基于正交试验方法的细集料沥青混合料动态模量研究

刘惠兵

（山西路桥第三工程有限公司，山西 忻州 034000）

0 引言

细集料沥青混合料可作为超薄罩面层和下封层，广泛应用于路面预防性养护。细集料沥青混合料按集料粒径大小可分为：粗的细集料沥青混合料，细集料沥青混合料和超细的细集料沥青混合料[1]，选择最大粒径为4.75 mm的细集料沥青混合料作为主要研究对象。

细集料沥青混合料黏弹特性显著，其动态力学性能更加不容忽视。沥青混合料的动态力学性能是指材料在外界交替变化的应力作用下的力学响应，主要包括：动态模量、动稳定度、疲劳寿命等。其中混合料动态模量是路面设计的基本依据，为路面结构有限元分析提供了基础数据。沥青混合料动态模量作为混合料工程应用的基础数据，其重要性不言而喻。南京林业大学周键炜[2]利用时间-温度置换原理确定了沥青混合料动态模量主曲线，并分析了沥青混合料黏温特性。长沙理工大学羊明[3]从影响沥青混合料动态模量的众多因素出发，研究了各因素对沥青混合料黏弹特性的影响和动态模量的回归方程。东南大学马翔等[4]利用简单的力学仪器测试了多种沥青混合料的动态模量，并分析了频率和温度对混合料动态模量的影响，结合规划求解得出动态模量主曲线。南京林业大学李强[5]采用不同受力模式对3种沥青混合料进行动态模量试验，分析围压、应力水平、受力模式等因素对动态模量主曲线的影响，并通过模型分析各因素对移位因子的影响，认为二次拟合可以消除主曲线上动态模量的极值对移位因子的影响。江苏省交通科学研究院赵延庆[6]对沥青混合料动态模量季节性变化规律进行了研究，认为混合料动态模量呈现出季节性变化规律，最大、最小日平均动态模量可相差14倍以上，随着路面深度的增加，动态模量的季节性变化规律逐渐减弱。目前，国内外有大量学者通过万能材料测试系统研究沥青混合料的动态模量，但是大多停留在大粒径级配混合料，如 AC-13、SMA-13、AC-20、AC-25 等[7-8]；利用弯曲梁流变仪研究低温劲度模量，评价低温抗裂性[9-11]。对细集料沥青混合料的研究主要集中在桥面防水层、下封层、抗滑磨耗层、路面坑槽修补等实际应用方面。美国德克萨斯大学Pedro[12]在论文中完整地论述了最大粒径为1.18 mm的细集料沥青混合料动态热机械仪圆柱形试件的制备方法。Fabiola等[13]利用动态热机械仪测试了细集料沥青混合料的复合剪切模量G*，并通过多种模型分析其主曲线之间的差异。但是利用正交试验方法研究细集料沥青混合料的动态模量，分析不同测试方法对动态模量的影响却鲜有报道。

正交试验方法是一种利用正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数的试验次数找到较好的生产条件，以达到最佳效果的统计学方法。吉林大学董伟智[14]利用正交试验设计方法对沥青混合料级配曲线、体积指标及路用性能进行了分析，最终确定了沥青混合料矿料级配的最优级配范围和最佳目标级配。长安大学吴传海[15]通过正交试验设计方法确定了沥青混合料的级配检验、优化准则及合理体积参数。正交试验设计方法的种种优点表明，利用正交试验设计方法对沥青混合料动态力学性能进行研究是一个不错的选择。

细集料沥青混合料的动态力学性能受集料类型、加载频率、温度和环境的影响较大，因此选择不同集料类型、加载频率、温度、环境条件下细集料沥青混合料的动态模量作为研究重点，利用正交试验方法分析上述因素对动态模量的影响程度。结合间接拉伸和三点弯曲测试方法分析动态模量，并评价其相关性。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

选用盘锦北方沥青股份有限公司70号道路石油沥青、玄武岩集料、安山岩集料、钢渣等为原材料，具体的性能如表1～表4所示。

表2 玄武岩的基本性能指标

表3 安山岩的基本性能指标

表4 钢渣的基本性能指标

所用填料为石灰石矿粉，无团聚结块现象，亲水系数为0.8，塑性指数为2.5%，具体性能指标见表5。

表5 填料试验结果

1.2 试验方法

细集料沥青混合料级配设计分别选取最大粒径为4.75 mm的玄武岩、钢渣和安山岩3种不同类型集料。为了试验结果的可比性，玄武岩、钢渣和安山岩的合成级配一致。合成级配曲线如图1。采用马歇尔电动双面击实75次，制备玄武岩、钢渣和安山岩3种砂粒式沥青混合料样品。玄武岩和安山岩沥青混合料的油石比确定为7.5；钢渣沥青混合料油石比确定为8.5，主要原因是钢渣表面多孔，凹凸不平，比表面积较大，极易吸收沥青。

图1 细集料沥青混合料的级配曲线

利用动态热机械仪（DMA）测试细集料沥青混合料的动态模量。DMA测试用混凝土样品包括圆柱体和长方体两种试样。圆柱体试样直径为16 mm，高度为25 mm；长方体试样长为30 mm，宽为10 mm，高为5 mm。圆柱体试样是利用马歇尔试件经过切割，然后钻芯取样获得的。长方体试样是通过切割机切成条状试样，然后用砂轮磨磨到相应尺寸，最后抛光，使样品表面光滑平整。紫外老化沥青混合料的制备：把沥青混合料放入紫外老化箱（箱内温度60℃，辐照强度73 w/m2），经过7 d的紫外光照射所得到的沥青混合料（武汉一个季度的紫外辐照量）。水损害沥青混合料的制备：参照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料实验规范中T0729—2000，用容器装入一定量的混合料，在饱水情况下抽真空15 min，低温-18℃贮存16 h，再放入60℃温水中恒温24 h，再将试样放入25℃恒温水槽中恒温2 h，得到水损害沥青混合料。

2 结果与讨论

2.1 正交试验设计

正交试验设计是用部分试验代替全面试验，通过对部分试验的结果进行分析，了解全面试验的情况。研究工作中，很多情况下不止存在一个因素影响试验结果，通常会出现多因素。如若进行全面试验会浪费大量人力和财力。此时可以利用正交试验设计，并运用极差和方差对数据进行分析，寻找最佳试验条件。

针对本研究工作中可能出现的主要影响因素进行汇总并择优选取：选择温度、频率、环境和集料类型作为细集料沥青混合料动态模量的影响因素。

针对选定因素所处的条件或状态即因素水平：温度（5 ℃，15 ℃，25 ℃）；频率（0.5 Hz，1.0 Hz，2.0 Hz）；环境（未处理，紫外老化，水损害）；集料类型（玄武岩，钢渣，安山岩）。分析过程中以动态模量为基本指标。正交实验表L9（34）正好满足本试验要求，因此，只需要进行9次试验即可完成试验。马歇尔试样的动态模量测试按照我国的规范进行平行重复试验，以确保试验数据准确、可靠。按照影响因素和因素水平可得到表6所示的正交试验表。

表6 细集料沥青混合料动态模量分析正交试验表

按照上述多因素试验方案表进行试验，结果如表7所示。

表7 细集料沥青混合料动态模量正交试验结果 MPa

为分析各影响因素对沥青混合料间接拉伸动态模量的影响，利用极差分析对数据进行分析，判定各因素的影响因素主次顺序。由表8可知，环境条件下砂粒式沥青混合的极差最大，为3 858 MPa；温度和频率条件下细集料沥青混合料的极差居中，分别为3 202 MPa和2 832 MPa；集料类型条件下细集料沥青混合料的极差最小，为863 MPa。结果表明：温度、频率、环境和集料类型对细集料沥青混合料间接拉伸动态模量的影响顺序为：环境＞温度＞频率＞集料类型。

表8 极差分析表 MPa

2.2 温度和集料类型对动态模量的影响

由图2可知，随着温度的升高，沥青混合料的动态模量不断减少，当温度由5℃～15℃时，安山岩和钢渣沥青混合料动态模量变化不大，而玄武岩沥青混合料动态模量变化较大；当温度由15℃～25℃时，玄武岩和安山岩沥青混合料的动态模量变化较大，而钢渣沥青混合料的动态模量变化较小，这表明不同类型的细集料沥青混合料动态模量具有温度选择性。在3种不同集料类型的沥青混合料中，钢渣沥青混合料的动态模量最大，安山岩沥青混合料其次，玄武岩沥青混合料的最小。

图2 3种不同集料类型沥青混合料的间接拉伸动态模量

2.3 频率和环境对动态模量的影响

由表9～表11可知，低的温度和高的频率都会使沥青混合料动态模量增加，紫外老化会提高细集料沥青混合料的动态模量，而水损害则会降低细集料沥青混合料的动态模量。低温下，细集料沥青混合料的动态模量增加；高温下，细集料沥青混合料的动态模量降低。低频下，细集料沥青混合料的动态模量降低；高频下，细集料沥青混合料的动态模量增加。同时，水损害对玄武岩沥青混合料的动态模量损害程度较强，紫外老化对玄武岩沥青混合料的动态模量损害程度较弱，在低温时，甚至还能提高玄武岩沥青混合料的动态模量。

表9 玄武岩沥青混合料的动态模量 MPa

表10 紫外老化玄武岩沥青混合料的动态模量 MPa

表11 水损害玄武岩沥青混合料的动态模量 MPa

2.4 间接拉伸和三点弯曲动态模量对比分析

动态模量是评价道路材料动态应力与应变响应的重要指标，可以真实地反映沥青路面的实时工况，而且可以作为预测路面结构响应和路面性能的重要辅助参数。采用间接拉伸和三点弯曲两种受力模式对细集料沥青混合料动态模量进行对比试验，分析受力模式对细集料沥青混合料动态模量的影响，研究间接拉伸和三点弯曲受力模式下动态模量数值之间的相互转换关系。间接拉伸和三点弯曲动态模量测试方法的区别在于：三点弯曲试验其受力状态为单轴应力，而间接拉伸试验受力状态为双轴应力。由图3可知，5℃时三点弯曲动态模量对应较低温度（小于5℃）时间接拉伸动态模量，2.0 Hz时三点弯曲动态模量对应较低频率（小于0.5 Hz），以上结论表明：相同条件下，三点弯曲动态模量对应于温度较低时的间接拉伸动态模量；相同条件下，三点弯曲动态模量对应于频率较低的间接拉伸动态模量。

图3 间接拉伸和三点弯曲动态模量对比

利用统计学方法分析间接拉伸和三点弯曲动态模量，结果如表12所示。由表可知，2种不同加载方式的细集料沥青混合料t检验的P值都小于0.005，其中间接拉伸动态模量t统计量为3.84，大于2.26；三点弯曲动态模量t统计量为3.90，大于2.26。F检验的F值均大于Fcritical，表明在95%的置信度条件下，两种不同加载方式的细集料沥青混合料的间接拉伸和三点弯曲动态模量均存在显著相关。

表12 统计学分析结果

3 结论

采用正交试验设计方法研究细集料沥青混合料动态模量得出以下结论：

a）不同类型的细集料沥青混合料动态模量具有温度选择性；低的温度和高的频率都会使沥青混合料动态模量增加。

b）正交设计方法分析结果显示，各因素对细集料沥青混合料间接拉伸动态模量的影响顺序为：环境＞温度＞频率＞集料类型。

c）相同条件下，低温三点弯曲动态模量对应于低温间接拉伸动态模量；相同条件下，高频三点弯曲动态模量对应于低频间接拉伸动态模量。

d）在95%的置信度条件下，两种不同加载方式的细集料沥青混合料的间接拉伸和三点弯曲动态模量均存在显著相关。