海拉爾寒區(qū)SBS改性瀝青混合料動態(tài)模量分析

朱莉，高二利， 張玉林， 李晉*， 于淼章，王勛

1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟南 250357；2.內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；3.國道332線拉布大林至哈達圖段公路項目建設(shè)管理辦公室，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；4.陜西中霖集團工程設(shè)計研究有限公司，陜西 西安 710024

0 引言

國道332線拉布大林至哈達圖段公路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)4處高寒地區(qū)之一的呼倫貝爾市海拉爾區(qū)，該地區(qū)海拔高、氣溫低、晝夜溫差大，區(qū)域內(nèi)瀝青路面病害模式明顯與其他地區(qū)不同。瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料，對溫度與加載頻率十分敏感。諸多學(xué)者從不同角度、采用不同方式研究瀝青混合料的動態(tài)模量。關(guān)于材料低溫性能的研究證實，SBS改性劑對材料低溫性能的改善效果較好[1-3]。劉福明[4]驗證了不同動態(tài)模量預(yù)估方程模型結(jié)果的準確性。劉偉勝等[5]通過研究主曲線，對比溶劑型瀝青混合料與乳化型瀝青混合料的低溫抗變形和高溫抗車轍性能。王大明等[6]結(jié)合SUP25型與SUP20型2面層瀝青混合料算例，提出了確定瀝青混合料主曲線的方法與步驟。薛羽等[7]采用WLF(1955年，M.L. Williams，R. F. Lanbel，J. D. Ferry基于Doolittle公式和玻璃態(tài)脆化點時自由體積線膨脹假定，共同提出了求解位移因子的公式，即以3人姓氏首字母命名的WLF公式)與二次多項式2種方法擬合材料模量主曲線，提出二次多項式法擬合可靠度更高。譚憶秋等[8]研究無約束共振法與重復(fù)加載法的相關(guān)性，繪制了高頻率下動態(tài)模量主曲線。王志臣等[9]比較了3種不同混合料蠕變?nèi)崃颗c儲存模量的換算結(jié)果主曲線與試驗結(jié)果，給出松弛模量取值范圍。吳榮東等[10]建立了環(huán)氧瀝青升級配排水式瀝青磨耗層(open graded friction course，OGFC)動態(tài)模量主曲線，分析驗證材料的“高溫不化、低溫不脆”性能。于雷等[11]建立不同油石比橡膠瀝青混合料主曲線，分析油石比對材料高溫穩(wěn)定性能的影響。趙小崇等[12]通過不同玄武巖纖維摻量試驗，擬合各摻量下的動態(tài)模量主曲線，研究大空隙瀝青混合料的疲勞性能、高溫穩(wěn)定性等力學(xué)性能。

現(xiàn)有研究大多為常規(guī)地區(qū)瀝青混合料的動態(tài)模量成果[13-15]，寒區(qū)自然氣候惡劣，低溫試驗環(huán)境較難實現(xiàn)，涉及高寒地區(qū)瀝青混合料動態(tài)模量的研究成果較少。本文研究寒區(qū)瀝青混合料的動態(tài)模量，依據(jù)時溫等效原理，分別擬合SBS改性AC-20及普通AC-20瀝青混合料主曲線，建立主曲線方程預(yù)估模型，推算獲得低溫條件下混合料動態(tài)模量規(guī)律，以期為我國寒區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化提供理論參考。

1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計包括試驗材料選擇、試樣制備及試驗方案設(shè)計。

1)試驗材料

材料設(shè)計主要包括集料級配設(shè)計與瀝青材料選擇。此次試驗主要考慮低溫因素，據(jù)現(xiàn)場考察與資料分析，內(nèi)蒙古寒冷地區(qū)瀝青路面面層多采用連續(xù)級配AC-20瀝青混合料[16-17]。綜合考慮寒冷地區(qū)各等級路面材料的實際情況，結(jié)合現(xiàn)有試驗材料，選用普通70#基質(zhì)瀝青及低溫性能較好的SBS改性瀝青進行級配設(shè)計，選用與瀝青具有良好黏附性的玄武巖作為粗集料，采用玄武巖機制砂作為細集料(<3 mm)。根據(jù)文獻[18-19]要求進行材料相關(guān)性能檢測試驗，各集料測試指標(biāo)均符合文獻[20]要求，瀝青各項試驗參數(shù)如表1所示。

表1 瀝青試驗參數(shù)

普通AC-20與SBS改性AC-20兩種瀝青混合料的配合比如表2所示。

表2 瀝青混合料的礦料目標(biāo)配合比 %

經(jīng)計算最終確定普通AC-20與SBS改性AC-20瀝青混合料最佳油石比分別為4.7%、5.2%。經(jīng)檢驗，該配合比下混合料各項試驗指標(biāo)均驗證合格[21]。

2)試樣制備

根據(jù)文獻[18]的要求，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀分別成型2種瀝青混合料試件，成型試件為高170.0 mm、直徑150 mm的圓柱體；在旋轉(zhuǎn)壓實制成的圓柱體試件上采用取芯機鉆取直徑為(100±2)mm的芯樣，控制試件高度為(150.0±2.5)mm，采用切割機切除芯樣兩端不規(guī)則的部分，制備動態(tài)模量試件。

3)試驗方案

海拉爾地區(qū)路面實際使用過程中，瀝青層混合料模量主要受氣溫變化與重載交通等的影響。試驗中，采用簡單性能試驗機測試混合料的室內(nèi)動態(tài)模量，在不施加圍壓的條件下，根據(jù)文獻[18]等規(guī)范要求，通過控制試驗溫度與加載頻率2個變量，施加一半正矢波軸向壓應(yīng)力，加載時間為0.1 s，間歇時間為0.9 s[19-21]。試驗溫度變化順序為-10、5、20、35、50 ℃，加載頻率/加載次數(shù)變化順序為25 Hz/200次、20 Hz/100次、10 Hz/200次、5 Hz/100次、2 Hz/20次、1 Hz/20次、0.5 Hz/15次、0.2 Hz/15次、0.1 Hz/15次。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 動態(tài)模量隨溫度的變化規(guī)律

根據(jù)室內(nèi)動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)，繪制不同頻率下普通AC-20及SBS改性AC-20瀝青混合料動態(tài)模量E的變化情況，如圖1所示。

a)普通AC-20瀝青混合料 b)SBS改性AC-20瀝青混合料 圖1 各頻率下2種瀝青混合料的動態(tài)模量隨溫度變化曲線

由圖1可知：隨溫度上升，2種混合料的動態(tài)模量均呈下降趨勢，在30～50 ℃時逐漸趨于平緩，AC-20混合料變化表現(xiàn)更為明顯，低溫時普通AC-20瀝青混合料曲線斜率較大，表明其對低溫更敏感；在-10～30 ℃，2種瀝青混合料動態(tài)模量的下降值均達到各自模量差(模量差為同頻率下最大模量與最小模量的差)的70%以上。根據(jù)文獻[22]可知：溫度較低時混合料黏性成分比例較低，在同等荷載作用下瀝青更不易發(fā)生黏性流動及變形，動態(tài)模量處于較高水平，可見低溫條件對混合料動態(tài)模量影響更為突出。

2.2 動態(tài)模量隨加載頻率的變化規(guī)律

根據(jù)動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)，繪制-10～50 ℃時2種瀝青混合料的動態(tài)模量隨加載頻率f的變化曲線，見圖2。

由圖2可知：溫度一定時，2種混合料的E隨f增大均呈遞增趨勢。寒區(qū)重載交通汽車行駛車速越慢，荷載作用于路面時間越久，頻率愈小，路面更易發(fā)生疲勞損害。各低頻下，普通AC-20瀝青混合料的E遠大于SBS改性AC-20瀝青混合料。在-10、5 ℃低溫下，隨f的增大，普通AC-20瀝青混合料的E曲線斜率均大于SBS改性AC-20瀝青混合料；f較高時則相反，但此時車輛荷載作用時間較短，對路面性能影響較小。因此，與SBS改性AC-20瀝青混合料相比，低溫條件下普通AC-20瀝青混合料的E對f更敏感，低頻時表現(xiàn)更為明顯，其材料頻率敏感性較高，抗彎拉性能受頻率影響更大，更易在車輛行駛緩慢路段發(fā)生疲勞損害。

溫度、頻率相同時，普通AC-20瀝青混合料的E大于SBS改性AC-20瀝青混合料，隨溫度升高和頻率降低，2種材料的動態(tài)模量差逐漸減小。

3 時溫等效原理下的動態(tài)模量及其主曲線研究

根據(jù)時間-溫度等效原理，瀝青混合料在各溫度下隨f變化的力學(xué)性能沿水平平移可擬合為一條光滑的S型曲線，此曲線稱為主曲線，平移距離為位移因子

lg[α(T)]=lg(fr/Hz)-lg(fh/Hz)，

(1)

式中：fr為參考溫度下的加載頻率，fh為換算溫度下的加載頻率。

因寒區(qū)的極端性，難以大量獲取低溫條件下的準確試驗數(shù)據(jù)。本文通過擬合lg[α(T)]函數(shù)曲線，獲取各溫度下的位移因子lg[α(Ti)]，擬合Sigmoidal函數(shù)模型表達混合料E與f間的關(guān)系[23-24]，該函數(shù)模型為：

(2)

式中A1、A2、α、γ均為回歸系數(shù)。

分別繪制20 ℃時2種混合料的動態(tài)模量主曲線，通過左右平移獲得各溫度下的主曲線，如圖3所示。

圖3 各溫度模量曲線平移至20 ℃下的位移因子

由圖3可知：位移因子與溫度之間存在線性關(guān)系。各溫度動態(tài)模量主曲線平移lg[α(Ti)]單位，經(jīng)Sigmoidal曲線擬合后，20 ℃時主曲線擬合各項回歸系數(shù)如表3所示，主曲線如圖4所示。

表3 20 ℃下Sigmoidal函數(shù)各項回歸系數(shù)

a)普通AC-20 b)SBS改性AC-20 圖4 20 ℃時2種混合料的主曲線擬合

據(jù)時溫等效原理，黏彈性介質(zhì)在高溫-低頻與低溫-高頻條件下表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)相似[25]，因此施加高頻荷載時，混合料將表現(xiàn)與低溫條件較為一致的材料性能，可依據(jù)各頻率高溫試驗結(jié)果推算試驗混合料相應(yīng)的低溫性能。

普通AC-20瀝青混合料預(yù)估模型為

(3)

SBS改性AC-20瀝青混合料預(yù)估模型為

(4)

圖5 -10 ℃下2種瀝青混合料主曲線對比

通過位移因子函數(shù)計算，將普通AC-20與SBS改性AC-20瀝青混合料在20℃下的主曲線分別沿水平方向平移4.1、4.5個單位，獲得-10 ℃下2種混合料的主曲線，見圖5。

由圖5可知：低頻作用下2種瀝青混合料的E發(fā)展趨勢相似，呈現(xiàn)遞增到平穩(wěn)的變化規(guī)律。lg(f/Hz)大于-1，即頻率大于0.1 Hz時，普通AC-20瀝青混合料的E恒大于SBS改性AC-20瀝青混合料；f越大，車輛作用時間越短，此時低溫為最主要外部影響因素，2種混合料的動態(tài)模量差增大，最大模量對數(shù)差約為0.390 MPa。對于寒區(qū)路面來說，期望材料在低溫條件下柔性較好以減少溫縮現(xiàn)象，模量越高，路面開裂幾率越大。因SBS改性AC-20瀝青混合料E較小，同等情況下不易發(fā)生低溫開裂。

4 結(jié)論

對SBS改性AC-20與普通AC-20瀝青混合料進行不同試驗溫度與加載頻率的動態(tài)模量試驗，分析對比其動態(tài)模量變化。

1)低溫條件下，隨溫度升高，2種普通混合料的動態(tài)模量總體下降值均達各模量差的70%以上，變化率較大。普通AC-20瀝青混合料低溫敏感性更高。

2)低頻作用時，溫度為-10、5 ℃，普通AC-20瀝青混合料模量隨頻率變化曲線的斜率均大于SBS改性AC-20瀝青混合料，普通混合料對頻率敏感性更高。

3)擬合2種瀝青混合料的位移因子函數(shù)曲線，可較準確地預(yù)測瀝青混合料的低溫力學(xué)性能，可知溫度為-10 ℃時，SBS改性AC-20瀝青混合料柔性更佳，性能優(yōu)于普通AC-20瀝青混合料。