高模量沥青混合料模量的试验研究

汪于凯， 李立寒， 孙艳娜

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

随着我国公路交通运输量的快速增长，特别是重载车辆的增加以及高压轮胎的使用，沥青路面过早出现了车辙病害，路面结构的损坏也逐渐加剧.沥青混合料的模量作为沥青路面结构计算的重要参数，一方面可以反映路面结构应力—应变特性，另一方面又可以反映混合料的路用性能.学者研究发现，提高沥青混合料的模量能够减少相同车辆荷载作用下沥青路面产生的变形.增强混合料的抗高温能力，延长混合料的疲劳寿命，是解决重交通环境以及高温条件下沥青路面车辙病害的有效途径［1－2］.

高模量沥青混合料在国内的应用尚处于初步阶段，其模量参数一直是学者们关注的重点，包括静态模量和动态模量.静态模量是我国现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）规定的模量评价指标，而国内外研究成果提出要用动态参数来取代静态参数，因为动态模量相比于静态模量能够较好地模拟车辆荷载作用下路面的实际受力状况［3－5］.因此，同时进行高模量沥青混合料静态模量与动态模量的研究有其现实意义和研究价值.国内学者还对沥青混合料动态模量的预估［6］以及动静模量之间的对应关系展开了一定的研究［7－8］，但仍缺乏针对高模量沥青混合料模量参数选取和预估方面的研究.基于以上问题，本文采用MTS 810材料试验机测试高模量沥青混合料的模量，分析了动态模量分布特征及其影响因素和高模量沥青混合料与其它类型混合料动态模量的分布特征差异，还分析了沥青混合料动态模量与静态模量的相关关系，为高模量沥青混合料模量参数的选取以及高模量沥青路面结构的分析和设计提供依据.

1 试验材料与试验设计

1.1 试验材料

本试验研究采用3种高模量沥青混合料，分别为：烯烃类、天然沥青类和硬质沥青类高模量沥青混合料.前两种是在A－70沥青中掺加高模量改性剂制得，改性剂掺量为集料质量的0.6%；硬质沥青类高模量沥青混合料采用成品硬质沥青（15／25）制得.另采用SBS改性沥青混合料和A－70沥青混合料作为对比材料.

沥青混合料类型为AC－13，试验混合料的合成级配组成见表1.集料为玄武岩，矿粉为石灰岩.采用Superpave设计方法［9］进行试验沥青混合料的目标配合比设计，得到3种高模量沥青混合料的最佳沥青用量为5.0%；对比的A－70沥青混合料和SBS改性沥青混合料的最佳沥青用量为4.8%.试验混合料的基本信息汇总于表2.

表1 试验沥青混合料的级配组成Tab.1 Gradation composition of asphalt mixture

表2 试验沥青混合料基本信息汇总Tab.2 Basic information summary of asphalt mixture

1.2 试验设计

动态模量的测试参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E—20—2011）中的T0738—2011进行.首先按目标配合比拌制沥青混合料，在成型温度下老化2h后，采用旋转压实仪成型ф150mm×170mm的圆柱体试件；试件静置养生完全后，钻芯取样ф100mm×170mm的圆柱体试件；之后采用切割机切除所取芯样两端，保证试件高度为150mm±2.5mm.试验温度为5，15，20，40℃，测试频率为0.1，0.5，1，5，10，25Hz.

静态模量的测试参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E—20—2011）中的T0713—2000进行.按目标配合比拌制沥青混合料，在成型温度下老化2h后，采用静压方法成型ф100mm× 100mm的圆柱体试件.测试时加载速率为2mm／min，测试温度为15℃和20℃.

2 试验结果与分析

2.1 动态模量

采用MTS 810材料试验机，对3种高模量沥青混合料及2种对比沥青混合料的动态模量进行测试，分析频率和温度对混合料动态模量的影响.

2.1.1 频率对高模量沥青混合料动态模量的影响

加载频率对5种沥青混合料动态模量的影响如图1所示，Ed为混合料动态模量，f为加载频率.分析图1可知，在相同温度条件下，加载频率对3种高模量沥青混合料及两种对比沥青混合料动态模量的影响有着相同规律，即随着频率的增大，沥青混合料动态模量增大.

由图1还可以得出，相同温度和频率条件下，高模量沥青混合料的动态模量明显大于对比沥青混合料的动态模量，这表明高模量改性剂的加入可显著提高混合料的动态模量；且3种高模量沥青混合料中，硬质沥青类的动态模量大于烯烃类和天然沥青类.分析图1（d）可知，0.1Hz时硬质沥青类和天然沥青类的动态模量相近，而25Hz时硬质沥青类的动态模量却明显大于天然沥青类；0.1Hz时烯烃类的动态模量明显小于天然沥青类，而25Hz时烯烃类的动态模量却与天然沥青类相近.由此可见，40℃时硬质沥青类和烯烃类混合料动态模量对频率的敏感性要大于天然沥青类.

图1 各温度条件下频率对动态模量的影响Fig.1 Frequency effect on dynamic modulus under different temperatures

以15℃混合料动态模量数据为例，分析各频率条件下高模量沥青混合料相对于对比沥青混合料模量增大倍数，分析结果见表3.由表3可知，25Hz时高模量沥青混合料的模量是A－70沥青混合料的1.3～1.5倍，是SBS沥青混合料的1.4～1.6倍；0.1Hz时高模量沥青混合料的模量是A－70沥青混合料的1.8～2.4倍，是SBS沥青混合料的2.1～2.8倍.随着频率的降低，高模量沥青混合料的模量增大倍数增大.其它温度下，频率对混合料模量增大倍数影响与15℃时相似.

2.1.2 温度对高模量沥青混合料动态模量的影响

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试验温度对5种沥青混合料动态模量的影响如图2所示，t为试验温度.分析图2可知，在相同的频率条件下，试验温度对5种沥青混合料动态模量的影响也有着相同的变化规律，即随着温度的增大，混合料动态模量迅速减小.

表3 高模量沥青混合料动态模量增大倍数Tab.3 Increase multiple of dynamic modulus of high modulus asphalt mixture

图2 各频率条件下温度对动态模量的影响Fig.2 Temperature effect on dynamic modulus under different frequencies

由图2还可以看出，频率相同时高模量沥青混合料在中低温条件下（5℃和15℃）的动态模量相对于对比沥青混合料SBS和70有较大的提高；高温（40℃）时3类高模量以及SBS沥青混合料的动态模量相对于70沥青混合料同样有较大的提高，但SBS与烯烃类沥青混合料在低频（0.1，0.5，1Hz）时的动态模量相差不大；3种高模量沥青混合料中，5℃时烯烃类和硬质沥青类的动态模量相近，大于天然沥青类；40℃时硬质沥青类的动态模量最大，烯烃类最小，天然沥青类位于中间.由此可见，烯烃类混合料动态模量对温度的敏感性要大于硬质沥青类和天然沥青类.

2.2 静态回弹模量

2.2.1 高模量沥青混合料的静态回弹模量特征

采用MTS 810材料试验机，对3种高模量沥青混合料及两种对比沥青混合料在15℃和20℃下的静态回弹模量进行测试，测试结果如图3所示，Er为混合料静态回弹模量.分析图3可知，5种沥青混合料回弹模量受温度影响的规律一致，均随着温度的升高而减小.在各温度条件下（15℃和20℃）3种高模量沥青混合料的回弹模量明显高于两种对比沥青混合料，回弹模量的大小排列顺序依次为：硬质＞天然＞烯烃＞SBS＞70.

15℃，20℃时在相同频率条件下（25Hz，15℃时天然沥青类混合料动态模量稍大于硬质沥青类混合料；20℃时SBS沥青混合料动态模量稍大于70沥青混合料）5种沥青混合料的动态模量从大到小排列顺序依次为：硬质＞天然＞烯烃＞70＞SBS.对比分析可知，15℃和20℃时3种高模量沥青混合料动态模量与回弹模量的大小变化相对稳定，而SBS沥青混合料与70沥青混合料的模量值大小排列相反.这是因为回弹模量与动态模量测试的加载方式与方法并不相同，前者是以一定的速率（2mm／min）对试件加载，属于一种静态的变化，后者是以无间歇时间偏移正弦波为加载波形对试件进行加载，属于一种动态变化.这充分说明70沥青混合料的模量相对于高模量沥青混合料及SBS沥青混合料对动态变化更为敏感.

图3 沥青混合料在不同温度条件下的回弹模量Fig.3 Resilient modulus of asphalt mixtures under different temperatures

2.2.2 静态回弹模量与动态模量相关性分析

表4 沥青混合料静态模量与动态模量的回归结果Tab.4 Regression results between static modulus and dynamic modulus of asphalt mixtures

图4 沥青混合料静态模量与动态模量相关关系Fig.4 Correlation between static modulus and dynamic modulus of asphalt mixtures

3 结 论

本文通过对3种高模量沥青混合料以及2种对比沥青混合料展开模量试验研究，可以得出以下结论：

a.3种高模量沥青混合料动态模量中，硬质沥青类的动态模量大于烯烃类和天然沥青类.动态模量对频率敏感性分析中，硬质沥青类和烯烃类大于天然沥青类.动态模量对温度敏感性分析中，烯烃类要大于硬质沥青类和天然沥青类.

b.高模量沥青混合料的动态模量显著大于SBS沥青混合料和A－70沥青混合料.高模量沥青混合料的动态模量是A－70沥青混合料的1.3～2.4倍，是SBS沥青混合料的1.4～2.8倍，且随着频率的降低高模量沥青混合料的模量增大倍数越大.

c.3种高模量沥青混合料的静态回弹模量大于SBS沥青混合料和A－70沥青混合料，静态回弹模量大小从高到低依次为：硬质＞天然＞烯烃＞SBS＞70.

d.沥青混合料的静态回弹模量与较低频率下的动态模量呈较好的指数关系，在试验条件受限时可采用沥青混合料静态回弹模量值对动态模量值进行预估.

［1］ 王 刚，刘黎萍，孙立军.高模量沥青混凝土抗变形性能研究［J］.同济大学学报（自然科学版），2012，40（2）：217－222.

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