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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(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量具有一定影響，同時(shí)對(duì)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(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)和路用性能試驗(yàn)，分析了瀝青種類、集料最大公稱粒徑、抗車轍劑等因素對(duì)瀝青混合料動(dòng)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(dòng)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(duì)瀝青混合料的動(dòng)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(duì)溫度變化的敏感程度。另外，對(duì)于基質(zhì)瀝青混合料，動(dòng)態(tài)模量的增加會(huì)降低瀝青混合料的疲勞壽命，但對(duì)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(dòng)穩(wěn)定度和動(dòng)態(tài)模量得到提高的同時(shí)，不會(huì)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(dòng)態(tài)模量 | 路用性能 | 影響因素

傳統(tǒng)的路面設(shè)計(jì)是通過(guò)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(jì)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(shí)際動(dòng)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(dòng)態(tài)變化的，動(dòng)態(tài)模量是表征其在動(dòng)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(jì)規(guī)范》中，瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量已經(jīng)成為路面設(shè)計(jì)必不可少的參數(shù)之一。

瀝青混合料在時(shí)間和溫度條件下的力學(xué)響應(yīng)是等效的，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者，通過(guò)借助時(shí)溫等效原理與西格摩德(Sigmoidal)數(shù)學(xué)模型繪制動(dòng)態(tài)模量主曲線，同時(shí)采用W.L.F方程計(jì)算移位因子，將有限的加載頻率與試驗(yàn)溫度下的動(dòng)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(lái)研究溫度與荷載頻率對(duì)于動(dòng)態(tài)模量的影響，并且通過(guò)非線性最小二乘法進(jìn)行擬合分析。動(dòng)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(dòng)態(tài)模量變化趨勢(shì)，可以用于分析和預(yù)測(cè)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(dòng)態(tài)模量最為重要的兩個(gè)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(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響的研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。特別是不同瀝青混合料類型在影響瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的同時(shí)，對(duì)其路用性能、抗疲勞性能有何影響，目前還沒(méi)有系統(tǒng)的成果。該文選擇具有代表性的瀝青混合料級(jí)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(dòng)態(tài)模量、路用性能和抗疲勞壽命試驗(yàn)，探討不同瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量及其與路用性能和抗疲勞壽命的關(guān)系。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

為了研究動(dòng)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(jí)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(shí)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。控制試件空隙率為4%±0.5%。

1.3單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)參照J(rèn)TGE20-2011 T0738《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》。試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備采用UTM-100液壓伺服機(jī)進(jìn)行。試驗(yàn)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(guò)UTM-100對(duì)試件施加半正弦荷載。為了減小誤差，每組平行試驗(yàn)試件個(gè)數(shù)不少于4個(gè)，試驗(yàn)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(yàn)

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(shí)疲勞壽命作為瀝青路面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，在混合料的路用性能研究中亦作為評(píng)價(jià)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(xiàng)指標(biāo)與動(dòng)態(tài)模量間的關(guān)系。高溫穩(wěn)定性通過(guò)車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)，低溫性能通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)，疲勞壽命通過(guò)間接拉伸疲勞壽命試驗(yàn)評(píng)價(jià)。相關(guān)試驗(yàn)均參照J(rèn)TGE20-2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)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(shí)部與虛部組成，其實(shí)部表征彈性特征，稱為存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)后，通過(guò)數(shù)據(jù)匯總處理得到6種瀝青混合料動(dòng)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(dòng)態(tài)模量對(duì)于試驗(yàn)溫度與加載頻率具有明顯的依賴性。試驗(yàn)溫度對(duì)動(dòng)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(dòng)態(tài)模量均隨著試驗(yàn)溫度的升高而逐漸降低，不同瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量受溫度的影響一致。這主要是因?yàn)闉r青混合料作為黏彈性材料，在低溫時(shí)其力學(xué)特征主要表現(xiàn)為彈性，隨著試驗(yàn)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(qiáng)度下降，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)模量降低。加載頻率與動(dòng)態(tài)模量的關(guān)系為:在相同的試驗(yàn)溫度條件下，6種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均隨加載頻率的減小呈降低趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)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(shí)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(dòng)態(tài)模量呈現(xiàn)出隨加載頻率增加而升高的趨勢(shì)。

2.2動(dòng)態(tài)模量主曲線

瀝青混合料在時(shí)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(shí)間溫度等效原理。根據(jù)時(shí)間溫度等效原理，可以將瀝青混合料在各自試驗(yàn)溫度不同加載頻率下獲得的動(dòng)態(tài)模量轉(zhuǎn)換至參考溫度下，將動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成一條光滑的動(dòng)態(tài)模量曲線，即該參考溫度下的動(dòng)態(tài)模量主曲線。通過(guò)動(dòng)態(tài)模量主曲線，可以在全溫度全頻率范圍內(nèi)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模量值。瀝青混合料的動(dòng)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(dòng)態(tài)模量與時(shí)間(頻率)的函數(shù)關(guān)系。動(dòng)態(tài)模量數(shù)值由試驗(yàn)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(dòng)態(tài)模量與試驗(yàn)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(jì)算得出，如式(4)、(5)所示:

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

并通過(guò)非線性最小二乘法進(jìn)行擬合分析，通過(guò)判定系數(shù)R^2，評(píng)判西格摩德模型的擬合優(yōu)度。通過(guò)計(jì)算，得到6種瀝青混合料動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)模量變化規(guī)律，可以用于分析與預(yù)測(cè)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(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)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(yàn)研究，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖4、5與表5所示。

3、動(dòng)態(tài)模量影響因素分析

3.1瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響因素分析

6種瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線如圖6所示。

3.1.1瀝青種類對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響

由圖6可以看出:在大部分試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)兩種改性瀝青混合料的動(dòng)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(dòng)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(shuō)明優(yōu)質(zhì)瀝青對(duì)于瀝青混合料的性能改善作用是顯著的。但是相同級(jí)配的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線存在趨近交叉現(xiàn)象，說(shuō)明不同瀝青種類混合料在不同的加載頻率下對(duì)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(dòng)態(tài)模量主曲線斜率稍大于基質(zhì)瀝青混合料，說(shuō)明在此區(qū)段內(nèi)改性瀝青混合料對(duì)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(jí)配兩種瀝青混合料的動(dòng)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(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響不同級(jí)配的瀝青混合料其動(dòng)態(tài)模量均隨著試驗(yàn)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(shì)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?yàn)闉r青混合料的動(dòng)態(tài)模量受溫度的影響較大，而其他條件相同時(shí)，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(dòng)態(tài)模量值越高。同時(shí)，可以看出AC-25瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量受試驗(yàn)溫度的影響較大，并且當(dāng)溫度達(dá)到10℃以上時(shí)，隨著試驗(yàn)溫度的升高，其動(dòng)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(duì)溫度的敏感性越強(qiáng)。

3.1.3抗車轍劑對(duì)混合料動(dòng)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(dòng)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?yàn)闉r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(qiáng)度降低，因此瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量會(huì)出現(xiàn)較大損失?？管囖H劑的加入降低了瀝青混合料對(duì)溫度的敏感性，增強(qiáng)了混合料的彈性恢復(fù)能力，瀝青混合料強(qiáng)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(shí)抗車轍劑的加入對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響不大。

3.2瀝青混合料動(dòng)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(dòng)態(tài)模量可以作為評(píng)價(jià)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(dòng)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(shí)際城市道路中，夏季高溫時(shí)期上坡路段、信號(hào)交叉口、公交車站、停車場(chǎng)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(duì)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(dòng)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(shuō)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(shí)抗車轍劑的加入也會(huì)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(wú)顯著差別。相反地，結(jié)合圖5、6可知:在低溫條件下，動(dòng)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(dòng)態(tài)模量值明顯增大，并且由于實(shí)際路面中，車輛荷載作用時(shí)間短，故較高的加載頻率對(duì)瀝青路面低溫性能并無(wú)太大影響。

動(dòng)態(tài)模量作為瀝青路面設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)模量較高的基質(zhì)瀝青混合料，其疲勞壽命較小，動(dòng)態(tài)模量與疲勞壽命呈負(fù)相關(guān)。同時(shí)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(duì)矛盾體，高溫穩(wěn)定性好，抗車轍能力會(huì)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(shí)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(dòng)穩(wěn)定度與動(dòng)態(tài)模量的同時(shí)不會(huì)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(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)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(dòng)態(tài)模量主曲線，研究了瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量影響因素以及動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)模量隨試驗(yàn)溫度的升高迅速降低;在不同的試驗(yàn)溫度下，瀝青混合料的動(dòng)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(dòng)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(duì)應(yīng)力的敏感程度不同，不同瀝青種類的瀝青混合料對(duì)溫度、加載頻率的適應(yīng)范圍不同。瀝青混合料的動(dòng)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(dòng)態(tài)模量值越大。隨著抗車轍劑的加入，瀝青混合料對(duì)溫度的敏感性降低，添加抗車轍劑的瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量值隨試驗(yàn)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(duì)于基質(zhì)瀝青混合料，動(dòng)態(tài)模量增加的同時(shí)其疲勞壽命會(huì)降低，但對(duì)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(dòng)穩(wěn)定度和動(dòng)態(tài)模量得到提高的同時(shí)，不會(huì)降低瀝青混合料的抗疲勞性能。