基于實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)的瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

溫度是影響瀝青混合料高低溫性能的主要因素之一，我國(guó)地域遼闊，南北方不同地區(qū)瀝青路面實(shí)際工作環(huán)境相差較大。目前，我國(guó)瀝青路面采用20 ℃抗壓回彈模量和15 ℃劈裂模量作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不能夠準(zhǔn)確反應(yīng)溫度變化對(duì)瀝青混合料性能的影響。雖然即將頒布的瀝青路面設(shè)計(jì)新規(guī)范采用了動(dòng)態(tài)回彈模量，但仍然是采用20 ℃模量值[1-2]。因此，本研究通過(guò)采用不同型號(hào)瀝青(70#、90#、SBS改性70#、SBS改性90#)及不同集料級(jí)配(AC-13、AC-16、AC-20)組成12種不同型號(hào)瀝青混合料，采用擊實(shí)法制備Mashall試件，并采用靜壓法測(cè)試在不同溫度(±60 ℃)下的瀝青混合料抗壓回彈模量，建立瀝青混合料回彈模量與溫度的回歸關(guān)系。通過(guò)與其它方法得到的瀝青混合料回彈模量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，評(píng)價(jià)不同預(yù)測(cè)方法的技術(shù)特點(diǎn)。

我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范是以瀝青混合料20 ℃抗壓回彈模量作為瀝青結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)指標(biāo)，但瀝青路面在使用過(guò)程中受到各種因素的影響，其中溫度對(duì)瀝青材料影響最大[3-4]。瀝青是一種典型的粘彈性材料，低溫時(shí)表現(xiàn)為彈性，其變形可完全恢復(fù)，在高溫時(shí)表現(xiàn)為粘性，變形后有一部分不能恢復(fù)。瀝青作為瀝青混合料重要組成部分，其性能對(duì)瀝青混合料的性能影響很大。因此，當(dāng)溫度變化很大時(shí)瀝青混合料性能也隨之產(chǎn)生很大變化。我國(guó)不同地區(qū)的氣溫差異較大，即使同一個(gè)地區(qū)的瀝青路面，在一年四季或一天中，其路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化也較大。而20 ℃抗壓回彈模量不能完全反映路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜的溫度變化對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生的影響。因此，需要進(jìn)一步研究瀝青混合料抗壓回彈模量隨溫度的變化，進(jìn)而借鑒美國(guó)PGm-n技術(shù)，對(duì)瀝青路面進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)瀝青路面的最高溫度m和最低溫度-n，建立瀝青混合料路用性能的評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)。在多個(gè)試驗(yàn)溫度下來(lái)確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，與瀝青膠結(jié)料PG試驗(yàn)相同，為各個(gè)地區(qū)的瀝青路面提供一套符合要求的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

試驗(yàn)選用了4種類型的瀝青(70#、90#、SBS改性70#、SBS改性90#)，瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table1 Indexesofasphalt瀝青25℃針入度/0.1mm針入度指數(shù)PI延度5℃15℃軟化點(diǎn)/℃135℃粘度/(Pa·s)70#66-1.3 8.713246.50.403SBS改性70#48 1.0 30.5126.52.22678.990#93-0.77916544.50.328SBS改性90#68-0.29358672.81.895

1.2 集料

試驗(yàn)選用了3種集料級(jí)配(AC-13、AC-16、AC-20)，集料級(jí)配如表2所示。

表2 集料級(jí)配Table2Gradationsofaggregates混合料類型通過(guò)篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-1310097.57550352720148.56AC-16100958575504025181312.59.5AC-201009582.571624837272015106

1.3 配合比設(shè)計(jì)

組成12種不同的瀝青混合料，通過(guò)Mashall配合比設(shè)計(jì)，得到最佳瀝青用量(如表3所示)，在不同溫度(±60℃)下測(cè)試瀝青混合料的回彈模量[5-9]。

表3 最佳瀝青用量Table3 Optimumasphaltcontent瀝青種類級(jí)配類型最佳瀝青用量/%AC-135.370#基質(zhì)/改性AC-164.4AC-204.1AC-135.690#基質(zhì)/改性AC-164.7AC-204.4

2 瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系

2.1 瀝青混合料回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

采用逐級(jí)加載、卸載的方法測(cè)定瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度、位移、抗壓回彈模量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

2.2 回彈模量與溫度的關(guān)系

瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以得到以下結(jié)論：

a.溫度方面，瀝青混合料回彈模量隨著溫度的升高而逐漸降低，且模量變化幅度較大，-30℃時(shí)的模量已經(jīng)是+60 ℃時(shí)模量的10倍多，可見(jiàn)溫度對(duì)其影響之大。以20 ℃為分界線，低于20 ℃時(shí)模量變化較快，高于20 ℃時(shí)模量變化較為

表4 瀝青混合料回彈模量的試驗(yàn)結(jié)果Table4 TestresultsofHMAresilientmodulusMPa溫度/℃70#SBS改性70#AC-13AC-16AC-20AC-13AC-16AC-20-3012509.511205.89535.414017.012467.514017.0-209110.67615.66406.19477.28580.27333.1-106273.55300.74281.86385.85741.34991.004117.83446.13289.74266.13828.53381.2102989.12535.72178.13074.22693.52296.7201881.61553.31387.01921.41756.01542.130992.51069.71273.41149.41188.11324.240725.9817.6855.1747.0824.6889.250525.4546.7621.2545.2564.3630.560382.7368.9365.2395.4383.8400.2溫度/℃90#SBS改性90#AC-13AC-16AC-20AC-13AC-16AC-20-30-11289.69300.29414.413788.213441.312530.8-208550.26366.95812.69359.88466.88367.6-106001.05095.94025.76038.05400.44810.504016.23109.03090.74072.13485.43142.4102904.22265.41860.73059.62516.31978.4201750.31334.01188.41821.51690.11441.030964.3996.21025.81132.51154.31185.640703.4792.6833.1741.5725.9857.650516.5531.9604.3528.2814.2616.560378.5367.2361.3382.7539.5384.7

圖1 瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系Figure 1 Relationship between HMA resilient modulus and temperature

緩慢。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步論證了采用不同地區(qū)的高低溫表征瀝青混合料的性能是科學(xué)合理的。

b.級(jí)配方面，對(duì)比同一溫度下相同瀝青時(shí)不同級(jí)配的瀝青混合料回彈模量可以看出，低溫時(shí)細(xì)級(jí)配的瀝青混合料回彈模量相對(duì)較大，高溫時(shí)細(xì)級(jí)配的瀝青混合料回彈模量相對(duì)較小，這是因?yàn)榧?xì)級(jí)配的瀝青混合料的瀝青用量多，低溫時(shí)瀝青是粘彈性，瀝青混合料的強(qiáng)度來(lái)源主要是瀝青的膠結(jié)力，所以低溫時(shí)細(xì)級(jí)配的瀝青混合料回彈模量大，而當(dāng)處于高溫時(shí)瀝青處于粘彈性或粘塑性，瀝青混合料的強(qiáng)度來(lái)源主要靠集料間的嵌擠力，所以高溫時(shí)粗級(jí)配的瀝青混合料回彈模量更大一些。

c.瀝青方面，采用改性瀝青的混合料比采用基質(zhì)瀝青的混合料回彈模量大，因?yàn)楦男詾r青的高低溫穩(wěn)定性好于基質(zhì)瀝青。

對(duì)比分析幾種因素對(duì)瀝青混合料回彈模量的影響，可以看出，集料級(jí)配和瀝青種類對(duì)瀝青混合料回彈模量的影響不大，而溫度對(duì)瀝青混合料回彈模量影響最大，因此，不同溫度的瀝青膠結(jié)料粘彈性變化是影響瀝青混合料回彈模量的主要因素。瀝青混合料回彈模量隨溫度的變化規(guī)律可以用流變學(xué)理論解釋。瀝青混合料的強(qiáng)度是由集料間的內(nèi)摩阻力和瀝青的粘結(jié)力組成，當(dāng)采取相同類型的瀝青和相同級(jí)配的集料時(shí)，隨著溫度的上升，瀝青逐漸由彈性轉(zhuǎn)為粘彈性進(jìn)而轉(zhuǎn)化為粘塑性，瀝青的流變性能逐漸提高，導(dǎo)致瀝青混合料的回彈模量隨溫度升高而降低，并且減小的速度也逐漸降低。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與其它預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系除了實(shí)測(cè)方法外，還可以通過(guò)其它方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。綜合相關(guān)的預(yù)測(cè)方法，幾種主要的預(yù)測(cè)結(jié)果如表5、圖2所示。

表5 瀝青混合料回彈模量的預(yù)測(cè)結(jié)果Table5 PredictingresultsofHMAresilientmodulus MPa溫度/℃回彈模量公式法1公式法2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法-305.95119007.02140408.1516300-204.9699204.7595007.3614720-103.9779403.2264405.561112002.9859602.1843603.366720101.9939801.4729401.79358020120001200012000300.01200.6713400.65130040-0.98-19600.459000.4896050-1.97-39400.316200.3672060-2.96-59200.214200.24480注:公式法1:K1=Et/E20=2.980-0.099t;公式法2:K2=Et/E20=100.01693(20-t);BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法:K3=Et/E20=-3.1928arctan(0.0779t+0.4395)+4.6090。

圖2 實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比Figure 2 Comparison betwwen test results and predicting results

從表5、圖2可以得到以下結(jié)論：

a.公式法1與公式法2比較，在-20～20 ℃之間二者數(shù)值比較接近，但在小于-20 ℃時(shí)指數(shù)曲線速度增加較快，當(dāng)溫度大于20 ℃時(shí)，直線出現(xiàn)小于0的情況，明顯不合理。數(shù)據(jù)表明公式法1與公式法2均不能準(zhǔn)確地反映瀝青混合料回彈模量隨溫度變化的關(guān)系。

b.實(shí)測(cè)結(jié)果與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果比較，以20 ℃為分界，在-30～20 ℃范圍內(nèi)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)明顯大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，二者相差很大，當(dāng)高于20 ℃時(shí)二者基本重合，數(shù)值十分接近。數(shù)據(jù)表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果也只是在一定的溫度范圍內(nèi)較為準(zhǔn)確。

綜上所述，3種預(yù)測(cè)方法得到的瀝青混合料回彈模量都是在一定的溫度范圍內(nèi)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較貼合，實(shí)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確但測(cè)試工作量較大，預(yù)測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)確但較為方便快速。如果根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果做進(jìn)一步回歸分析，可以通過(guò)相應(yīng)的預(yù)測(cè)方法快速預(yù)測(cè)瀝青混合料回彈模量。

4 結(jié)論

a.在瀝青混合料回彈模量與溫度關(guān)系的研究基礎(chǔ)上，本研究擴(kuò)大了測(cè)試溫度范圍(-30～60 ℃)，且針對(duì)不同類型的瀝青混合料，通過(guò)測(cè)試不同溫度條件下的瀝青混合料回彈模量，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，瀝青混合料回彈模量與溫度有一定的回歸關(guān)系。

b.實(shí)測(cè)結(jié)果表明，瀝青混合料回彈模量隨著溫度的升高而減小，但在低于+20 ℃時(shí)回彈模量隨溫度變化幅度較大，高于+20 ℃后模量隨溫度變化緩慢。而且在-30 ℃時(shí)的回彈模量值是+60 ℃時(shí)模量值的10倍多，說(shuō)明溫度對(duì)瀝青混合料回彈模量影響較大。

c.對(duì)比同一溫度的不同瀝青及不同集料級(jí)配組成的混合料回彈模量，使用改性瀝青的混合料比使用基質(zhì)瀝青的混合料回彈模量更大。低溫時(shí)，采用同一瀝青的集料細(xì)級(jí)配的混合料回彈模量大。

d.不同預(yù)測(cè)方法得到的瀝青混合料回彈模量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度也不相同，比較準(zhǔn)確的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法，該方法方便快捷，但存在的問(wèn)題是預(yù)測(cè)結(jié)果僅在一定溫度范圍內(nèi)較為準(zhǔn)確。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果做進(jìn)一步回歸分析，可以通過(guò)相應(yīng)的預(yù)測(cè)方法快速預(yù)測(cè)瀝青混合料回彈模量。

5 設(shè)計(jì)建議

基于PGm-n技術(shù)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法較我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法更貼近道路所處的實(shí)際環(huán)境，我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法只采用20 ℃下所對(duì)應(yīng)的瀝青混合料回彈模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)，有一定的局限性。PGm-n技術(shù)通過(guò)詳細(xì)的氣候分區(qū)建立每個(gè)地區(qū)在m與-n值對(duì)應(yīng)下的瀝青路面設(shè)計(jì)參數(shù)，作為參數(shù)輸入進(jìn)行路面設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。利用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)所配套的瀝青路面結(jié)構(gòu)分析軟件APAD進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)組合和驗(yàn)算。哈爾濱地區(qū)PG等級(jí)確定的參數(shù)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)厚度驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)滿足層底拉應(yīng)力和彎沉要求的石灰土層厚度較以彈性層狀體系理論下確定的石灰土層厚度要大，但是實(shí)際彎沉值卻變小。這說(shuō)明以PG技術(shù)建立的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的道路更加符合哈爾濱地區(qū)實(shí)際環(huán)境，路面產(chǎn)生的彎沉值更小，高溫性能提高。

以黑龍江省瀝青路面設(shè)計(jì)為例，先確定PGm-n，按高低溫m-n得到瀝青混合料回彈模量，設(shè)計(jì)中，對(duì)不同設(shè)計(jì)指標(biāo)采用不同溫度的瀝青混合料回彈模量，例如，永久變形量采用高溫m回彈模量，低溫開(kāi)裂采用低溫n回彈模量進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣采用高低溫m-n回彈模量可以準(zhǔn)確反應(yīng)一年不同季節(jié)對(duì)瀝青路面的影響。