沥青稳定碎石动静模量测定对比试验研究

吴国平

沥青稳定碎石基层可以克服半刚性基层沥青路面的一些弱点，可以解决现有高速公路路面早期破坏严重的问题，并且由于其模量与沥青面层接近、沥青稳定碎石基层与沥青面层的层间粘结效果好等优点，有利于提高路面受力的协调性，延长路面使用寿命。沥青路面设计参数的测定和选取是路面设计工作的主要内容。根据我国现行的设计体系和对动载作用研究的需求，本文选用沥青稳定碎石的抗压回弹模量和动态模量来表征材料的基本力学性能;进行不同级配和不同沥青标号条件下的抗压回弹模量试验和动态模量试验，研究不同条件对沥青稳定碎石模量的影响规律及抗压回弹模量和动态模量相关关系。

1 材料组成及试件成型

本试验沥青材料选用70号和30号道路石油沥青，两种沥青试验检测结果见表1;ATB-30和ATB-40选用级配见表2。

表1 沥青试验检测结果

表2 ATB-30和ATB-40设计级配

通过马歇尔试验设计，ATB-30和ATB-40的最佳油石比分别为3.4%和3.3%，设计空隙率控制在4%。沥青混合料试件的制作方法采用静压法，对试件的成型采用高度控制，以压实度为控制指标，这种成型方法对压力没有规定，通常为20 MPa～30 MPa。

2 模量试验方法与计算

2.1 抗压回弹模量试验

我国对静态抗压回弹模量试验的研究已经比较完善。试验方法见行业标准JTJ 052-2000，T0713-2000公路工程沥青与沥青混合料试验规程。沥青混合料的单轴压缩试验按规定方法进行逐级加载卸载，测定试件的抗压回弹模量。抗压回弹模量试验方法简单，设备便宜，但却存在着一个明显的缺陷，即抗压回弹模量不能够反映工程现场的实际情况。

按照式(1)和式(2)计算各级荷载下试件实际承受的压强 qi。绘制各级荷载的压强 qi与回弹变形ΔLi，将 qi—ΔLi关系绘成一平顺的连续曲线，从坐标轴第 5级荷载(0.5P)读取压强 q5及相应的ΔL5。

其中，qi为相应于各级试验荷载Pi作用下的压强，MPa;Pi为施加于试件的各级荷载值，N;E′为抗压回弹模量值，MPa;q5为相应于第5级荷载(0.5P)时的荷载压强，MPa;h为试件轴心高度，mm;ΔL5为相应于第5级荷载(0.5P)时经原点修正后的回弹变形，mm。

2.2 动态模量试验

本次研究试验温度为15℃，采用逐级加载、卸载，荷载级别为0.2 MPa的半正矢荷载，加载频率10 Hz，循环次数为10次。

具体计算公式为:

1)量测最后5次加载循环的平均荷载和应变幅值，计算轴向应力:

其中，σ为轴向应力幅值，MPa;F为试验所加荷载，kN;A为试件横截面面积，m2。

2)动态模量:

其中，E为动态模量，MPa;ε为轴向可恢复应变幅值。

3)动态模量代表值:

其中，¯E为动态模量实测平均值;S为标准差;n为试件个数;t为随保证率而变的系数，当为95%的保证率时，t=2.015。

3 对比试验结果及分析

利用上述两种试验方法得到不同级配和不同沥青标号的沥青稳定碎石抗压回弹模量试验结果(见表3)，动态模量试验结果见表4。

表3 15℃的抗压回弹模量试验结果 MPa

表4 15℃的动态模量试验结果 MPa

3.1 不同级配类型对模量的影响

从同种沥青不同级配类型的沥青稳定碎石模量结果对比可以看出，无论是抗压回弹模量还是动模量，相同沥青种类ATB-30均比ATB-40的模量值要大，公称粒径较小的沥青稳定碎石基层的模量要更大。

3.2 不同沥青种类对模量的影响

从不同沥青种类对沥青稳定碎石模量的影响可以看出，无论是抗压回弹模量还是动模量，同一种级配选用30号沥青的混合料模量比选用70号沥青的要高，因此，使用30号硬质沥青能有效提高沥青稳定碎石模量。

3.3 动态模量与抗压回弹模量相关关系

静态的抗压回弹性模量是一定时间与温度条件下，应力与总应变的比值，总应变包括了弹性、粘弹性与粘塑性变形。而动态弹性模量是在反复荷载作用下，弹性应变和粘弹性应变的比值。两种试验中试件承受的力学图式相同，只是试验方法不同，故两者测定结果应具有相关性。对表3和表4中所示的试验结果进行线性回归，同在15℃温度条件下，相同级配类型和相同沥青种类的稳定碎石动态模量与静态抗压回弹性模量之间的关系如下:

其中，相关系数 R=0.99。

以上回归关系经检验，其线性关系显著性检验值均符合要求，故动模量与静态抗压回弹模量有一定相关性，利用式(6)，可以通过常规的单轴压缩试验测定静态抗压回弹模量来估算动模量，计算精度能满足工程设计要求。

4 结语

1)无论是抗压回弹模量还是动模量，相同沥青种类ATB-30均比ATB-40的模量值要大，公称粒径较小的沥青稳定碎石基层的模量要更大。2)无论是抗压回弹模量还是动模量，同一种级配选用30号沥青的混合料模量比选用70号沥青的要高，因此，使用30号硬质沥青能有效提高沥青稳定碎石模量。3)动模量与静态抗压回弹模量有一定相关性，可以通过常规的单轴压缩试验测定静态抗压回弹模量来估算动模量，计算精度能满足工程设计要求。

[1] 陈静云，任瑞波，李玉华，等.沥青路面柔性基层和半刚性基层模量理论研究[J].大连理工大学学报，2004，44(4):536-538.

[2] 胡 斌.沥青稳定碎石柔性基层(沥青稳定碎石)应用研究[D].西安:长安大学硕士学位论文，2005.

[3] 赵延庆，薛 成，黄荣华.沥青混合料抗压回弹模量与动态模量比较分析[J].武汉理工大学学报，2007，29(12):101-102.

[4] 应荣华，张起森.沥青混合料设计参数测定对比试验研究[J].中南公路工程，1999，24(2):98-100.