半柔性復合混凝土動態(tài)模量主曲線研究

沈路

(內蒙古交通設計研究院有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000)

1 前言

中國現有路面結構大體可分為：瀝青路面和水泥混凝土路面。兩種路面結構具有各自的優(yōu)缺點，瀝青路面具有平整度高、行車舒適和抗滑性能好等優(yōu)點，但夏天易產生車轍、推移等病害，冬天尤其是北方地區(qū)易發(fā)生低溫開裂。水泥混凝土具有強度高、水穩(wěn)定性強、抗車轍性能好等特點，但其在行車舒適性等特點上要差于瀝青混凝土路面。如何綜合兩種材料的優(yōu)點，發(fā)揮兩者優(yōu)勢，更好地服務路面結構組成，半柔性復合混凝土由此產生。

半柔性復合混凝土最早出現在法國，當時是為解決機場道面耐高溫問題。后來日本開始大力發(fā)展此項技術，日本道路協(xié)會制定了相應的技術標準。在中國，最早由林繡賢將其應用到城市交叉口、停車場、高速公路或機場道面的面層，并且試驗路觀察結果性能良好。后來張肖寧提出了半柔性復合混凝土中基體瀝青混合料和水泥膠漿的設計方法及半柔性復合混凝土的鋪裝技術。另外，長沙理工大學、長安大學、重慶交通大學都對半柔性復合混凝土開展了豐富的研究。由此，半柔性復合混凝土逐漸開始應用到了機場道面、市政道路及普通公路中。

然而，針對新版瀝青路面結構設計規(guī)范中面層材料的設計參數，半柔性復合混凝土屬于哪一種材料不得而知，需要對半柔性材料性能做更深入的探究。因此，該文在室內成型半柔性復合混凝土材料，采用UTM對材料做動態(tài)加載試驗，以此明確半柔性材料性質，為半柔性復合混凝土路面結構設計提供材料參數及性能指導。

2 原材料性質

參照規(guī)范要求，對SBS改性瀝青、粗集料、細集料、礦料及水泥進行測試，結果見表1～4。由表1可知:SBS路性瀝青為1-C類改性瀝青，其余各項指標均滿足規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青技術指標

表2 粗集料相對密度

表3 細集料、礦粉表觀密度

表4 水泥技術指標

3 OGFC級配組成設計

半柔性復合混凝土是在大空隙瀝青混合料中灌注水泥凈漿而成，所以不僅要保證瀝青混合料具有足夠的強度形成整體，起到框架作用，還要保證瀝青混合料具有足夠多、足夠大的空隙使得水泥凈漿能夠灌入其中，形成強度。這里，采用OGFC作為半柔性混合料的基體瀝青混合料。有關研究表明：瀝青混合料級配組成當中，2.36 mm通過率影響瀝青混合料的空隙率。為了給目標空隙率瀝青混合料級配設計提供指導，首先探討2.36 mm篩孔通過率與OGFC瀝青混合料空隙率之間的關系。采用中國OGFC的設計方法對基體瀝青混合料空隙率進行設計，選擇了如表5所示的3組級配，2.36 mm篩孔通過率分別為10%、14%和18%。瀝青用量根據JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中膜厚方法進行計算。

參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中OGFC制作方法成型標準馬歇爾試件，試件正反面各擊實50下，每種級配制作6個平行試件，脫模后采用體積法測量其空隙率，空隙率測試結果見圖1。

表5 3組OGFC設計級配

圖1 2.36 mm篩孔通過率與空隙率之間的關系

由圖1可知：隨著2.36 mm篩孔通過率的增加，瀝青混合料的空隙率不斷減小，當通過率為10%時，OGFC的空隙率為22.93%，10%為OGFC級配設計下限，說明OGFC-16的最大空隙約為23%，2.36 mm篩孔通過率與OGFC空隙率大致呈線性關系，采用線性關系，建立2.36 mm篩孔通過率與空隙率之間的相關關系，給目標空隙率瀝青混合料級配設計提供定性的指導，線性公式如下：

V=-1.118p+33.869

(1)

式中：V為OGFC-16的空隙率；p為2.36 mm篩孔通過率。

考慮到基體瀝青混合料空隙率需求為20%～25%及OGFC級配組成設計，確定2.36 mm篩孔通過率為12%，級配組成見表6。

根據規(guī)范，通過膜厚方法確定該級配組成下瀝青用量為3.98%。

4 半柔性復合混凝土成型

按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的相關規(guī)定，單軸壓縮動態(tài)模量的試件宜為直徑(100±2.0)mm、高(150±2.5)mm的瀝青混合料圓柱體試件。首先在試驗室成型旋轉壓實試件，參照吳國雄的方法灌注水泥凈漿，但在灌注過程中，由于旋轉壓實試件過高，水泥凈漿不能將空隙灌滿，當然實際工程中半柔性復合混凝土為單層結構，灌注不滿的情況并不會出現，所以，對于做動態(tài)模量試驗的試件采用平躺灌注法。在快到初凝時間時，在試件表面噴灑緩凝劑，用刮刀除去試件表面多余的凈漿。最后將試件放入標準養(yǎng)生室中養(yǎng)生28 d。

表6 基體瀝青混合料級配

5 半柔性復合混凝土動態(tài)模量研究

目前中國公路瀝青路面結構計算采用靜態(tài)彈性層狀體系理論。JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》中，瀝青混合料的材料參數采用回彈模量。眾所周知，由于路面結構受到車輛荷載、氣候、環(huán)境等因素的不斷變化作用，它的實際工作受力狀態(tài)、材料性質等都與現行的靜態(tài)體系存在較大的差距，因此在JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》中，瀝青混合料的材料參數選用20 ℃、10 Hz下的動態(tài)模量值。

此次測試采用UTM試驗機開展動態(tài)模量試驗，以分析半柔性復合混凝土的黏彈性能，同時也為半柔性復合混凝土路面結構設計提供設計參數。分別測試-10、5、20、35、50 ℃下，0.1、0.5、1、5、10、25 Hz下半柔性復合混凝土的動態(tài)模量值，測試結果如表7所示。

表7 半柔性復合混凝土動態(tài)模量測試結果

如表7所示，不同溫度、不同頻率下半柔性復合混凝土動態(tài)模量值，參照新版瀝青路面結構設計規(guī)范，瀝青混合料的設計參數取20 ℃、10 Hz動態(tài)模量值，半柔性復合混凝土的設計參數為10 199 MPa，半柔性復合混凝土的設計參數在規(guī)范給定的基質、SBS改性瀝青混合料動態(tài)模量取值的范圍內，說明半柔性復合混凝土滿足瀝青路面結構設計需要，而相關研究已表明：半柔性復合混凝土的路用性能要優(yōu)于瀝青混合料。

選用Sigmoidal函數模型擬合動態(tài)模量主曲線，函數形式如下：

(2)

式中：a,b,c,d為模型參數；G*為材料的復數模量；f為修正頻率(Hz)，lgf=lgf0+lgαT；f0為對應每種溫度下的試驗頻率(Hz)；αT為移位因子。圖2為20 ℃下的移位因子。

圖2 20 ℃下的移位因子

由圖2可看出：在該條件下的移位因子線性關系良好，移位因子與溫度的線性關系式如式(3)，說明復合混凝土中雖然含有一定量的水泥凈漿，但還是體現出瀝青材料的黏彈性質。

lgαT=-0.145T+2.595

(3)

如圖3所示，基于時溫等效原理，構建出復合混凝土20 ℃下動態(tài)模量主曲線。從圖3可以看出：① 同一頻率下，動態(tài)模量值隨著溫度的增加而不斷減小，而在同一溫度下，動態(tài)模量值隨著作用頻率的增加而不斷增加，并且增加的幅度隨著溫度的升高而不斷增大；② 當頻率大于10 000 Hz時，動態(tài)模量趨于一定值，動態(tài)模量極值接近30 000 MPa。

圖3 動態(tài)模量主曲線

依據時溫等效原理，完成各個溫度下半柔性復合混凝土Sigmoidal函數模型參數值求解，各個溫度下的參數值如表8所示。

表8 各個溫度下Sigmoidal函數模型參數值

6 結論

(1)2.36 mm篩孔通過率是影響大空隙瀝青混合料設計的關鍵因素，建立2.36 mm篩孔通過率與瀝青混合料的空隙率的相關關系，為瀝青混合料空隙率提供定性指導。

(2)半柔性復合混凝土的動態(tài)模量值與瀝青混合料動態(tài)模量值相當，可作為面層材料應用到瀝青路面建設中。

(3)半柔性復合混凝土雖然由瀝青混合料及水泥凈漿組成，但動態(tài)模量的試驗結果顯示，半柔性復合混凝土材料性能符合線性黏彈性能，可采用線黏彈力學來研究半柔性復合混凝土材料性能。

(4)依據黏彈性材料的時溫等效原理，求得各個溫度下半柔性復合混凝土動態(tài)模量Sigmoidal函數模型參數值，可為全溫域半柔性復合混凝土路面結構力學分析、車轍預估及性能預估提供材料參數儲備。