沥青玛蹄脂碎石混凝土力学性质的试验评估

吴飞宇 ，丁海波

(1.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 211100；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)*



沥青玛蹄脂碎石混凝土力学性质的试验评估

吴飞宇1，丁海波2

(1.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 211100；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)*

以不同型态的试验方法，来评估探讨SMA力学模式的可行性，且评估其抗变形能力与传统密级配的比较.结果表明，SMA的相关实验不适合以张应变破坏的型态来探讨，即现场SMA路面的临界破坏模式非属于张应变破坏模式，而是压应变破坏模式.现场路面于受车辆载重时，其受力范围所产生自然束制力，正是提供SMA路面高承载及高抗变形能力的要素.所提出的围压压力式动态蠕变试验，用于分析各沥青混凝土的蠕变行为及抗变形能力有极高的可行性及可信度.

沥青玛蹄脂碎石混凝土(SMA)；试验方法；动态蠕变；围压

0 引言

沥青玛蹄脂碎石混凝土(SMA)是以高品质的集料组成粒料主架构，此架构间的空隙，用大量沥青混合料细粒料及填缝料形成的沥青胶砂浆所填充，整体混合料的沥青含量有时可高达7.0%以上，使SMA因沥青膜较厚而兼具耐久性和抗疲劳的特性，粗集料主架构则拥有良好的抗变形能力[1-4].

但目前SMA的相关设计法都仅发展至沥青混凝土的配比设计阶段，而于路面设计方面根本没有具体的方案，现场的路面也多以经验法则来铺筑[5-9].本研究以不同形态的试验方法，来评估探讨SMA力学模式的可行性，且评估其抗变形能力与传统密级配的比较，以期供未来路面设计的参考.

本文的主要目的是为找出合适研判SMA力学性质的试验方法.试验方式为利用不同的集料级配，包括SMA级配及密级配两种，配合未改性及改性沥青的四种组合沥青混凝土，使用不同形态的试验方法来进行试验，再由各试验结果，通过与现场SMA及密级配路面实际比较，来探讨各试验对于用来评估SMA力学性质的可行性，以期能找出适合SMA的试验方法及模拟模式，以对未来SMA路面设计上有所帮助；且以合适的试验方式，针对不同的集料级配、沥青及其他试验条件的改变，探讨其对沥青混凝土抗永久变形的影响，并以永久变形分析法分析各沥青混凝土的试验结果，以验证试验方式对各沥青混凝土的适用性.

1 研究方法

1.1 研究规划

本研究的传统密级配沥青混凝土的配比设计是依照中国公路规范规定；SMA的配比设计主要参照德国IFM规范，以美国沥青技术研究中心(NCAT)所研拟的SMA暂行规范为辅.

1.2 动态蠕变试验

为能以简单且方便的方式来研究集料级配对沥青混凝土永久变形的影响及评估各沥青混凝土的力学模式，本研究设计两种动态蠕变试验，分别为张力式及压力式动态蠕变试验.张力式动态蠕变试验方法为参考ASTM D4123的试件架设方式，进行长期动态反复荷载，以记录观察试件的侧向蠕变行为；压力式动态蠕变试验是参照BS 598-111及BS DD226规范的方法进行试验.各形态的动态蠕变程式的试验条件如表1～表3所示.

表1 张力式动态蠕变试验的试验条件

表2 无围压压力式动态蠕变试验的试验条件

表3 围压压力式动态蠕变试验的试验条件

2 试验结果与分析

2.1 试验方法与结果探讨

本研究为探讨SMA的力学模式，于相关试验中规划有稳定度试验、间接抗拉强度试验、动态模量试验与自行设计的张力式及压力式动态蠕变试验，表4、表5为马歇尔配比设计结果.

表4 密级配马歇尔配比设计结果

表5 SMA级配马歇尔配比设计结果

2.1.1 间接张力式破坏型态试验

稳定度试验、间接抗拉强度试验及张力式动态蠕变试验都是属于此型态.各沥青混凝土的稳定度及间接抗拉强度值见表6，而张力式动态蠕变试验结果见图1(a)、(b).

(a) 反复荷载为0.1MPa

(b) 反复荷载为0.5MPa

由研究结果发现，于各试验条件下，各沥青混凝土的强度顺序如下：

可得知SMA的强度都较传统密级配沥青混凝土差，此与现场的实际不符，故可判定现场SMA路面的临界破坏型态不属于张应变破坏型

态，即以张力式试验评估并不合理.

2.1.2 间接张力式非破坏型态试验

动态模量试验虽也属于间接张力荷载形式的试验，但其于试验过程中并不会将试件体压至破坏，其是以大小适当的荷载来打击试件，使试件处于稳定的弹性应变段，且记录此弹性段试件所受荷载及回弹量的关系，即动态模量值.各沥青混凝土试验值见表6.

表6 稳定度、间接抗拉强度及动态模量试验值

由试验发现各沥青混凝土的动态模量大小顺序如下：

低温时动态模量大小排序如下：

常温及高温时动态模量大小排序如下：

一般于低温状态下，假若沥青混凝土的动态模量数值较低，路面则较好地抵抗低温裂缝、龟裂的能力；于高温时，若动态模量数值较高，则路面对于车辆反复荷载作用所引起的车辙变形有较佳的抵抗能力.由试验结果可发现，SMA都比传统密级配沥青混凝土于低温时有较佳的抗抗裂缝龟裂能力，于常温高温下有较高的抗变形能力.故沥

青混凝土以其应力应变弹性段的动态模量数值来探讨其力学性质的优劣性或是可行的，但终究此试验结果是以间接张力荷载的方式所得，其是否真正适合用来研判SMA的力学性质，及应用于现场SMA路面的设计，此需更多试验室数据及现场经验才可判定.

2.1.3 压力式破坏型态试验

无围压压力式动态蠕变试验的蠕变结果见图2，而围压压力式动态蠕变试验结果见图3.

图2 沥青混凝土无围压压力式动态蠕变试验

图3 温度40℃沥青混凝土围压压力式动态蠕变试验

本研究的围压压力式动态蠕变试验结果可得各沥青混凝土抗变形能力的顺序如下：

本研究利用施加单轴压力式荷载及配合周围施以适当束制压力的蠕变试验，来分析各种级配的沥青混凝土，包括传统密级配及属于越级配的SMA沥青混凝土，其成效都与现场实际符合，且效果也相当良好.

于围压压力式动态蠕变试验前，本研究另有进行无围压的压力式动态蠕变试验，此是为研究当现场路面因受车辆垂直荷载，路面沥青层周围所产生的自然束制力，其对路面本身抗车辙变形能力的影响.由本研究的结果可得，于动态蠕变试验时，试件有/无施加围压束制，对各沥青混凝土抗变形能力的影响很大.由于SMA路面于承受外加荷载时，荷载主要是由集料粗颗粒与粗颗粒间直接接触所产生的摩擦力，即粗集料主架构间的互嵌效应所承受，而现场SMA路面受垂直车辆载重时，其受力范围所产生的自然束制力，即是维持此粗集料间互嵌效应的重要因素.SMA路面受车轮载重时，受力范围所产生自然束制力的示意图如图4.故于试验室中实验模拟SMA的蠕变行为或力学性质，试件周围施加适当束制围压是必要的.

图4 SMA路面受车轮载重时周围自然束制力示意图

2.2 其他外在因素对SMA的影响

图3、图5及图6为荷重打击次数与试件垂直向压应变量的关系图，试验温度为10、25及40℃.由试验结果可得，温度越高，试件变形速率越快；且SMA的抗变形能力都比传统密级配沥青混凝土好，由此可预期现场温度在此试验范围内，SMA路面会较传统密级配路面有良好的抗车辙变形的能力.

图5 温度25℃沥青混凝土围压压力式动态蠕变试验

图6 温度10℃沥青混凝土围压压力式动态蠕变试验

3 结论

(1)SMA的相关实验不适合以张应变破坏的型态来探讨，即现场SMA路面的临界破坏模式非属于张应变破坏模式，而是压应变破坏模式;

(2)现场路面于受车辆载重时，其受力范围所产生自然束制力，正是提供SMA路面高承载及高抗变形能力的要素.本文提出的围压压力式动态蠕变试验，用于分析各沥青混凝土的蠕变行为及抗变形能力有极高的可行性及可信度;

(3)SMA级配配合改性沥青的沥青混凝土具有最佳的抗变形能力.SMA路面的变形较传统密级配路面不易受外在环境因素及现场行车状况所影响.

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Research on Stone Mastic Asphalt Concrete Test Method to Assess Mechanical Properties

WU Feiyu1, DING Haibo2

(1.College of Mechanics and Materials, Hehai University, Nanjing 211100,China;2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，ChengDu 610031,China)

Different test methods are used to assess the feasibility of SMA mechanics model and its resistance to deformation in comparison with conventional dense graded. The results show that the SMA correlation experiments is not suitable to explore tensile strain destructive patterns. Namely, the critical failure mode field SMA pavement failure modes do not belong to tensile strain, but compressive strain failure mode. When scene pavement is under the vehicle load, its force generated by natural beam system, provides high-load and high-SMA pavement deformation resistance elements. The proposed confining pressure dynamic creep test used to analyze the behavior of each asphalt concrete creep and deformation resistance has high feasibility and credibility.

SMA;test method;dynamic creep;confining pressure

1673-9590(2016)04-0091-05

2015-10-21

国家自然科学基金资助项目(51208521)

吴飞宇(1989-)，男，硕士研究生，从事计算力学的研究E-mail:903157974@qq.com.

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