基于SPT实验的沥青混合料动态模量及其主曲线研究

吴涎锋

摘要：为研究沥青路面常用AC-20沥青混合料的动态模量变化规律，文章选用70#基质沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青三种沥青材料，采用相同技术指标的粗、细集料和矿粉配制3种AC-20沥青混合料并进行简单性能试验（SPT）动态模量研究。同时运用时间一温度等效原理，采用Boltzmann函数进行拟合，得到3种沥青混合料的动态模量和相位角主曲线。研究结果表明，橡胶沥青和SBS改性沥青均可改善沥青混合料的力学性能;AC-20（SBS）和AC-20（AR22%）沥青混合料主曲线变化趋势一致，但有所区别，SBS改性沥青混合料高温稳定性与低温抗裂性优于橡胶沥青混合料。

关键词：道路工程;动态模量;主曲线;相位角;SPT实验

中图分类号：U416.02文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.002

文章编号：1673-4874（2019）09-0006-04

0引言

沥青混合料是我国高等级沥青路面的主要材料。一般认为，沥青混合料是典型的弹粘塑性综合体，其力学特性既不同于传统的弹性固体材料又不同于传统的黏性流体材料，主要受温度、荷载、应力（应变）水平等因素影响。在实际道路工程中，沥青混合料受到来自车辆荷载和大气环境的动态综合作用。因此，以往常规的静态模量已不能对其力学行为进行充分描述，而动态模量作为路面设计的动态参数能够较好地表征沥青混合料的动力学特性和粘弹特性。美国的MEPDG力学经验法和我国新的沥青路面设计规范（JTGD50-2017）都将动态模量作为沥青路面的动态设计参数。于雷对不同油石比的橡胶沥青混合料进行了单轴压缩动态模量试验，探讨了动态模量和相位角的变化规律。

SBS改性沥青和橡胶沥青混合料常用在沥青路面上面层和中面层，而中面层作为沥青路面高温抗车辙主要的面层。基于此，采用常用中面层级配AC-20，以70#基质沥青、S8S改性沥青（基质沥青为70#）以及橡胶沥青（AR22%）3种结合料，按照最佳油石比，配制70#基质沥青混合料、S8S改性沥青混合料和橡胶沥青混合料。采用简单性能试验机（SP厂）进行动态模量试验，试验温度为5℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃，荷载频率为25HZ、20HZ、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz、0.01Hz。根据时间一温度等效原理，构建沥青混合料的动态模量主曲线，并分析温度和加载频率综合作用下的动态模量变化规律。

1动态模量实验方案

1.1 沥青混合料设计及试件制备

试验所用粗、细集料分别采用玄武岩集料和石灰岩集料，矿粉由南宁生产，根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中规定的方法对集料各项性能进行了检验，并测定矿粉各项技术指标。结果表明：粗细集料和矿粉的各项技术指标都符合《公路沥青路面技术规范》（JTG F40-2004）的技术要求。由70#基质沥青、SBS（4%）改性沥青以及橡胶沥青（掺量22%）三种沥青结合料配制3种沥青混合料，分别为AC-20（70#基质）、AC-20（SBS）和AC-20（AR22%）。沥青混合料级配见图1。

按照试验规程，将所选材料成型、切割、打磨得到标准尺寸试件。SPT试件为φ100mmx高度150mm的圆柱体。储存温度为5℃-15℃。

1.2 实验方案

实验采用5℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃共6种温度。由于利用SPT进行动态模量试验时不能对应变水平进行精准的控制，NCI-RP9-29项目也给出了试验应变水平的推荐范围70-25με，本实验方案采用90-110με，加载频率根据我国高等级公路以及二级以下公路行车速度在30-120km/h及120km/h以上选择0.01-25Hz.每种沥青混合料采用3个试件进行平行试验，实验结果按照试验数据的离散程度进行弃差处理后取平均值。

1.3实验结果与分析

根据上述选定的实验温度和加载频率，利用简单性能试验机（SPT）对3种沥青混合料进行实验。试验结果如表1和图243所示。

由表1和图2可知，3种沥青混合料随加载频率的增大而增大，这说明实验加载频率对沥青混合料动态模量影响很大;在同一温度不同荷载频率下，AC-20（SBS）、AC-20（AR22%）动态模量都比基质沥青混合料的动态模量大，这说明在相同级配下，不同沥青的性能对沥青混合料的动态模量影响较大.由图3可知，以25HZ为例，结合表1分析可得随着温度的升高，3种沥青混合料的动态模量逐渐变小，这说明3种沥青混合料受温度的影响规律一致。

2动态模量主曲线

沥青混合料属于粘弹性材料，其力学性质受试验温度和加载频率的影响很大。根据时间一温度等效原理及表1中的混合料动态模量试验结果，采用Bo-Itzmann函数对动态模量试验数据进行数值拟合，得到基准温度20℃的动态模量主曲线：

式中：y——动态模量（MPa）对数值;

f——频率对数值;

A、A——主曲线的上下渐近线;

x、dx——主曲线参数。

通过沥青混合料动态模量主曲线确定的移位因子对相位角曲线进行平移，可以得到相位角主曲线。主曲线移位因子如表2所示。

AC-20（SBS）、AC-20（AR22%）及AC-20（基质）3种沥青混合料的动态模量和相位角主曲线分别见图4和图6，时间-温度转化关系见图5。

从图4-6可以看出：3种沥青混合料的动态模量变化趋势一致，即动态模量随着频率的升高而升高，主曲线都呈典型的“S”型曲线;3种沥青混合料属于同一种级配，而AC-20（AR22%）和AC-20（SBS）混合料的动态模量主曲线始终位于AC-20（70#基质）的上方，且二者的动态模量都大干基质沥青混合料动态模量，相位角要小于基质沥青。这表明SBS改性剂和AR22%同时改善了沥青混合料的高温和低温性能。相位角表征材料的粘弹特性，随着荷载频率的降低，出现先增大后减小的过程，相位角越大，表明材料更多地表现为黏性性能。

在主曲线拐点左边部分低频高温段，橡胶沥青混合料动态模量要小于SBS改性沥青混合料动态模量，沥青变软，沥青混合料主要依赖集料的骨架结构，这说明橡胶沥青混合料高温抗车辙性能要低于SBS改性沥青混合料;在主曲线拐点右边部分高频低温段，沥青混合料的粘弹特性主要受沥青材料影响，AC-20（AR22%）的动态模量大于AC-20（SBS）沥青混合料动态模量，这说明SBS改性沥青混合料低温抗裂性能优于AR22%沥青混合料。二者主曲线出现交叉段，在此区段动态模量相差不大，表明二者性能基本相当。在相交中间区段，橡胶沥青混合料主曲线在SBS改性沥青混合料主曲线上方，这说明在此区段，橡胶沥青混合料性能优于SBS改性沥青混合料。

移位因子是温度的函数，从图6可以看出3种沥青混合料对温度的敏感程度。从表2以及图5、6可以看出：SBS改性沥青和橡胶沥青改善了沥青混合料的温度敏感性和粘弹特性，提高了沥青混合料的高温抗车辙性能和低温开裂性能，综合反映了沥青混合料动态模量在温度和频率作用下的变化规律。

3 结语

利用简单性能试验机对AC-20（基质）、AC-20（SBS）、AC-20（AR22%）三种沥青混合料在控制應变90-110με范围内进行SPT动态模量试验，得到如下结论：

（1）依据时间一温度等效原理以及Boltzmann函数对3种沥青混合料的动态模量试验数据进行数值拟合，得到动态模量和相位角主曲线.结果显示：3种沥青混合料动态模量变化趋势一致。AC-20（SBS）与AC-20（AR22%）的动态模量主曲线始终在AC-20（基质）沥青混合料的上方，这说明AR22%和SBS两种改性剂改善了沥青混合料动态力学性能。

（2）AC-20（SBS）与AC-20（AR22%）的动态模量主曲线出现逼近与交叉现象，说明二者的适用范围不同。结合3种沥青混合料的移位因子、动态模量主曲线以及相位角主曲线，综合反映了沥青混合料的动态模量在试验温度和频率作用下的变化规律。