態(tài)性能有著重要的影響。由圖3可知，隨著空隙率的增加（從4%增加至10%），瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量逐漸減小。這是由于空隙的增加使得瀝青混合料密實(shí)度減小，無法填充于骨架結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致了混合料強(qiáng)度的減小，進(jìn)而使得瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量E*減?。ㄆ渌?jí)配混合料也有相同規(guī)律）。

圖3　不同級(jí)配下空隙率對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響（21.3 ℃）

（4）組成混合料的級(jí)配對(duì)瀝青混合料的路用性能有著直接的影響。級(jí)配對(duì)空隙率的影響與混合料的級(jí)配也有著很大的關(guān)系，粗集料的含量與空隙率成正比，細(xì)集料的含量與空隙率成反比。本文研究空隙率（4%）、溫度（21.3 ℃）加載頻率（10 Hz）相同的情況下，礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4　不同級(jí)配混合料動(dòng)態(tài)模量比較（21.3 ℃，10 Hz，空隙率4%）

根據(jù)貝雷法礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法的思想，對(duì)于最大公稱粒徑為12.5 mm的級(jí)配，粗集料關(guān)鍵篩孔為2.36 mm；對(duì)于最大公稱粒徑為19 mm的級(jí)配，粗集料關(guān)鍵篩孔為4.75 mm。由圖1可見，4種級(jí)配均為“S”型曲線。其中級(jí)配4為粗粒式瀝青混合料，這種級(jí)配的瀝青混合料粗集料占絕大部分，構(gòu)成豐富的骨架結(jié)構(gòu)，高溫性能較好；由圖4可以看出該級(jí)配混合料動(dòng)態(tài)模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他級(jí)配的瀝青混合料。結(jié)合圖1和圖4可以看出，級(jí)配1和級(jí)配2構(gòu)成的混合料結(jié)構(gòu)非常相似，動(dòng)態(tài)模量也相差不大。級(jí)配3的級(jí)配曲線相對(duì)比較平滑，屬于連續(xù)性細(xì)粒式瀝青混合料，由于細(xì)集料相對(duì)較多，骨架結(jié)構(gòu)相對(duì)其他級(jí)配的混合料不夠豐富，因此動(dòng)態(tài)模量就比較小。

3　結(jié)論

（1）瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量在頻率不變時(shí)，隨溫度的升高而逐漸降低；溫度不變時(shí)，隨頻率的增加而增大，但不會(huì)無限制增大。

（2）空隙率影響瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的變化，當(dāng)空隙率增大時(shí)，混合料的動(dòng)態(tài)模量減小，因此設(shè)計(jì)瀝青混合料時(shí)要滿足空隙率的要求。

（3）瀝青混合料的礦料級(jí)配組成也影響著動(dòng)態(tài)模量，粗集料較多，骨架結(jié)構(gòu)豐富，混合料的動(dòng)態(tài)模量就較大；另一方面，級(jí)配也影響混合料空隙率的大小，因此合理調(diào)整級(jí)配和控制空隙率的大小在混合料設(shè)計(jì)方面至關(guān)重要。

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［3］耿立濤，楊新龍，任瑞波，等.穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量預(yù)估［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2013（4）：720-724.

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Experimental Investigation on Influenced Factors for Asphalt MixtureDynamic Modulus

Zhang Kui1， Liu Yu2， Fan Weimin3
（1. School of Highway， Chang' an University， Xi'an 710064， China；2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education， Chang'an University， Xi'an 710064， China；3. The Baishui Highway Section of Weinan Highway Administration， Weinan 714000， China）

In order to understand the mechanical properties of asphalt mixture changing with temperature and time variation，simple performance test machine （SPT） is used to test the dynamic modulus of asphalt mixture with different gradation and void ratio respectively at different temperatures and loading frequencies. The results indicate that dynamic modulus of asphalt mixture decreases with the rise of temperature and increases with the increase of frequency； the dynamic modulus of asphalt mixture with low porosity and good gradation is relatively high and the mixture performance is better.

asphalt mixture； dynamic modulus； simple performance test machine； void ratio； gradation

U414

A

1672-9889（2015）01-0004-03

博士后基金特別資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012M521730）；博士后基金項(xiàng)目面上資助（項(xiàng)目編號(hào)：2013T60870）

張奎（1988-），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈缆放c鐵道工程。

（2014-05-21）