基于路面溫度場的混合料動態(tài)模量預估分析

為準確獲得基于RIOHTrack足尺路面溫度場的動態(tài)模量，文章調查了RIOHTrack足尺路面近七年的環(huán)境溫度及結構參數(shù)，基于結構層材料及礦料級配，得到了結構不同深度的溫度變化曲線，并構建了基于足尺結構的瀝青混合料動態(tài)模量預估模型，計算獲得了六種典型瀝青路面結構在不同典型溫度下的動態(tài)模量值。結果表明：不同典型結構類型的傳溫能力不同；環(huán)境溫度越低，材料的動態(tài)模量值越大；動態(tài)模量的計算結果符合規(guī)范要求，具有有效性。

瀝青混合料；仿真模擬；溫度場；動態(tài)模量

U416.03A250835

作者簡介：

劉艷玲（1996—），助理工程師，主要從事道路工程試驗檢測工作。

0" 引言

瀝青混合料是一種粘彈性材料，瀝青路面受環(huán)境影響顯著，內部結構由此形成的溫度場影響結構內的材料參數(shù)。動態(tài)模量是描述瀝青混合料在動態(tài)荷載、環(huán)境溫度、加載頻率等因素共同作用下應力與應變響應的一個重要參數(shù)，更能反映瀝青材料對溫度、荷載的依賴性，體現(xiàn)材料在外荷載及環(huán)境因素影響后材料模量的動態(tài)響應［1–3］。

足尺加速路面試驗（Accelerated Pavement Testing，APT）是路面學科的一種大型科學試驗，是在與實際相同或類似的路面結構體系上，通過加速加載的方式，施加不小于標準軸重的實際輪載，得以在較短的試驗周期下模擬路面結構全壽命周期的響應特性和性能演變規(guī)律［4］。國內對此進行了大量研究試驗：范萌萌［5］利用足尺環(huán)道中埋設的溫度傳感器，得到了結構內溫度隨路面深度的變化規(guī)律，同時發(fā)現(xiàn)影響瀝青路面車轍的主要因素為瀝青材料；廖亦源［6］基于RIOHTrack足尺路面試驗環(huán)道分析了路面結構表面層、溫度對瀝青路面抗滑性能的影響及級配特征對抗滑衰變規(guī)律的影響。

本研究通過調查北京市的氣象環(huán)境確定仿真模擬的環(huán)境參數(shù)，基于結構層材料及礦料級配獲得結構不同深度的溫度變化曲線，利用動態(tài)模量預估模型計算，獲得了基于RIOHTrack足尺的六種典型瀝青路面結構在不同典型溫度下的動態(tài)模量值。

1" RIOHTrack環(huán)道參數(shù)分析

為了確定RIOHTrack足尺路面結構試驗環(huán)道內瀝青混合料動態(tài)模量隨溫度的變化情況，本研究調查了北京市2016—2022年的溫度數(shù)據(jù)，保證仿真后所得溫度場數(shù)據(jù)的準確性，并利用仿真模擬獲得了結構內溫度隨深度變化曲線。

1.1" 環(huán)境溫度

1.1.1" 氣象資料分析

為探究RIOHTrack足尺路面試驗環(huán)道結構中瀝青混合料動態(tài)模量隨溫度的變化情況，分析北京市2016—2022年的溫度變化規(guī)律，選取具有代表性的特征月創(chuàng)建溫度場。北京市2016—2022年的逐月溫度變化如圖 1所示。同時調查了北京市1981—2022年的平均溫度及降水變化［7］，如圖 2所示，其溫度變化與圖 1所示一致。

1.1.2" 典型溫度的確定

為探究瀝青路面結構在不同環(huán)境溫度下結構內溫度場的變化情況，本研究根據(jù)北京市的溫度環(huán)境確定模擬時的溫度。由下頁圖 3可看出，三個特征月的逐日平均溫度在月平均溫度基準線上下波動，具有一定的代表性，因此選取北京市2019年1月、7月、10月的平均溫度進行模擬研究。

1.2" 瀝青混合料參數(shù)

1.2.1" 瀝青

為減少計算量，并有效探究“瀝青路面結構類型”對溫度場的影響，本研究根據(jù)北京RIOHTrack足尺路面試驗環(huán)道的19種主試驗路面結構，分別從半剛性基層結構1、半剛性基層結構2、厚瀝青混凝土結構1、倒裝式瀝青路面結構、厚瀝青混凝土結構2及全厚式瀝青路面結構中選定了STR2、STR7、STR11、STR12、STR15、STR19六種典型結構。見圖4。

六種典型瀝青路面結構中，結構斷面的瀝青包括秦皇島30#、秦皇島50#、秦皇島70#三種普通基質瀝青及秦皇島Ⅰ-D（SBS 1）、秦皇島Ⅰ-D（SBS 2）兩種SBS改性瀝青，其中普

通基質瀝青主要用于路面結構的中、下面層，SBS改性瀝青用于上、中面層，為保證所用材料能夠滿足施工技術要求，確定了五種瀝青的各項性能指標，如表 1所示，均滿足規(guī)范要求。

1.2.2" 集料

RIOHTrack足尺路面試驗環(huán)道工程建設及室內試驗均采用河北的玄武巖及石灰?guī)r兩種石料作為混合料集料，其中上面層AC-13的粗集料均采用玄武巖，細集料、礦粉、AC-20、AC-25均采用石灰?guī)r。

1.2.3" 礦料級配設計

礦料級配設計及緊密狀態(tài)下混合料級配的體積指標參考《足尺路面試驗環(huán)道2016年度報告》［8］，如表 2、表 3所示。

1.3" 環(huán)道路面結構特征溫度

1.3.1" 溫度變化曲線

將溫度場熱參數(shù)以及1月、7月、10月溫度輸入有限元模型中進行仿真模擬，獲得了結構在環(huán)境溫度時的溫度場。六種結構內溫度隨深度的變化曲線如圖 5～10所示。

由圖5～10可以看出：三種環(huán)境溫度下結構的影響深度不同，低溫、高溫環(huán)境時（1月、7月），路面與環(huán)境溫差較大，結構內溫度變化快，比秋季（10月）達恒溫的深度較淺；但六種典型瀝青路面結構在三種環(huán)境溫度下的溫度變化基本相似，避免了后續(xù)模型計算時溫度變化帶來的影響。

基于路面溫度場的混合料動態(tài)模量預估分析/劉艷玲，蔣" 碩，李" 平

1.3.2" 不同結構層位溫度比較

為更好地分析路面結構內溫度變化規(guī)律，分別對三種環(huán)境溫度下六種典型路面結構的路表、上、中、下面層等位置的溫度進行了匯總。六種典型瀝青路面結構的各結構層溫度如圖11～14所示。

雖然不同瀝青路面結構中、下面層的厚度不同，但由于計算后獲得的動態(tài)模量表示該結構層動態(tài)模量的均值，因此溫度選取時，選定的結構層溫度只要能表示該

結構層溫度的整體水平即可。故下面層溫度為結構內深度＞12 cm時混合料的溫度均值是合理的。相比表面層和中面層，不同結構在上、下面層的溫度波動較大，但對比四個層面其波動的變化規(guī)律是相似的，有利于進行后續(xù)模量分析。

1.3.3" 不同結構層溫度匯總

由圖 5～10可得到六種典型路面結構不同層位的溫度，如下頁表5所示。后文將利用表中所示溫度，根據(jù)動態(tài)模量預估模型獲得不同結構層在三種溫度下的動態(tài)模量。

2" 基于足尺結構的瀝青混合料動態(tài)模量預估模型

2.1" 動態(tài)模量預估模型

NCHRP 1-37A［9-10］動態(tài)模量預估模型計算時考慮了瀝青混合料的粘彈性特點，可探究環(huán)境溫度對材料屬性的影響。因此本文采用NCHRP 1-37A動態(tài)模量預估模型進行計算。由于不同模型中所用材料、施工工藝、自然環(huán)境存在差異，為保證計算結果的準確性，參考馬翔等［11］提出的NCHRP 1-37A動態(tài)模量修正模型計算瀝青混合料在不同位置時的動態(tài)模量。動態(tài)模量預估模型如下所示：

log10E*=-1.249 937+0.029 232p200-0.001 7672200+0.002 841p4-0.058 09Va-0.080 220 8VbeffVbeff+Va+3.871 977-0.002 1p4+0.003 958p38-0.000 017p238+0.005 47p341+e-0.612 416-0.374 1351logf-0.527 033logη（1）

式中：E*——動態(tài)模量（MPa）；

η——瀝青旋轉黏度（MPa·s）；

f——荷載頻率（Hz）；

Va——瀝青混合料空隙率（%）；

p34、p38、p4——19.0、9.5、4.75 mm篩孔累積篩余百分率（%）；

p200——為0.075 mm篩孔的通過百分率（%）；

Vbeff——有效瀝青含量（%）。

其中：

Vbeff=γf×pbeγb（2）

式中：γf——瀝青混合料的毛體積密度（g/cm3）；

γb——25 ℃時瀝青的相對密度（無量綱）；

pbe——瀝青混合料中被礦料吸收的瀝青質量占礦料總質量的百分率（%）。

瀝青黏度η將根據(jù)式（3）進行計算。其中回歸截距和回歸斜率的取值參考顧凡等［12］的研究結果：基質瀝青的回歸截距為10.65，回歸斜率為-3.55；SBS改性瀝青的回歸截距為11.01，回歸斜率為-3.70。

logη=A+VTSlogTR（3）

式中：η——黏度（MPa·s）；

A——回歸截距；

VTS——黏度的溫度敏感性回歸斜率；

TR——溫度（蘭金溫度），取0R=0F+459.7。

2.2" 動態(tài)模量計算指標參數(shù)

為了準確獲得不同結構層瀝青路面結構的材料參數(shù)，需要根據(jù)級配設計獲得關鍵性指標參數(shù)，根據(jù)RIOHTrack足尺路面試驗環(huán)道中的瀝青混合料級配數(shù)據(jù)，參數(shù)指標均按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）［13］進行設計，結果如表 6所示。

2.3" 動態(tài)模量變化特征及結果分析

將上述瀝青混合料的各項指標參數(shù)及溫度代入動態(tài)模量預估模型公式進行計算，獲得六種典型瀝青路面

結構中結構層材料（AC-13、SMA-13、AC-20、AC-25）隨溫度、深度變化的動態(tài)模量，荷載頻率采用10Hz進行計算，所得材料參數(shù)計算結果如表 7所示。

由表7分析可得：

（1）不同典型結構類型的傳溫能力不同。比較STR12與STR15的結構層溫度，發(fā)現(xiàn)雖然兩種結構的面層材料相同，但結構內溫度卻存在一定差異。其原因是兩種結構的下面層厚度及基層材料存在差異，STR15具有較厚的下面層，當中面層向下傳遞的熱量不變時，STR15下面層的厚度越大，結構層的升溫幅值越低；而基層結構材料的不同會影響材料的熱傳導率及比熱。

（2）環(huán)境溫度越低，材料的動態(tài)模量值越大。比較六種典型瀝青路面結構的不同層位在三個特征月下的動態(tài)模量，溫度越低，材料的動態(tài)模量值越大。結構內溫度越低，瀝青越硬脆，則混合料中瀝青黏度降低，此時混合料以彈性性能為主，動態(tài)模量值較大；隨著溫度的上升，混合料中瀝青逐漸變軟，瀝青黏性增強，彈性性能減弱，動態(tài)模量值降低。

（3）所得結果具有有效性?！豆窞r青路面設計規(guī)范》（JTG D50-2017）中瀝青混合料動態(tài)模量在加載頻率為10 Hz、試驗溫度為20 ℃時SMA-13取值范圍為7 500～12 000 MPa；AC-10、AC-13取值范圍為8 000～12 500 MPa；AC-20、AC-25取值范圍為9 000～13 500 MPa。計算結果顯示四種瀝青混合料動態(tài)模量在規(guī)范的取值范圍內，證明所得結果準確。

3" 結語

本研究通過分析RIOHTrack足尺路面試驗環(huán)道的環(huán)境溫度、混合料參數(shù)和路面結構特征溫度，獲得了基于結構深度的溫度變化曲線，建立了基于瀝青路面結構動態(tài)模量預估模型，分析了溫度對六種典型結構中材料動態(tài)模量的影響。主要結論如下：

（1）不同典型結構類型的傳溫能力不同，具體表現(xiàn)為結構下面層的厚度越大，結構層的升溫幅值越低，同時基層結構材料的不同影響材料的熱傳導率及比熱。

（2）環(huán)境溫度越低，瀝青越硬脆，混合料中的瀝青黏度越低，混合料以彈性性能為主，材料的動態(tài)模量值越大。

（3）動態(tài)模量的計算結果在規(guī)范的取值范圍內，所得結果具有有效性。

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20240520