ECA-10型沥青混合料动态性能研究

2019-04-16翟晓静张庆宇曹胜语

中外公路 2019年4期

翟晓静，张庆宇，曹胜语

(河北交通职业技术学院土木工程系，河北石家庄 050091)

易密实沥青混凝土(Easy-Compact Hot-Mix Asphalt，简称ECA)是一种细粒式薄层、抗车辙型沥青混凝土。通常用作沥青路面超薄罩面，是一种预防性养护材料，厚度为2～3 cm，集料公称最大粒径为9.5 mm，即ECA-10。众所周知，行车荷载对沥青路面的作用具有瞬时性，且长期处于应力应变交叠变化状态。采用动态性能试验测试材料的力学参数进行路面结构设计或性能预估研究，已是国内外普遍采用的方法。沥青混合料是一种黏弹性材料，其力学响应依赖加载时间、温度和荷载，永久变形是沥青路面最主要的早期病害之一。该文采用简单性能试验机研究ECA-10型沥青混合料动态模量和动态蠕变规律，构建时温等效下动态模量主曲线和黏弹性力学模型，为ECA-10型沥青混合料路面结构设计参数和混合料性能评价指标提供参考。

1 试验准备

1.1 原材料及技术性质

(1) 沥青。采用SBS改性沥青，其性能指标试验结果满足技术规范要求。

(2) 集料及填料。超薄罩面ECA-10型沥青混合料所采用的粗集料为辉绿岩碎石，细集料为0～2.36 mm机制砂，其技术指标满足规范要求。填料为石灰岩矿粉，表观密度实测值为2.813 g/cm3，满足技术规范不小于2.5 g/cm3的要求。

(3) 聚酯纤维。超薄罩面ECA-10型沥青混合料所采用的聚酯纤维为上海某公司生产，聚酯纤维的添加量为沥青混合料质量的0.25%。技术性能指标如表1所示。

表1 聚酯纤维技术指标

(4) 温拌剂。一种表面活性类材料，可提高较低温度下沥青混合料的拌和性能和可压实性，温拌剂为上海某公司，温拌剂的添加量为沥青质量的5%(样品为稀释液)。

1.2 混合料配合比设计

超薄罩面层沥青混合料采用的级配类型为ECA-10型，矿料级配依据目标组成设计进行掺配，级配组成如表2所示。

表2 ECA-10型沥青混合料级配组成

1.3 确定最佳油石比

采用马歇尔试验，按照规范要求，确定ECA-10型沥青混合料的最佳油石比为5.3%。

2 ECA-10型沥青混合料动态模量研究

2.1 动态模量试验

试验采用简单性能试验机，半正弦波加载，采用25、20、10、5、2、1、0.5、0.2和0.1 Hz作为试验的加载频率，试验温度为5、15、25和40 ℃。采用旋转压实仪(SGC)搓揉成型直径为150 mm、高为200 mm的圆柱体试件，钻芯取样，再切割成直径100 mm、高150 mm的圆柱体试件。

试验对ECA-10型沥青混合料分别在不同加载频率、不同温度下进行了3组平行试验，将3次试验的平均值作为试验结果，结果如图1、2所示。

图1 ECA-10型沥青混合料动态模量试验结果

图2 ECA-10型沥青混合料相位角试验结果

由图1、2可知：ECA-10型沥青混合料随着温度的升高，动态模量逐渐减小。温度从5 ℃升高到40 ℃，动态模量平均降幅高达91.7%。温度在5 ℃和15 ℃时，ECA-10型沥青混合料的相位角随加载频率的增大而逐渐减小；温度在25 ℃和40 ℃时，ECA-10型沥青混合料的相位角随加载频率的增大呈先增大后减小变化。究其原因，高温低频条件下，集料是沥青混合料的关键，沥青胶结料影响变小，而集料的相位角较小，因此，沥青混合料在高温低频时相位角较小。

2.2 动态模量主曲线

沥青混合料的动态模量主曲线通常运用非线性最小二乘法通过Sigmoidal型函数进行数值拟合得到：

(1)

式中：E*为动态模量(MPa)；tr为缩减时间(s)；δ为动态模量E*的最小值(MPa)；δ+α为动态模量E*的最大值(MPa)；β、γ为描述Sigmoidal型函数波形的参数。

将不同温度下的动态模量平移形成主曲线，关键在于求出时间-温度位移系数α(T)。时间-温度位移系数代表了各温度下的动态模量曲线到参考温度下主曲线的平移距离。式(2)为缩减时间、加载时间与位移系数的关系。

log[α(T)]=logt-logtr

(2)

式中:α(T)为位移系数；t为加载时间(s)；T为温度(℃)。

该文采用基于沥青混合料矿料间隙率VMA和沥青填隙率(沥青饱和度)VFA确定动态模量主曲线的方法。根据Christensen和Andersen在SHRP计划中的研究结果，通过Hirsch模型可以合理地估计动态模量的极大值，如式(3)所示：

(3)

(4)

式中：|E*|max为最大极限模量[psi(1 MPa= 145 psi)]；VMA为矿料间隙率(%)；VFA为沥青填隙率(%)。

ECA-10型沥青混合料的VMA=15.6%、VFA=71.2%，采用式(3)、(4)计算最大极限模量，并取对数作为Max；ECA-10型沥青混合料的Max=6.521。

该文采用阿仑尼斯(Arrhenius)方程计算缩减时间，如式(5)所示：

(5)

式中：Tr为参考温度(℃)；T为试验温度(℃)；ΔEa为拟合系数。

将式(5)代入式(1)，主曲线方程可表示为：

(6)

将式(2)和式(5)联立，各个温度下的位移系数可表示为：

(7)

将计算的Max和选定的参考温度Tr=20 ℃代入式(6)。该文利用1stopt1.5软件数值拟合在不同温度和频率条件下试验动态模量的对数值与式(6)预估的动态模量对数值之平方误差的总和最小确定拟合参数。拟合结果如表3所示。

表3 Sigmoidal主曲线方程参数拟合结果

由表3可知：其相关系数平方接近于1，表明相关密切，拟合良好。将表3中主曲线方程拟合参数代入式(7)，即可求出Tr=20 ℃时不同温度的位移系数，如表4所示。

表4 ECA-10不同温度的位移系数

根据表4中不同温度的平移因子可建立参考温度Tr=20 ℃时ECA-10的动态模量主曲线，见图3。

图3 ECA-10型沥青混合料动态模量主曲线

3 ECA-10型沥青混合料动态蠕变研究

3.1 动态蠕变试验

试验采用AMPT/SPT沥青混合料性能测试仪。试验方案：应力水平为0.4、0.7、1.0 MPa，无围压；试验温度为40、60 ℃；加载波形为半正弦波；荷载作用次数达到1 800次或微应变达到50 000 με时停止试验。60 ℃、1.0 MPa时ECA-10型沥青混合料动态蠕变破坏如图4所示。

图4 60 ℃、1.0 MPa时ECA-10型沥青混合料动态蠕变破坏

不同温度和不同偏应力条件下，ECA-10型沥青混合料动态蠕变规律见图5、6。

由图5、6可知：随着荷载作用次数的增多，ECA-10型沥青混合料的应变逐渐增大；在温度和荷载作用次数相同时，ECA-10型沥青混合料随着偏应力越大，其应变越大。

由图5可知：ECA-10型沥青混合料在40 ℃时呈两阶段变形，即变形迁移期和稳定期，以0.4 MPa的平均微应变为基准，其0.7 MPa和1.0 MPa分别增长了39%和132%，可见荷载应力的增大，导致沥青混合料变形成倍增加。

图5 ECA-10型沥青混合料在40 ℃下动态蠕变规律

图6 ECA-10型沥青混合料在60 ℃下动态蠕变规律

由6可知：在60 ℃高温阶段，偏应力1.0 MPa时，ECA-10型沥青混合料呈三阶段变形，即变形迁移期、稳定期和破坏期，沥青混合料应变急剧增加，因此，严格控制轮胎的荷载应力是减轻路面永久变形的重要措施。

不同偏应力作用下ECA-10型沥青混合料动态蠕变曲线见图7。

由图7可知：温度是影响ECA-10型沥青混合料动态蠕变的重要因素。在相同偏应力水平下，同一循环荷载作用次数下ECA-10型沥青混合料的动态蠕变随温度的升高而增大。

3.2 黏弹性力学模型

为了更好地表达沥青混合料的黏弹性行为，该文以修正Burgers模型为基础，建立了重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型，如图8所示。

推导可得考虑行车荷载重复作用存在间歇时间的沥青混合料黏弹性力学模型为：

εP/N=σ0P1(1-e-0.2P2N)+σ0P3(1-e-P4N)

(8)

采用式(8)对试验数据进行拟合，采用Matlab软件编写前述迭代过程相关程序，可得ECA-10沥青混合料力学模型拟合参数如表5所示。

不同温度不同偏应力下ECA-10型沥青混合料动态蠕变曲线较多，以温度40 ℃、偏应力0.4 MPa时ECA-10型沥青混合料的试验结果和拟合结果为例，其相关性见图9，其他类似，不再赘述。

(a) 偏应力0.4 MPa

(b) 偏应力0.7 MPa

图8 沥青混合料黏弹性力学模型

由图9可见：ECA-10型沥青混合料黏弹性力学模型的拟合曲线与动态蠕变实测曲线拟合良好，基本一致。由表5可知：ECA-10型沥青混合料黏弹性力学模型拟合参数的相关性系数均在0.98以上。综上说明，考虑行车荷载重复作用存在间歇时间的沥青混合料黏弹性力学模型较好地模拟了沥青混合料永久变形的发展规律，可为沥青路面的永久变形预估提供支撑。