基于DMA的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響因素研究

楊強(qiáng) 趙弘正

摘 要：為掌握瀝青路面結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的受力特性，有必要研究試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)頻率、級(jí)配類型和瀝青類型等因素對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響。本文基于溫度和頻率控制范圍廣和精度高的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA），對(duì)SBS和橡膠（AR）改性瀝青制備的AC-13和SMA-13瀝青混合料分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著試驗(yàn)溫度提高，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量逐漸下降，動(dòng)態(tài)模量溫度敏感性則呈先增加后降低趨勢(shì)；隨著試驗(yàn)頻率增加，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及動(dòng)態(tài)模量的頻率敏感性均增加，且SBS改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量頻率敏感性高于AR改性瀝青混合料，級(jí)配對(duì)頻率敏感性的影響則相對(duì)較??；SMA-13瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較AC-13瀝青混合料低，但隨溫度提高兩者差值逐漸減小，隨頻率提高兩者差值逐漸增大；頻率為0.1Hz到5Hz之間時(shí)，AC-13-AR改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較AC-13-SBS高，而頻率為5Hz到80Hz之間時(shí)，正好相反。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；動(dòng)態(tài)模量；DMA；溫度；頻率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.084

1 引言

瀝青路面是我國(guó)高速公路的主要結(jié)構(gòu)形式，其具有行車舒適、建養(yǎng)周期短及可回收利用等特點(diǎn)。我國(guó)瀝青路面采用多層連續(xù)彈性層狀理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，以往設(shè)中對(duì)瀝青混合料材料特性往往以15℃和20℃抗壓回彈模量表征[1]，但實(shí)際瀝青路面服役過(guò)程中，在氣候環(huán)境、汽車軸載和交通量等的綜合影響下，瀝青路面受力情況是實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因而采用靜態(tài)抗壓回彈模量進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性存疑[2-4]。近年來(lái)相關(guān)學(xué)者提出基于動(dòng)態(tài)模量的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，且目前已被我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）采納。動(dòng)態(tài)模量是動(dòng)荷載作用下軸向應(yīng)力幅值與應(yīng)變幅值的比值，其決定了瀝青混合料在一定溫度和加載頻率下的應(yīng)變響應(yīng)，且與瀝青混合料抗疲勞和抗車轍性能有重要關(guān)系[5-7]，顯然采用動(dòng)態(tài)模量表征瀝青混合料特性更能接近路面結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行了較多研究，但受試驗(yàn)設(shè)備限制，現(xiàn)有研究中涉及的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量研究溫度和頻率范圍往往較窄[8-9]，因而有必要進(jìn)行深入研究。為此，本文基于溫度和頻率控制范圍廣和精度高的DMA設(shè)備，分析試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)頻率、級(jí)配類型和瀝青類型對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步掌握瀝青混合料動(dòng)荷載作用下的受力特性有積極意義。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

（1）瀝青。采用SBS和AR改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究，兩者主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

（2）集料。粗集料選擇質(zhì)地堅(jiān)硬的玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

（3）級(jí)配。采用AC-13和SMA-13兩種級(jí)配制備瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)研究，兩種級(jí)配各篩孔通過(guò)率如表3所示。其中AC-13使用SBS和AR兩種改性瀝青，對(duì)應(yīng)最佳油石比分別為5.1%和6.2%，SMA-13使用SBS改性瀝青，對(duì)應(yīng)最佳油石比為5.8%。

2.2 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

根據(jù)表3級(jí)配成型SGC圓柱形試件，脫模后采用普通切割機(jī)切割為45mm×45mm×10mm長(zhǎng)方體試塊，進(jìn)而移入-20℃冰箱中冷凍24h，取出后采用高精度切割機(jī)切割為35mm×10mm×3mm長(zhǎng)方體試塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。其中動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)采用DMA Q800進(jìn)行，試驗(yàn)中其溫度和荷載頻率控制范圍廣、精度高，該設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

3 溫度對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響

瀝青路面服役過(guò)程中環(huán)境溫度變化范圍較大，故有必要研究溫度對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響，為此本文制備SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種類型瀝青混合料試件分別進(jìn)行-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃和40℃共7條溫度條件下的DMA試驗(yàn)，頻率10Hz，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：

隨著試驗(yàn)溫度提高，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量逐漸下降，這是由于瀝青為粘彈性材料，溫度提高時(shí)瀝青粘度下降，且粘性成分比例增加，因?yàn)樵诤奢d作用混合料中瀝青容易發(fā)生粘性流動(dòng)，導(dǎo)致變形量增加，因而動(dòng)態(tài)模量減小，其中溫度由-20℃增加至40℃時(shí)，SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量分別降低91.2%、88.6%和87.0%。

隨著試驗(yàn)溫度提高，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量溫度敏感性呈先增大后減小趨勢(shì)，其中在-20℃到-10℃溫區(qū)和30℃到40℃溫區(qū)溫度敏感性相對(duì)較低，在-10℃到30℃溫區(qū)溫度敏感性相對(duì)較高。試驗(yàn)溫度由-20℃增加到-10℃，溫度每增加1℃SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種類型瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量分別下降163.7MPa、225.7 MPa和126.0MPa，試驗(yàn)溫度由-10℃增加到30℃，溫度每增加1℃三種類型瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量分別下降289.5MPa、343.1MPa和303.2MPa，而試驗(yàn)溫度由30℃增加到40℃時(shí)，溫度每增加1℃三種類型瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量分別下降154.3MPa、213.4MPa和211.1MPa。

SMA-13瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較AC-13瀝青混合料低，但隨著溫度提高兩者差值逐漸較小。各個(gè)試驗(yàn)溫度下SMA-13-SBS瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均低于AC-13-SBS改性瀝青混合料，其中試驗(yàn)溫度為-20℃時(shí)，SMA-13-SBS較AC-13-SBS低4265MPa，而溫度增加至40℃時(shí)兩者僅相差909MPa；AR改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較SBS改性瀝青混合料低，尤其溫度較低時(shí)表現(xiàn)明顯。各個(gè)試驗(yàn)溫度下AC-13-AR瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均低于AC-13-SBS改性瀝青混合料，其中試驗(yàn)溫度為-20℃時(shí)，AC-13-AR較AC-13-SBS低2627MPa，而溫度增加至40℃時(shí)兩者僅相差12MPa。

4 頻率對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響

瀝青路面服役過(guò)程中不同環(huán)境和交通量條件下行車速度差異較大，而試驗(yàn)中可通過(guò)改變?cè)囼?yàn)頻率模擬不同行車速度，其中頻率越大表征行車速度越快。為此本文制備SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種類型瀝青混合料試件分別進(jìn)行0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz、40Hz和80Hz共8個(gè)頻率條件下的DMA試驗(yàn)，溫度20℃，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：

隨著試驗(yàn)頻率提高，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量逐漸增加，這是由于瀝青為粘彈性材料，試驗(yàn)頻率提高時(shí)荷載作用作用時(shí)間短，此時(shí)瀝青彈性部分發(fā)生變形，但粘性部分變形對(duì)荷載的作用有滯后性，因而頻率提高時(shí)瀝青混合料變形響應(yīng)時(shí)間縮短，故動(dòng)態(tài)模量提高，其中頻率由0.1Hz增加至80Hz時(shí)，SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量分別增加3.0倍、2.8倍和2.0倍。

隨著試驗(yàn)頻率提高，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量頻率敏感性呈增大趨勢(shì)，其中在0.1Hz到1Hz頻率范圍時(shí)敏感性相對(duì)較低，在1Hz至10Hz頻率范圍時(shí)敏感性相對(duì)較高。此外，瀝青類型對(duì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量頻率敏感性影響較大，級(jí)配則對(duì)其影響較小，其中頻率為0.1Hz時(shí)，AC-13-AR改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量較AC-13-SBS改性瀝青混合料高850MPa，頻率為80Hz時(shí)動(dòng)態(tài)模量反較其低410MPa，表明SBS改性瀝青混合料的頻率敏感性高于AR改性瀝青，而SMA-13-SBS和AC-13-SBS瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量隨頻率變化曲線的斜率相差不大，表明兩種級(jí)配的頻率敏感性差異較小。

SMA-13瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較AC-13瀝青混合料低，且隨著頻率提高兩者差值逐漸增大。各個(gè)試驗(yàn)頻率下SMA-13-SBS瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均低于AC-13-SBS改性瀝青混合料，其中試驗(yàn)溫度為0.1Hz時(shí)，SMA-13-SBS較AC-13-SBS低916MPa，而頻率增加至80Hz時(shí)兩者相差2939MPa；不同頻率范圍AR改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和SBS改性瀝青混合料表現(xiàn)出明顯差異，其中頻率在0.1Hz到5Hz之間時(shí)，AC-13-AR改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較AC-13-SBS高，而頻率在5Hz到80Hz之間時(shí)，AC-13-AR改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較其更低。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著試驗(yàn)溫度提高，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量逐漸下降，動(dòng)態(tài)模量溫度敏感性則呈先增加后降低趨勢(shì)，其中動(dòng)態(tài)模量在-20℃到-10℃溫區(qū)和30℃到40℃溫區(qū)的溫度敏感性相對(duì)較低，在-10℃到30℃溫區(qū)的溫度敏感性相對(duì)較高。

（2）隨著試驗(yàn)頻率增加，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及動(dòng)態(tài)模量的頻率敏感性均增加，其中在0.1Hz到1Hz頻率范圍時(shí)頻率敏感性相對(duì)較低，在1Hz至10Hz頻率范圍時(shí)則相對(duì)較高；SBS改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量頻率敏感性高于AR改性瀝青混合料，級(jí)配對(duì)頻率敏感性的影響則相對(duì)較小。

（3）SMA-13瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較AC-13瀝青混合料低，但隨試驗(yàn)溫度提高兩者差值逐漸減小，隨頻率提高兩者差值逐漸增大；頻率在0.1Hz到5Hz之間時(shí)，AC-13-AR改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較AC-13-SBS高，而頻率在5Hz到80Hz之間時(shí)，正好相反。

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作者簡(jiǎn)介：楊強(qiáng)（1993-），男，湖南衡陽(yáng)人，助理工程師，研究方向：道路瀝青混合料。