测试方法对沥青混合料动态模量取值的影响

2019-04-16刘胜刘靖宇

中外公路 2019年4期

刘胜，刘靖宇

(1.长沙理工大学，湖南长沙 410114； 2.湖南省交通科学研究院有限公司)

单轴压缩状态的回弹模量是国内外沥青道路的主要设计参数，美国从20世纪70年代就致力于动态模量的研究，并于2004年的NCHRP子报告1-37A中完成了Simple Performance Tester(SPT)及其试验方法的研发。采用两点弯曲模式对T形梁试件进行动态加载，其试验体系广泛应用于欧洲。与国外相反，中国1986版设计规范、1997版设计规范、2006版设计规范一直沿用静态回弹模量，到2017版设计规范实现了从静到动的转变，并确定以2011版试验规程中的单轴压缩试验(T0738)作为动态模量的测试方法。

然而，由于长年静态模量经验累积的主观认知存在差异，加之工地试验仪器达不到要求，在实用中测定动态模量的方法不统一，主要体现在：① 荷载状态，现行规范规定了两种加载波形，但并没有明确不同加载波形带来的差异；② 试件尺寸，规范要求的φ100 mm×150 mm圆柱体试件成型难度较高，需先SGC成型φ150 mm×170 mm试件，通过切割、钻芯等一系列操作，方可进行测试，相对而言φ100 mm×100 mm尺寸试件因其成型简便、用料节约而更受青睐；③ 变形采集方式，过去采集的静态模量数据往往采用千分表等观测得到，结果偏主观。

为研究上述不同测试方法间的差异，设计了不同荷载状态、试件状态和数据采集手段的沥青混合料室内试验，以量化测试方法对模量取值的影响。

1 原材料设计

采用AC13矿料级配及秦皇岛SBS I-D改性沥青作为沥青混合料原料，其级配及混合料常规性能均满足规范要求，分别见表1、2。

表1 AC13级配设计

表2 沥青混合料常规性能指标

按照规范T0738要求，每组平行试验保证5个有效试样，试验温度为20 ℃，计算得到AC13-SBS沥青混合料在不同测试方法下的单轴压缩动态回弹模量值(以下简称动态模量)。

2 荷载状态对动态模量取值的影响

2.1 加载波形

在国内外相关研究中，应用最多的加载波形主要有：三角波、半正弦波、半正矢波(Haversine波)。3种加载波形下的动态模量如图1所示。

图1 3种加载波形动态模量

从图1可以看出：三角波与Haversine波的动态模量基本相等，而半正弦波的动态摸量略大于Haversine波和三角波，数值偏高20%～50%；从能量的角度来看，单个荷载周期内半正弦波对试件施加的荷载能量最大，而Haversine波和三角波的荷载能量接近。因此，半正弦波下试件测试得到的动态模量较大，比三角波与Haversine波高20%～50%。

2.2 加载方式

除加载波形外，荷载连续与否也是动态加载必须考虑的问题。已有研究认为，间歇荷载研究的是单次行车荷载对道路结构的影响，而连续荷载研究的是稳定荷载作用下的路面响应状态，间歇加载或者连续加载都有一定理论意义。通常动态加载试验中存在两种加载方式：① 连续荷载；② 间歇荷载。加载0.1 s，间歇0.9 s。分别进行5、10 Hz频率下两种加载模式的动态模量试验，结果如表3所示。

从表3可以看出：各个荷载振幅下连续荷载作用的动态模量比间歇的大。在荷载频率10 Hz时这种差别尤为明显，连续荷载下的动态模量比间歇荷载下的动态模量平均大20%。而在5 Hz时仅大3%左右。由此可见，间歇时间对动态模量的影响与荷载频率有直接关系。当荷载频率较大时，间歇时间的影响比较明显，当荷载频率较小时影响不大。

表3 荷载间歇对动态模量的影响

3 试件状态对动态模量取值的影响

3.1 试件尺寸

按照规范T0738及SPT试验要求，单轴压缩动态模量试验采用φ100 mm×150 mm试件进行试验，但作为中国传统路面材料回弹模量的测量方法，习惯采用φ100 mm×100 mm尺寸的试件，其原因如下：① 大量的室内外对比试验发现，φ100 mm×100 mm尺寸试件采用顶面法测定的静态模量与施工现场承载板测定的模量数值十分接近；② 试验方法简单，因此仍有不少研究和工程应用采用φ100 mm×100 mm的试件进行试验。为了明确这两种试件尺寸对动态模量测试结果的影响，分别成型了φ100 mm×150 mm和φ100 mm×100 mm试件进行试验，结果见图2。

在受压过程中，试件端面与上下金属压板之间产生摩擦力，使得试件在受压时端部还受到摩擦力的约束，导致试验结果存在误差(表4)。由图2、表4可知，φ100 mm×150 mm试件的动态模量均明显大于φ100 mm×100 mm试件，其动态模量值为后者的1.2～1.6倍，说明试件尺寸对模量取值的影响较大，为减小端部效应对模量测试的干扰，应采用φ100 mm×150 mm圆柱体试件测得的结果作为动态模量标准值。此外，根据表4可知，5 Hz频率对应的动态模量比值高于10 Hz、轻载荷作用时模量比值稍大于重载荷状态，说明荷载状态也会对端部效应的干扰产生影响，但影响较小。

图2 φ100 mm×100 mm与φ100 mm×150 mm尺寸试件的动态模量的对比

表4 φ100 mm×100 mm与φ100 mm×150 mm尺寸试件的动态模量比值

图3为φ100 mm×100 mm试件与φ100 mm×150 mm试件在不同荷载状态下动态模量的散点图，可见不同荷载状态下的模量取值均在虚线处波动，使得两种尺寸试件模量取值总存在一定的线性关系，如式(1)所示：

E150=1.17E100+259

(1)

式中:E150和E100分别为φ100 mm×150 mm试件和φ100 mm×100 mm试件的动态模量值(MPa)，判定系数R2=0.96。

图3 不同试验条件下两种尺寸试件动态模量散点图

3.2 试件的端部处治

为了减小端部效应的干扰，国内外相关试验方法中都强调试件端面的平整，现行规范T0738建议在试件与压板之间放一层聚四氟乙烯垫片以减小摩擦力(以下简称垫片法)；该文考虑了一种端部处治方式，即采用一定比例滑石粉与甘油的混合物涂抹在试件端面，然后用蜡封闭，进行端面处理后再进行抗压试验(以下简称蜡封法)。分别用垫片和蜡封法处治φ100 mm×100 mm试件，并与未处置的φ100 mm×100 mm试件和φ100 mm×150 mm试件进行对比，结果如图4所示。

图4 端部不同处治方法测得的动态模量变化曲线

通过垫片法和蜡封法对试件进行端部处治，其实测动态模量分别比未处治的φ100 mm×100 mm尺寸试件高约10%和20%，比未处治的φ100 mm×150 mm尺寸试件低约20%和10%，说明端部处治效果显著降低了端部摩擦力的影响，且蜡封法的处治结果与φ100 mm×150 mm尺寸试件更接近，说明蜡封法的处治效果优于垫片法。

4 变形采集手段对动态模量取值的影响

变形的测试手段是影响动态模量试验结果准确度的重要因素。目前国内外常见的变形测试手段有：① 仪器自带传感器，即配套于仪器的位移传感器；② 顶面两端沿对角线设置的线性位移传感器(LVDT)；③ 固定于试件侧面的LVDT。同时采用上述3种变形采集方式测试标准尺寸试件的竖向回弹变形，并计算得到其动态模量值，结果如表5所示。

由表5可知：仪器自带传感器采集得到的变形数据偏大，按该数据计算得到的动态模量小于规范要求，建议有条件时应采用外接的变形采集方式进行测量。顶面法与侧面法LVDT测得的竖向回弹变形接近，但顶面两端架设LVDT的方法只是削弱了端部效应的影响，而侧面法因针对试件侧面中部的竖向变形进行测试，受端部效应影响极小，测得的变形更为准确。