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摘 要

瀝青種類、集料最大公稱粒徑、添加抗車轍劑等因素對瀝青混合料動態(tài)模量具有一定影響，同時對其路用性能也有重要影響。該文選擇具有不同瀝青種類、不同集料最大公稱粒徑、是否添加抗車轍劑的6種瀝青混合料，開展了動態(tài)模量試驗和路用性能試驗，分析了瀝青種類、集料最大公稱粒徑、抗車轍劑等因素對瀝青混合料動態(tài)模量和路用性能影響的規(guī)律。研究結(jié)果表明:溫度與加載頻率是影響瀝青混合料動態(tài)模量的關(guān)鍵因素，瀝青種類、集料最大公稱粒徑、抗車轍劑對瀝青混合料的動態(tài)模量也有顯著影響瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。抗車轍劑的使用可以提高瀝青混合料的抗車轍性能，并降低瀝青混合料對溫度變化的敏感程度。另外，對于基質(zhì)瀝青混合料，動態(tài)模量的增加會降低瀝青混合料的疲勞壽命，但對于加入抗車轍劑或使用改性瀝青的瀝青混合料，在瀝青混合料動穩(wěn)定度和動態(tài)模量得到提高的同時，不會降低瀝青混合料的抗疲勞性能。

關(guān)鍵詞 道路工程 | 瀝青混合料 | 動態(tài)模量 | 路用性能 | 影響因素

傳統(tǒng)的路面設(shè)計是通過靜態(tài)加載的方式得到回彈模量值，以此作為瀝青路面力學(xué)計算的基礎(chǔ)。然而瀝青混合料作為典型的黏彈性材料，瀝青路面在實際動態(tài)交通荷載作用下，受到溫度與頻率的影響，其力學(xué)響應(yīng)特征是動態(tài)變化的，動態(tài)模量是表征其在動態(tài)荷載作用下力學(xué)響應(yīng)特征的重要參數(shù)。在JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中，瀝青混合料的動態(tài)模量已經(jīng)成為路面設(shè)計必不可少的參數(shù)之一。

瀝青混合料在時間和溫度條件下的力學(xué)響應(yīng)是等效的，因此國內(nèi)外許多學(xué)者，通過借助時溫等效原理與西格摩德(Sigmoidal)數(shù)學(xué)模型繪制動態(tài)模量主曲線，同時采用W.L.F方程計算移位因子，將有限的加載頻率與試驗溫度下的動態(tài)模量擴(kuò)展到更為廣闊的頻率與溫度區(qū)間內(nèi)，以此來研究溫度與荷載頻率對于動態(tài)模量的影響，并且通過非線性最小二乘法進(jìn)行擬合分析。動態(tài)模量主曲線與移位因子相結(jié)合，可以反映瀝青混合料在溫度與頻率綜合作用下的動態(tài)模量變化趨勢，可以用于分析和預(yù)測不同溫度與荷載頻率下的路面力學(xué)響應(yīng)特征。

已有研究表明:溫度與荷載頻率是影響瀝青混合料動態(tài)模量最為重要的兩個環(huán)境因素，但集料最大公稱粒徑、瀝青種類、添加劑等因素對瀝青混合料動態(tài)模量影響的研究還有待進(jìn)一步加強。特別是不同瀝青混合料類型在影響瀝青混合料動態(tài)模量的同時，對其路用性能、抗疲勞性能有何影響，目前還沒有系統(tǒng)的成果。該文選擇具有代表性的瀝青混合料級配、瀝青種類，并考慮是否使用抗車轍劑，開展不同瀝青混合料動態(tài)模量、路用性能和抗疲勞壽命試驗，探討不同瀝青混合料的動態(tài)模量及其與路用性能和抗疲勞壽命的關(guān)系。

1、試驗材料與方法

1.1試驗材料

為了研究動態(tài)模量的影響因素，按照瀝青種類、集料最大公稱粒徑、添加劑等不同因素共制備了AC-16、AC-25(基質(zhì)、改性、基質(zhì)+抗車轍劑)6種瀝青混合料。集料選用石灰?guī)r、填料選用機(jī)制砂與石灰?guī)r礦粉，瀝青選用70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青，材料均滿足相關(guān)規(guī)范要求，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。AC-16與AC-25瀝青混合料級配見表2，確定最佳油石比分別為AC-16(基質(zhì)、改性)4.3%、4.2%與AC-25(基質(zhì)、改性)4.1%、3.9%。添加劑采用RA抗車轍劑，采用內(nèi)摻法，摻量為0.3%。

1.2試件制備

試件采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實成型，原始試件尺寸為直徑150mm，高度170mm，經(jīng)鉆芯切割后獲得直徑為(100±2)mm、高度為(150±2.5)mm的圓柱體試件?？刂圃嚰障堵蕿?%±0.5%。

1.3單軸壓縮動態(tài)模量試驗

單軸壓縮動態(tài)模量試驗參照J(rèn)TGE20-2011 T0738《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》。試驗溫度分別為-10、5、20、35和50℃；加載頻率分別為0.1、0.5、1、5、10、25Hz；試驗設(shè)備采用UTM-100液壓伺服機(jī)進(jìn)行。試驗順序由低溫到高溫，由高頻到低頻，采用應(yīng)力控制模式，通過UTM-100對試件施加半正弦荷載。為了減小誤差，每組平行試驗試件個數(shù)不少于4個，試驗開始前，試件應(yīng)在環(huán)境箱中保溫4h以上。

1.4瀝青混合料路用性能試驗

瀝青混合料路用性能主要指瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性與低溫抗裂性，同時疲勞壽命作為瀝青路面設(shè)計的關(guān)鍵因素，在混合料的路用性能研究中亦作為評價指標(biāo)之一。該研究主要分析瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、疲勞壽命3項指標(biāo)與動態(tài)模量間的關(guān)系。高溫穩(wěn)定性通過車轍試驗評價，低溫性能通過低溫小梁彎曲試驗評價，疲勞壽命通過間接拉伸疲勞壽命試驗評價。相關(guān)試驗均參照J(rèn)TGE20-2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行。

2、試驗結(jié)果及分析

2.1動態(tài)模量試驗結(jié)果及分析

作為典型的黏彈性材料，復(fù)數(shù)模量是描述瀝青混合料力學(xué)響應(yīng)特征的重要指標(biāo)，復(fù)數(shù)模量是瀝青混合料的基本材料屬性。復(fù)數(shù)模量由實部與虛部組成，其實部表征彈性特征，稱為存儲模量，虛部表征黏性特征，稱為損失模量，如式(1)所示:

完成單軸壓縮動態(tài)模量試驗后，通過數(shù)據(jù)匯總處理得到6種瀝青混合料動態(tài)模量見表3。

由表3可知，瀝青混合料作為典型的黏彈性材料其動態(tài)模量對于試驗溫度與加載頻率具有明顯的依賴性。試驗溫度對動態(tài)模量的影響可以描述為:在不同的加載頻率下，6種瀝青混合料的動態(tài)模量均隨著試驗溫度的升高而逐漸降低，不同瀝青混合料的動態(tài)模量受溫度的影響一致。這主要是因為瀝青混合料作為黏彈性材料，在低溫時其力學(xué)特征主要表現(xiàn)為彈性，隨著試驗溫度的升高，其力學(xué)特征由彈性向黏性轉(zhuǎn)變，瀝青與集料間的黏附性變差，混合料強度下降，導(dǎo)致其動態(tài)模量降低。加載頻率與動態(tài)模量的關(guān)系為:在相同的試驗溫度條件下，6種瀝青混合料的動態(tài)模量均隨加載頻率的減小呈降低趨勢，且變化趨勢基本一致。

這主要是由于瀝青混合料的力學(xué)響應(yīng)與瞬時的加載與卸載之間存在滯后現(xiàn)象，隨著加載頻率的增加，這種滯后現(xiàn)象愈加明顯，因此瀝青混合料的動態(tài)模量呈現(xiàn)出隨加載頻率增加而升高的趨勢。

2.2動態(tài)模量主曲線

瀝青混合料在時間和溫度條件下的力學(xué)響應(yīng)是等效的并且可以相互轉(zhuǎn)換，即時間溫度等效原理。根據(jù)時間溫度等效原理，可以將瀝青混合料在各自試驗溫度不同加載頻率下獲得的動態(tài)模量轉(zhuǎn)換至參考溫度下，將動態(tài)模量數(shù)據(jù)點擬合成一條光滑的動態(tài)模量曲線，即該參考溫度下的動態(tài)模量主曲線。通過動態(tài)模量主曲線，可以在全溫度全頻率范圍內(nèi)預(yù)測動態(tài)模量值。瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線可以用西格摩德(Sigmoidal)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，表達(dá)式如下:

西格摩德模型給出了在參考溫度下瀝青混合料動態(tài)模量與時間(頻率)的函數(shù)關(guān)系。動態(tài)模量數(shù)值由試驗溫度平移至參考溫度的距離稱之為移位因子，移位因子反映了瀝青混合料動態(tài)模量與試驗溫度之間的依賴關(guān)系，如圖1所示。移位因子可由W.L.F方程計算得出，如式(4)、(5)所示:

由圖1可知:在溫度為20℃時6種瀝青混合料的移位因子相同，故試驗選擇20℃作為參考溫度繪制6種瀝青混合料在20℃時的動態(tài)模量主曲線(圖2、3)。

并通過非線性最小二乘法進(jìn)行擬合分析，通過判定系數(shù)R^2，評判西格摩德模型的擬合優(yōu)度。通過計算，得到6種瀝青混合料動態(tài)模量主曲線方程系數(shù)如表4所示。

由圖2、3可知:瀝青混合料動態(tài)模量主曲線與移位因子相結(jié)合，可以反映瀝青混合料在溫度與加載頻率綜合作用下的動態(tài)模量變化規(guī)律，可以用于分析與預(yù)測不同溫度和加載頻率下的瀝青路面力學(xué)響應(yīng)特征。

2.3瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果

通過對6種瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性與抗疲勞性能的試驗研究，得到試驗結(jié)果如圖4、5與表5所示。

3、動態(tài)模量影響因素分析

3.1瀝青混合料動態(tài)模量影響因素分析

6種瀝青混合料動態(tài)模量主曲線如圖6所示。

3.1.1瀝青種類對混合料動態(tài)模量的影響

由圖6可以看出:在大部分試驗頻率范圍內(nèi)兩種改性瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線位于相應(yīng)的基質(zhì)瀝青混合料上方，在低溫高頻區(qū)段內(nèi)，不同種類的瀝青混合料動態(tài)模量值較為接近，結(jié)合表1可知:SBS改性瀝青的黏彈性優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，說明優(yōu)質(zhì)瀝青對于瀝青混合料的性能改善作用是顯著的。但是相同級配的瀝青混合料動態(tài)模量主曲線存在趨近交叉現(xiàn)象，說明不同瀝青種類混合料在不同的加載頻率下對應(yīng)力的敏感程度是不同的。在低溫高頻區(qū)段內(nèi)，SBS改性瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線斜率稍大于基質(zhì)瀝青混合料，說明在此區(qū)段內(nèi)改性瀝青混合料對應(yīng)力的敏感性要大于基質(zhì)瀝青混合料，但是在高溫低頻區(qū)段內(nèi)則相反。在1Hz附近區(qū)段內(nèi)，相同級配兩種瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線趨于一致，兩者性能基本相當(dāng)。

3.1.2集料最大公稱粒徑對混合料動態(tài)模量的影響不同級配的瀝青混合料其動態(tài)模量均隨著試驗溫度的升高而降低，隨著加載頻率的降低而減小，且變化趨勢基本一致。在圖6中，AC-25瀝青混合料始終位于AC-16上方，在高溫低頻區(qū)段內(nèi)二者差值較大，這是因為瀝青混合料的動態(tài)模量受溫度的影響較大，而其他條件相同時，最大公稱粒徑越大的瀝青混合料其高溫性能越好，因此最大公稱粒徑越大的瀝青混合料其動態(tài)模量值越高。同時，可以看出AC-25瀝青混合料動態(tài)模量受試驗溫度的影響較大，并且當(dāng)溫度達(dá)到10℃以上時，隨著試驗溫度的升高，其動態(tài)模量發(fā)生較大變化，在圖6中即表現(xiàn)為斜率明顯增大，結(jié)合移位因子圖可以得到，集料的最大公稱粒徑越大，混合料對溫度的敏感性越強。

3.1.3抗車轍劑對混合料動態(tài)模量的影響

由圖6可以看出:加入抗車轍劑的AC-16與AC-25瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線在低頻高溫區(qū)段內(nèi)顯著高于基質(zhì)AC-16與AC-25瀝青混合料，在高頻低溫區(qū)段內(nèi)二者則較為接近。因為瀝青混合料是感溫材料，并且在高溫區(qū)間內(nèi)，集料間的嵌擠效果下降明顯，混合料強度降低，因此瀝青混合料的動態(tài)模量會出現(xiàn)較大損失?？管囖H劑的加入降低了瀝青混合料對溫度的敏感性，增強了混合料的彈性恢復(fù)能力，瀝青混合料強度增加，抗車轍能力顯著提升，高溫穩(wěn)定性增加。但是在低溫條件下，由于瀝青混合料整體變硬，此時抗車轍劑的加入對瀝青混合料動態(tài)模量的影響不大。

3.2瀝青混合料動態(tài)模量與路用性能的關(guān)系

瀝青混合料在不同溫度條件下的動態(tài)模量可以作為評價瀝青路面高低溫性能的指標(biāo)。結(jié)合表3與圖4、6可以看出:在低頻高溫區(qū)段內(nèi)，6種瀝青混合料的動態(tài)模量都迅速減小，在主曲線上表現(xiàn)為斜率增大，這與實際城市道路中，夏季高溫時期上坡路段、信號交叉口、公交車站、停車場等車輛低速重載行駛路段容易發(fā)生車轍病害的現(xiàn)象相對應(yīng)。在低頻高溫區(qū)段內(nèi)，AC-16(改性)、AC-25(改性)與AC-16(基質(zhì)+抗車轍劑)、AC-25(基質(zhì)+抗車轍劑)的動態(tài)模量顯著高于相應(yīng)的基質(zhì)瀝青混合料。結(jié)合圖4可知:6種瀝青混合料的抗車轍能力依次為AC-25(改性)>AC-16(改性)>AC-25(基質(zhì)+抗車轍劑)>AC-16(基質(zhì)+抗車轍劑)>AC-25(基質(zhì))>AC-16(基質(zhì))，說明影響瀝青混合料高溫性能最關(guān)鍵的因素是瀝青種類，同時抗車轍劑的加入也會提升混合料的抗車轍能力，在合理配比與其他因素相同的情況下，AC-16與AC-25混合料的抗車轍性能無顯著差別。相反地，結(jié)合圖5、6可知:在低溫條件下，動態(tài)模量數(shù)值越高瀝青混合料的形變能力越弱，低溫性能越差，路面越容易發(fā)生低溫開裂病害。但是在較高的加載頻率下，瀝青混合料的動態(tài)模量值明顯增大，并且由于實際路面中，車輛荷載作用時間短，故較高的加載頻率對瀝青路面低溫性能并無太大影響。

動態(tài)模量作為瀝青路面設(shè)計的重要因素，其數(shù)值大小與路面疲勞壽命存在著直接聯(lián)系。結(jié)合圖6與表5可知:動態(tài)模量較高的基質(zhì)瀝青混合料，其疲勞壽命較小，動態(tài)模量與疲勞壽命呈負(fù)相關(guān)。同時結(jié)合圖4

可以看出:基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與抗疲勞性能是一對矛盾體，高溫穩(wěn)定性好，抗車轍能力會降低，反之亦然。但是加入抗車轍劑或使用改性瀝青后，可以在提升瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的同時獲得較好的抗疲勞性能，抗車轍劑與改性瀝青的使用可以在增加瀝青混合料動穩(wěn)定度與動態(tài)模量的同時不會降低混合料的抗疲勞性能。

4、結(jié)論

以瀝青混合料室內(nèi)動態(tài)模量試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，繪制了AC-16(基質(zhì))、AC-16(改性)、AC-16(基質(zhì)+抗車轍劑)、AC-25(基質(zhì))、AC-25(改性)、AC-25(基質(zhì)+改性)6種瀝青混合料動態(tài)模量主曲線，研究了瀝青混合料動態(tài)模量影響因素以及動態(tài)模量與瀝青混合料性能之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論:

(1)溫度與加載頻率是影響瀝青混合料動態(tài)模量的關(guān)鍵因素。在不同的加載頻率下，瀝青混合料的動態(tài)模量隨試驗溫度的升高迅速降低;在不同的試驗溫度下，瀝青混合料的動態(tài)模量隨加載頻率的增大而逐漸增大。

(2)瀝青種類是影響瀝青混合料動態(tài)模量的重要因素，兩種瀝青混合料在不同的溫度加載頻率范圍內(nèi)對應(yīng)力的敏感程度不同，不同瀝青種類的瀝青混合料對溫度、加載頻率的適應(yīng)范圍不同。瀝青混合料的動態(tài)模量隨集料的最大公稱粒徑的增大而增加，集料的最大公稱粒徑越大，混合料的動態(tài)模量值越大。隨著抗車轍劑的加入，瀝青混合料對溫度的敏感性降低，添加抗車轍劑的瀝青混合料的動態(tài)模量值隨試驗溫度的變化而變化的程度在不同的加載頻率下均小于基質(zhì)瀝青混合料。

(3)對于基質(zhì)瀝青混合料，動態(tài)模量增加的同時其疲勞壽命會降低，但對于加入抗車轍劑或使用改性瀝青的瀝青混合料，在瀝青混合料動穩(wěn)定度和動態(tài)模量得到提高的同時，不會降低瀝青混合料的抗疲勞性能。