高模量沥青混合料的力学性能分析

陈　剩

(湖南省建筑工程集团总公司，湖南　长沙　410004)



高模量沥青混合料的力学性能分析

陈剩

(湖南省建筑工程集团总公司，湖南长沙410004)

为研究高模量沥青混合料在静态、动态荷载作用下的力学性能，文章采用DXG-2高模量剂提升普通沥青混合料的模量，并通过劈裂强度试验、静态回弹模量试验以及动态模量试验，分析静态、动态荷载作用下不同模量的沥青混合料的力学性能变化规律，得出结论：沥青混合料的劈裂强度随着高模量剂掺量的增加有着明显的提高，但掺量应<0.6%；沥青混合料的抗压强度、静态回弹模量均随着高模量剂掺量的增大逐渐增大；温度越高，高模量沥青混合料的动态模量越小，且加载频率越大，动态模量越大，故高温季节应当控制重载超载现象；在相同温度、加载频率条件下，高模量剂的掺量越大，沥青混合料的动态模量越大，而相位角越小。

劈裂强度；静态回弹模量；动态模量；沥青混合料；力学性能

0　引言

普通沥青混合料有着易施工、便养护、行车平稳等诸多优点，广泛应用于国内公路[1]。但由于交通量增加速度过快，且重载超载现象频繁出现，导致路面所承载的压力逐渐增大，从而引起路面发生裂缝、车辙、沉降等病害现象，因此将其作为路面面层材料已经无法满足高等级公路的行车要求[2-3]。已有相关研究表明，高模量剂可提高沥青混合料的稳定性和疲劳寿命，降低路面发生永久变形的几率，有效减少普通沥青混合料的相关病害现象[4-5]。

目前，关于高模量沥青混合料力学性能的试验研究大多为静载条件下水稳定性、高温稳定性以及低温抗裂性的变化[6]。然而针对静、动态荷载条件下高模量沥青混合料的力学性能对比分析相对较少，且力学性能是衡量其刚度与模量的主要指标。因此，本文基于劈裂强度试验、静态回弹模量试验以及动态模量试验，分析静态、动态荷载作用下不同模量的沥青混合料的力学性能变化规律，为同类研究提供重要参考依据。

1　试验材料

试验采用的沥青混合料类型为HK#70基质沥青，该材料的基本技术指标如表1所示。其中粗细集料通过对玄武岩进行破碎获得，矿粉选用石灰石粉，其相关物理力学指标均符合技术标准；采用DXG-2高模量剂提升沥青混合料的模量，DXG-2高模量剂呈黑色颗粒状，具有较好的抗车辙、防变形等力学性能；按照SMA-13合成级配类型制作沥青混合料，具体如表2所示。

表1　HK#70基质沥青的各项技术指标表

表2　沥青材料的SMA-13合成级配表

2　试验方法

2.1劈裂强度试验

通过采用马歇尔击实法制作试验所需试件，然后使用万能材料试验机对试件加载，加载速率为50 mm/min，利用数据记录仪生成荷载-变形曲线，并获得试件破坏时的最大荷载，根据公式(1)可计算出试件的劈裂强度。

(1)

RT——表示劈裂强度(MPa)；

PT——表示荷载最大值(N)；

h——表示试件的高度(mm)。

2.2静态回弹模量试验

选用万能材料试验机进行静态回弹模量试验。采用圆柱体沥青混合料试件，其成型尺寸的直径、高均为100 mm±2 mm，通过圆柱体单轴压缩法测得试件的抗压强度、静态回弹模量数据。

2.3动态模量试验

选用通过使用旋转压实仪制作动态模量试验所需试件，其直径、高的成型尺寸分别控制在100 mm±2 mm、150 mm±2 mm，使用SPT试验仪分别将沥青混合料的动态模量、相位角数据进行测定。

3　静载试验分析

3.1劈裂强度试验

通过对试件进行劈裂强度试验，测得温度为15 ℃、20 ℃、25 ℃时，4种不同高模量剂掺量(0%、0.5%、0.6%、0.7%)沥青混合料的劈裂强度，同时分析了不同高模量剂掺量沥青混合料的劈裂强度变化规律。具体变化规律如图1所示。

图1　高模量剂掺量与劈裂强度的变化关系曲线图

根据图1可知：相同高模量剂掺量的沥青混合料，温度越低时，其劈裂强度越大，说明沥青混合料的感温性较好，即当温度升高时，沥青混合料的刚度逐渐降低，趋于软化，从而引起劈裂强度降低。随着高模量剂掺量的增加，各温度下劈裂强度的变化规律均呈先增大后减小，在高模量剂掺量为0.6%，温度为15 ℃、20 ℃、25 ℃时，沥青混合料的劈裂强度达到最大，分别为1.91 MPa、1.37 MPa、0.9 MPa，当继续提升沥青混合料的掺量时，其劈裂强度反而呈降低趋势发展，造成这一现象是由于高模量剂掺量的提升，致使高模量剂颗粒能够吸附更多的沥青，相应减少了沥青混合料中的自由沥青，大大增加了结构沥青的相对比例，从而增大沥青结合料与矿料之间的勃结力，因此劈裂强度增大；而当高模量剂掺量的逐渐增加，超过0.6%时，结构沥青的相对比例趋于平稳，因此过量的高模量剂颗粒致使骨料撑开，能够弱化沥青结合料与矿料之间的嵌锁能力，导致沥青混合料的劈裂强度降低。

3.2静态回弹模量试验

通过对试件进行静态回弹模量试验，测得温度为20 ℃时，高模量剂掺量为0%、0.5%、0.6%、0.7%沥青混合料的静态回弹模量与抗压强度，同时分析了不同高模量剂掺量沥青混合料的静态回弹模量与抗压强度变化规律。其发展规律分别如图2、图3所示。

图2　高模量剂掺量与静态回弹模量的变化关系曲线图

图3　高模量剂掺量与抗压强度的变化关系曲线图

由图2、图3可知：高模量剂对沥青混合料的静态回弹模量与抗压强度有着明显的影响，两者均随着高模量剂掺量的增加逐渐增大。当掺量为0%时，静态回弹模量为1 261 MPa，抗压强度为3.231 MPa，而掺量为0.7%时，静态回弹模量为1 880 MPa，抗压强度为3.237 MPa，两者的增大幅度分别达50.1%、31.2%。造成这一现象是由于高模量剂掺量的增加，沥青混合料内部孔隙中的高模量剂填充更加充分，相应增大沥青混合料的密实度，提升沥青与矿料之间的勃结力，从而增强结构自身的刚度，降低形变，因此静态回弹模量增大。

4　动载试验分析

通过对试件进行静态回弹模量试验，测得温度为10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃时，各高模量剂掺量(0%、0.5%、0.6%、0.7%)沥青混合料在不同加载频率作用下的动态回弹模量与相位角，同时分析了不同高模量剂掺量沥青混合料的动态回弹模量与相位角变化规律，其中本次试验对试件加载的应力为129 kPa。相位角是表示应力与应变两者之间的滞后程度，对于完全弹性材料而言，因其应力与应变两者之间的变化过程同步进行，故相位角接近0°，而完全勃性材料，其应力与应变两者之间的变化过程在时间上存在较大的滞后，无法保持同步，则相位角等于90°[7]。沥青混合料是一种常见的勃弹性材料，其相位角处于0°～90°之间，相位角越小，说明该材料的弹性更加优越，相位角越大，说明勃性更优越[8]。具体变化规律如图4、图5所示。

由图4可知：当温度升高，不同掺量的高模量沥青混合料的动态模量变化规律均逐渐降低；当加载频率增大，其动态模量变化规律均逐渐增大。导致的原因是由于沥青混合料属于典型的勃弹性材料，温度较高时，沥青混合料出现软化现象，因此勃性流变较大，导致动态模量降低；在相同动载作用下，加载应力的频率越大，沥青混合料偏于硬化，蠕变性能受到限制，表现为弹性体，故动态模量增大。此外，相同条件下的高模量沥青混合料其掺量越多，动态模量越大，如在温度和频率分别为10 ℃、25 Hz条件下，高模量剂掺量为0%时，沥青混合料的动态模量为17 699 MPa，掺量为0.7%时，动态模量达到19 542 MPa，增大幅度为10.38%。这是因为，高模量剂掺量越多，沥青混合料产生的加劲与胶结作用越明显，致使沥青与集料间的勃结力增大，故动态模量越大。

(a)掺量0%

(b)掺量0.5%

(c)掺量0.6%

(d)掺量0.7%

(a)掺量0%

(b)掺量0.5%

(c)掺量0.6%

(d)掺量0.7%

根据图5可知：当温度<20 ℃时，各掺量沥青混合料的相位角变化规律随着加载频率增大逐渐减小，

当温度>30 ℃时，其相位角变化规律随着加载频率增大呈先减后增变化。这是因为沥青混合料在低温环境下，施加的动载频率越大，混合料的力学性能受到结合料的胶结性质影响越大，而处于高温环境时，施加的动载频率越小，其受到结合料的影响越小，此时混合料的力学性能主要由骨料的骨架特性决定，故在高温高频条件下，相位角的变化规律呈增大形式。当温度和频率相同时，沥青混合料的相位角变化规律随着高模量剂掺量的增大逐渐减小，且减小的幅度较小，其中在温度与频率分别为10 ℃、20 Hz条件下，高模量剂掺量为0%时，沥青混合料的相位角为13.38，掺量为0.7%时，其相位角为11.35，降低幅度较小，仅为2.33，表明不同掺量高模量剂对沥青混合料勃弹特性的影响均较小，其应力与应变也接近同步，故两者之间的滞后程度相近。

5　结语

(1)当高模量剂掺量增加，沥青混合料的劈裂强度先增大后减小；当掺量>0.6%，继续增加掺量其劈裂强度反而减小，故实际应用中高模量剂掺量应<0.6%。

(2)随着沥青混合料中高模量剂掺量的增加，其抗压强度与静态回弹模量均逐渐增大。

(3)高模量沥青混合料的动态模量随着加载频率的增大逐渐增大，且随着温度的升高逐渐降低，故高温季节应当减少重载超载现象。

(4)在相同温度、加载频率条件下，沥青混合料的动态模量随着高模量剂掺量的增大逐渐增大。

(5)同一温度、频率条件下，沥青混合料的相位角随着高模量剂掺量的增大逐渐减小，其减小程度并不明显，故高模量剂掺量对相位角的影响较小。

[1]杨朋.高模量沥青及其混合料特性研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[2]欧阳伟，刘云全，王连广.高模量沥青混合料的试验研究[J].公路，2008(1)：180-183.

[3]高立波.沥青路面结构抗车辙的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[4]余红杰.抗车辙剂对沥青混合料改性机理分析[D].西安：长安大学，2012.

[5]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.

[6]汪于凯，李立寒，孙艳娜.高模量沥青混合料模量的试验研究[J].上海理工大学学报，2014，36(2)：194-198.

[7]施晓强，杨军，陈先华.高模量沥青混合料的高低温性能研究[J].中外公路，2013，33(6)：309-312.

[8]肖庆一.掺加抗车辙剂沥青混合料技术性能及其数值模拟研究[D].西安：长安大学，2007.

Analysis on Mechanical Properties of High-modulus Asphalt Mixtures

CHEN Sheng

(Hunan Construction Engineering Group Corporation，Changsha，Hunan，410004)

In order to study the mechanical properties of high-modulus asphalt mixtures under static and dynamic loads，this article used DXG-2 high-modulus agents to enhance the modulus of ordinary asphalt mixtures，and through the splitting strength test，static resilient modulus test and dynamic modulus test，it analyzed the mechanical property changing rules of asphalt mixtures with different modulus under static and dynamic loads，then it concluded that：the splitting strength of asphalt mixture is significantly improved with the increase of high-modulus agent content，but the content should be <0.6%；the compressive strength and static resilient modulus of asphalt mixture both increase gradually with the increase of high-modulus agent content；the higher the temperature，the smaller the dynamic modulus of high-modulus asphalt mixtures，and the greater the loading frequency，the greater the dynamic modulus，thus the overloading should be controlled during high-temperature season；and under the same temperature and same loading frequency conditions，the larger content of high modulus agents，the greater the dynamic modulus of asphalt mixtures，and the smaller the phase angle.

Splitting strength；Static resilient modulus；Dynamic modulus；Asphalt mixture；Mechanical properties

U414

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.002

1673-4874(2016)08-0006-04

2016-06-11

陈剩(1973—)，工程师，主要从事公路桥梁施工与管理工作。