瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)測模型的驗證與分析研究*

樊向陽 羅 蓉 馮光樂 劉涵奇

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2) 武漢 430063)

瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)測模型的驗證與分析研究*

樊向陽1)羅 蓉1)馮光樂2)劉涵奇1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (湖北省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2)武漢 430063)

測定了2種典型級配類型的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料的動態(tài)模量，利用NCHRP 1-37A模型和NCHRP 1-40D模型對瀝青混合料的動態(tài)模量進行預(yù)測，對比2種預(yù)測模型對不同種類瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)測的準(zhǔn)確性，針對NCHRP 1-37A模型對改性瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)測效果不理想的問題，對NCHRP 1-37A模型進行了修正.結(jié)果表明，NCHRP 1-40D模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測基質(zhì)瀝青混合料的動態(tài)模量，修正后的NCHRP 1-37A模型可以較好地預(yù)測改性瀝青混合料動態(tài)模量.

動態(tài)模量；NCHRP 1-37A模型；NCHRP 1-40D模型；模型修正

動態(tài)模量是瀝青混合料的重要性能參數(shù)，它是動態(tài)荷載作用下軸向應(yīng)力幅值與應(yīng)變幅值的比值，決定了瀝青混合料在特定溫度和加載頻率下的應(yīng)變響應(yīng).力學(xué)-經(jīng)驗法設(shè)計指南(mechanistic-empirical pavement design guide，MEPDG)主要是基于材料的力學(xué)性質(zhì)，并聚焦于動態(tài)模量來表述瀝青混合料的各類損傷[1].

動態(tài)模量通過2種方法獲得：①按照美國國有公路運輸管理員協(xié)會(american association of state highway and transportation officials，AASHTO)TP62-07方法實測瀝青混合料的動態(tài)模量，并繪制動態(tài)模量主曲線；②按照MEPDG中的動態(tài)模量預(yù)測方程計算獲取.在MEPDG中，針對級別2和級別3有2個不同的動態(tài)模量預(yù)測模型：①基于瀝青旋轉(zhuǎn)粘度的NCHRP(the national cooperative highway research program)1-37A模型；②基于瀝青剪切模量的NCHRP 1-40D模型.

國外學(xué)者對2種預(yù)測模型行了對比研究，Robbins等[2]的研究發(fā)現(xiàn)NCHRP 1-37A模型的預(yù)測準(zhǔn)確性要高于NCHRP 1-40D模型，同時指出NCHRP 1-40D模型對動態(tài)模量的高估程度達到了61%；而Azari等[3]的研究則表明，NCHRP 1-40D模型的預(yù)測準(zhǔn)確性更高.國內(nèi)學(xué)者對NCHRP 1-37A模型有較多的研究，胡旭東等[4]的研究指出開發(fā)NCHRP 1-37A模型所使用的數(shù)據(jù)庫大部分來源于非改性瀝青混合料，聚合物改性瀝青的數(shù)據(jù)點很少；耿立濤等[5]的研究發(fā)現(xiàn)NCHRP 1-37A模型經(jīng)過修正后可以有效的預(yù)測橡膠改性瀝青混合料的動態(tài)模量.

文中將以國內(nèi)常用的瀝青混合料類型為研究對象，對SBS改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進行對比研究，研究2個模型對瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)測的準(zhǔn)確性，確定2個模型對國內(nèi)常用瀝青混合料類型的適應(yīng)程度.

1 預(yù)測模型

1.1 基于旋轉(zhuǎn)粘度的NCHRP 1-37A模型

NCHRP 1-37A模型是預(yù)期溫度、礦料級配、空隙率、有效瀝青含量、加載頻率，以及瀝青旋轉(zhuǎn)粘度的方程，模型的形式與Sigmoid函數(shù)一致，即

(1)

NCHRP 1-37A預(yù)測模型中的瀝青旋轉(zhuǎn)粘度η由粘溫曲線關(guān)系預(yù)測得到，粘溫曲線關(guān)系為

lglgη=A+VTSlgTR

(2)

式中：η為瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度，mPa·s；TR為測試溫度，°R；A為粘溫曲線回歸截距；VTS為粘溫曲線回歸斜率.

1.2 基于剪切模量的NCHRP 1-40D模型

NCHRP 1-40D模型由Bari等[6]提出，該模型用剪切模量和相位角描述瀝青的性質(zhì)，因此NCHRP 1-40D模型與Superpave中的PG分級體制具有更好的兼容性.模型同樣遵循Sigmoid模型的形式，即

(3)

NCHRP 1-40D模型中的瀝青剪切模量和相位角通過式(4)～(10)共同確定.

(4)

(5)

(6)

(7)

lglgηfs,T=A′+VTS′lgTR

(8)

δ=90+(-7.314 6-2.616 2VTS′)×

lg(fs×ηfs,T)+(0.112 4+0.202 9VTS′)×

(9)

(10)

2 動態(tài)模量試驗與預(yù)測

文中所使用的瀝青混合料包含以下4種類型：AC-13C輝綠巖70#基質(zhì)瀝青混合料、AC-13C輝綠巖SBS改性瀝青混合料、AC-20C石灰?guī)r70#基質(zhì)瀝青混合料及AC-20C石灰?guī)rSBS改性瀝青混合料，每種類型包含2個平行試驗試件.

2.1 動態(tài)模量試驗

瀝青混合料采用旋轉(zhuǎn)壓實儀壓實成直徑×高度為150mm×170mm的圓柱體，鉆芯切割成直徑×高度為100mm×150mm的圓柱體試件用于動態(tài)模量測試.動態(tài)模量試驗按照AASHTOTP62-07試驗方法進行，試驗在-10，4.4，21.1，37.8，54.4 ℃下進行，每個溫度下測試6個頻率，分別是0.1，0.5，1.0，5.0，10，25Hz.每個試件的側(cè)面均布3個豎向的LVDT位移傳感器，以測定加載時試件產(chǎn)生的應(yīng)變.試驗過程按照從低溫到高溫、從高頻到低頻的順序進行.

2.2 模型輸入?yún)?shù)

2種級配的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料具有相同的設(shè)計級配和體積指標(biāo)參數(shù)，見表1.

表2 瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度試驗結(jié)果

表3 瀝青的DSR試驗結(jié)果

圖1 瀝青的粘溫曲線關(guān)系

2.3 預(yù)測模型準(zhǔn)確性分析及修正

圖2 瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)測值與實測值的關(guān)系圖

(11)

文中首先將改性瀝青的116個動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)隨機均分為2部分，第1部分的58個數(shù)據(jù)用于NCHRP1-37A模型的修正，第2部分的58個數(shù)據(jù)用于檢驗修正后的修正NCHRP1-37A模型的準(zhǔn)確性，即

(12)

SBS改性瀝青混合料動態(tài)模量通過修正后的NCHRP1-37A模型進行動態(tài)模量預(yù)測，實測值與預(yù)測值之間的關(guān)系見圖3.修正后的NCHRP1-37A模型的R2=0.929.

圖3 修正后的NCHRP 1-37A模型預(yù)測值與實測值的關(guān)系圖

3 結(jié) 論

1) NCHRP 1-40D模型在預(yù)測基質(zhì)瀝青混合料動態(tài)模量時具有較好的準(zhǔn)確性，可直接用作動態(tài)模量的預(yù)測；

2) 對NCHRP 1-37A模型進行修正后，可以較好的預(yù)測改性瀝青混合料的動態(tài)模量.

[1]OFFICIALS T. Mechanistic-empirical pavement design guide: a manual of practice[S]. Dissertations & Theses-Gradworks，2008.

[2]ROBBINS M M, TIMM D H. Evaluation of dynamic modulus predictive equations for southeastern united states asphalt mixtures[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board,2011(1):122-129.

[4]胡旭東,張起森,范勇軍.HMA動態(tài)模量Witczak和Hirsch預(yù)測模型[J].中外公路,2006(6):204-207.

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

[6]BARI J, WITCZAK M W, YOU Z, et al. Development of a new revised version of the witczak e predictive model for hot mix asphalt mixtures[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists,2006,75:381-424.

Validation and Analysis of Dynamic Modulus Prediction Model of Asphalt Mixture

FAN Xiangyang1)LUO Rong1)FENG Guangle2)LIU Hanqi1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(DivisionofEngineeringQualitySupervision,DepartmentofTransportationofHubeiProvince,Wuhan430063,China)2)

In this paper, the dynamic modulus of two typical types of matrix asphalt (unmodified-asphalt mixture) and SBS-modified-asphalt mixture are determined. By using NCHRP 1-37A model and NCHRP 1-40D model, the dynamic modulus of asphalt mixtures is predicted, and the prediction accuracy of two prediction models for different types of asphalt mixture is compared. In view of the problem that the prediction accuracy of NCHRP 1-37A model for SBS-modified-asphalt mixture is unsatisfactory, the NCHRP 1-37A model is revised. Results show that the NCHRP 1-40D model could predict the dynamic modulus of unmodified-asphalt mixture accurately and the accuracy of NCHRP 1-37A model for SBS-modified-asphalt mixture is further enhanced by introducing a local calibration factor.

asphalt pavements; dynamic modulus; NCHRP 1-37A model; NCHRP 1-40D model; revised model

2017-01-03

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目資助(2015CB060100)

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.024

樊向陽(1990—)：男，博士生，主要研究領(lǐng)域為道路與橋梁工程