冷拌冷鋪瀝青混合料動態(tài)模量及其主曲線研究

劉偉勝 ，李思童 ，黃玉穎 ，劉然 ，李林濤

（1.江西省高速公路投資集團，江西 南昌 330025；2.北京建筑大學 未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3.北京市交通委員會路政局房山公路分局，北京 102488；4.河南中原高速公路股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

冷拌冷鋪瀝青混合料是一種新型的綠色路面材料，其具有排放低、施工簡便的優(yōu)點，是未來道路材料主要的發(fā)展方向之一。在瀝青混合料實際使用過程中，主要承受的是反復的動態(tài)荷載，而瀝青混合料是一種黏彈塑性材料。其模量值與荷載作用時間、荷載和溫度等因素都有密切的關(guān)系。動、靜態(tài)模量可以較全面地評價冷拌冷鋪瀝青混合料的路用性能。本文選擇AC-13混合料級配類型，使用自主研發(fā)的溶劑型瀝青和SBS改性乳化型瀝青作為結(jié)合料配制2種冷拌冷鋪瀝青混合料，并對2種瀝青混合料的動、靜態(tài)模量及其主曲線進行了試驗與分析。

1 試 驗

1.1 原材料

結(jié)合料：自制的SBS改性乳化型瀝青和溶劑型瀝青，其主要性能如表1、2所示。

表1 SBS改性乳化型瀝青的主要性能

表2 溶劑型瀝青的主要性能

1.2 混合料級配

采用AC-13型冷拌冷鋪瀝青混合料，其級配[2]見表3。

表3 AC-13瀝青混合料的合成級配

SBS改性乳化型瀝青混合料的油石比為10%，拌和用水量為3%，水泥用量為1%；溶劑型瀝青混合料的油石比為7.5%。

2 冷拌冷鋪瀝青混合料動、靜態(tài)模量試驗

采用動態(tài)伺服液壓多功能材料試驗系統(tǒng)UTM-25（IPC）對2種冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量進行測試。根據(jù)時溫等效原理，對冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量進行擬合得到主曲線，該曲線可全面反映瀝青混合料對溫度和加載頻率的響應特性。

試驗中使用旋轉(zhuǎn)壓實方式成型圓柱體試件，使用鉆芯切割獲得直徑為（100±2）mm、高（150±2.5）mm 的動態(tài)模量試件。試驗溫度為15、30、45、60℃。各試驗溫度分別采用25.0、20.0、10.0、5.0、2.0、1.0、0.5、0.2、0.1Hz共 9 個加載頻率，得到相位角和動態(tài)模量。為了確保試件在加載范圍內(nèi)具有呈線性關(guān)系的應力應變，通常使用常應變控制方法進行動態(tài)模量試驗。采用正弦荷載，應變范圍為85～115 με。此外，由于條件限制，本試驗沒有對試件施加圍壓。

乳化型和溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量測試結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 不同加載頻率、不同溫度下的乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料動態(tài)模量

圖2 不同加載頻率、不同溫度下的溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料動態(tài)模量

由圖1和圖2可知：

（1）隨著加載頻率的增大，2種冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量呈現(xiàn)相同變化趨勢。影響冷拌冷鋪瀝青混合料動態(tài)模量的主要因素是溫度和頻率[3]。冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量隨溫度的升高而減小，隨加載頻率的降低而減小。

（2）頻率相同時，2種冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量均隨工作溫度升高而減小。這一情況解釋了夏季路面容易形成車轍；當試驗溫度相同時，加載頻率降低，動態(tài)模量減小，這與停車場、慢速車道等易形成車轍的情況相符。溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量變化率較大，當加載頻率為0.1 Hz，工作溫度從5℃升高到50℃時，其動態(tài)模量減小93.2%；乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量變化率較小，當加載頻率為25 Hz，工作溫度從5℃升高到50℃時，其動態(tài)模量僅減小為70.4%。

（3）溫度相同時，加載頻率越大，2種冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量也越高。工作溫度為20℃時，加載頻率從25 Hz到0.1 Hz，2種冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量值變化最大。

（4）相同溫度與加載頻率條件下，乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量大于溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料。當溫度為5℃，頻率為25 Hz時，乳化型的最高動態(tài)模量達到18 917 MPa。這是由于乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料中加入了水泥[4]，導致其動態(tài)模量高于溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料，具有較強的高溫穩(wěn)定性。

3 冷拌冷鋪瀝青混合料動態(tài)模量主曲線的建立與應用

瀝青混合料具有粘彈性材料的特性，因此溫度和荷載作用時間對其影響較大。動態(tài)模量試驗中，在方法和設(shè)備的限制下，延長觀測時間和擴大溫度區(qū)間并不現(xiàn)實，并且延長觀測時間與擴大溫度區(qū)間將造成試驗難以得出比較準確的結(jié)果。因此，可以通過實驗設(shè)備測試不同溫度條件下的動態(tài)模量。再根據(jù)時溫等效原理，平移曲線，得到參考溫度下的平滑曲線，即主曲線。瀝青路面的工作溫度區(qū)分為3種：當溫度低于5℃時是低溫區(qū)；溫度在5～45℃時是中溫區(qū)；溫度在45～85℃時是高溫區(qū)。參考主曲線可以得出不同服役溫度區(qū)內(nèi)瀝青混合料的性能特點。

冷拌冷鋪瀝青混合料的主曲線通過Sigmoidal函數(shù)得到，Sigmoidal函數(shù)如式（1）所示：

式中：|E*|——動態(tài)模量，MPa；ωγ——參考溫度下的荷載頻率，也稱為縮減頻率，Hz；δ、α、β、γ——回歸系數(shù)，其中 δ代表動態(tài)模量的最小值，δ+α代表動態(tài)模量的最大值，β、γ為描述西格摩德函數(shù)形狀的參數(shù)，取決于瀝青混合料的特性和δ、α的大小，擬合參數(shù)δ、α與集料級配、混合料組成、孔隙率有關(guān)。

運用時溫等效的關(guān)鍵在于求出移位因子α（T），式（2）為縮減頻率和時間-溫度平移因子的關(guān)系：

式中：ω——試驗時的加載頻率，Hz；T——荷載周期的溫度，℃；α（T）——移位因子，是溫度T的函數(shù)，可通過式（3）估算：

式中：a、b、c——無量綱常數(shù)，表征溫度與移位因子之間的關(guān)系。

由式（2）和式（3）可知，瀝青混合料高頻與低頻時的動態(tài)模量分別與低溫與高溫時相對應。高溫情況下動態(tài)模量較高，因此可降低混合料的壓、剪應變，抗車轍能力相應提高。低溫情況變形能力相對較弱，低溫病害頻發(fā)。乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的高溫性能和低溫性能較溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料較為優(yōu)越。

使用規(guī)劃求解得出20℃時Sigmoidal函數(shù)的各參數(shù)，并得出不同溫度下的移位因子，結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料的Sigmoidal函數(shù)擬合結(jié)果及移位因子

移位因子絕對值主要反映溫度對冷拌冷鋪瀝青混合料的影響。由表4可知，與溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料相比，乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料受溫度影響更大。

溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線方程為：

乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線方程為：

根據(jù)主曲線方程繪制動態(tài)模量主曲線，如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可見，當溫度為30℃時，乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料較溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量有明顯提升。據(jù)此表明，乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料與溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料相比，其抗永久變形能力較強[5]。

圖3 溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線

圖4 乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線

4 冷拌冷鋪瀝青混合料的靜態(tài)模量與動態(tài)模量對比分析

靜態(tài)模量可表征瀝青混和料的抵抗可恢復能力[6]。冷拌冷鋪瀝青混合料的靜態(tài)模量見表5。

表5 AC-13冷拌冷鋪瀝青混合料靜態(tài)模量測試結(jié)果

由表5可知，15℃和20℃時，乳化型瀝青混合料的靜態(tài)模量均大于溶劑型瀝青混合料。

在模擬行車荷載的過程中，經(jīng)常采用10 Hz作為加載頻率[7]。通過2種冷拌冷鋪瀝青混合料動態(tài)模量的主曲線方程，計算得到15℃時2種冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量?？箟夯貜椖Ａ繉陬l率較低時（0.01～0.1 Hz）的動態(tài)模量，因此計算0.01 Hz和0.1 Hz的動態(tài)模量，結(jié)果見表6。

表6 15℃不同頻率下AC-13冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量

由表6可見，根據(jù)主曲線計算出的動態(tài)模量，不同頻率下乳化型瀝青混合料的動態(tài)模量均高于溶劑型瀝青混合料，即乳化型瀝青混合料具有良好的高溫性能。

通過表5和表6對比可知：

（1）與實際的受力情況相比，在靜態(tài)模量的試驗過程中，其荷載是緩慢增加并且在一定加載級位下維持一段時間[8]。這與實際受力情況不同，實際路面結(jié)構(gòu)各層持續(xù)受動態(tài)荷載的作用，由于應力依賴性的存在，材料模量的測試結(jié)果受到一定程度影響。

（2）一般認為，靜態(tài)模量對應的是加載頻率為（0.01～0.1 Hz）的動態(tài)模量[3]。工作溫度為15℃時，溫拌瀝青混合料的動態(tài)模量均大于靜態(tài)模量。

（3）靜態(tài)模量試驗過程中，冷拌冷鋪瀝青混合料非線性變形時常發(fā)生，試件有破壞情況，這對模量值產(chǎn)生了影響。

在進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和瀝青混合料性能評價的過程中應選用動態(tài)模量作為評價指標。因為其試驗過程中加載方式與路面實際受力情況相近，能客觀地反映路面材料的實際響應特性。故動態(tài)模量可較為準確地表征瀝青混合料的黏彈性性質(zhì)。

5 結(jié)論

（1）冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量隨著工作溫度的提高或加載荷載降低而降低。

（2）乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量高于溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料，動態(tài)模量越高高溫性能越好。因此，乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料在高溫抗車轍性以及低溫抗變形能力方面與溶劑型冷拌冷鋪瀝青混合料相比更為優(yōu)越。

（3）工作溫度為15℃時，2種冷拌冷鋪瀝青混合料的動態(tài)模量較靜態(tài)模量高。

（4）動態(tài)模量能更好地體現(xiàn)冷拌冷鋪瀝青混合料的粘彈性特性，采用其作為冷拌冷鋪瀝青混合料的設(shè)計指標，能夠充分考慮到溫度和荷載頻率對瀝青混合料的影響。