钢桥面铺装材料的动态模量及其主曲线研究

2021-01-30莫正华吕建锋胡德勇石晨光

中国公路 2021年1期

关键词：增幅模量桥面

莫正华吕建锋胡德勇石晨光

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336；2.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063)

动态模量是指压实后的沥青混凝土在荷载作用下的应力-应变响应，与静态模量相比较，可以更为准确地反映出沥青路面的实际工作状态，也更符合钢桥面铺装的使用状态。

本文通过测得三种钢桥面铺装材料（浇注式沥青混合料GA10、环氧沥青混合料EA10和改性沥青SMA10）在不同温度、不同频率和受拉状态下的动态模量，并采用修正西格摩德模型绘制动态模量主曲线，为钢桥面铺装设计材料参数提供依据。

一、试验材料

本文中研究的沥青混合料分别为：GA10、EA10和SMA10。GA10采用聚合物复合改性沥青；EA10采用日本环氧沥青；SMA10采用高弹改性沥青。

SMA10和EA10采用Superpave旋转压实成型为直径150mm、高170mm的圆柱体试件，GA10自然成型为相同尺寸的试件，经钻芯、切割成直径为100mm、高为150mm的圆柱体试件。

二、动态模量及主曲线

（一）动态模量定义

由于沥青混合料具有黏弹性质，采用循环应力加载时，内部会出现相应的应变，但是应变峰值晚于应力峰值出现，称之为滞后现象，可通过复合模量表征，如公式（1）所示：

复合模量E*可定义为动态模量，通过公式（2）可以看出其定义为最大拉应力与最大可恢复轴向应变的比值。

（二）动态模量试验参数

钢桥面铺装材料的动态模量通过MTS测得，主要控制加载时的温度、荷载形式和加载频率等。本次选取的参数如下：

1.温度为-10℃、5℃、20℃、30℃和45℃。

2.应力控制模式，正弦轴向拉应力，三种材料的应变控制在125×10-6以内，且保证试件处于无损状态。

3.依据美国AASHTO TP62-07规范，加载频率取0.1、0.5、1、5、10、25Hz六种。

（三）动态模量主曲线构建

三种材料动态模量的测量要考虑到黏弹性材料可能遇到更广的时间范围或温度范围，相关学者Hastie在1984年提出了主曲线（master curve）的概念，即用时间-温度等效原理，将不同温度和不同频率下测得动态模量平移形成在某一参考温度下的光滑曲线。本文拟合主曲线采用广义西格摩德（Generalized Logistic Sigmoidal）模型。

三、试验数据分析

根据试验方案，用MTS完成三种钢桥面铺装材料在受拉状态下的动态模量试验，试验结果如图1所示：

图1  钢桥面铺装材料动态模量

可以发现，在同一温度下，动态模量随着频率的增大而增大，且增大的速率逐渐减小。这是因为频率增大使加载作用时间变短，前一次加载产生的应变还未完全恢复，导致应变减小，模量增大。

此外，从低频到高频，三种材料在相同温度下的动态模量增幅不一致。从-10℃到45℃，GA10的增幅分别为：42.3%、118.1%、283.3%、492.2%和325.0%；EA10的动态模量增幅分别为：12.3%、31.3%、142.6%、321.6%和204.1%；SMA10的动态模量增幅为：52.7%、169.1%、251.6%、370.4%和336.5%。从结果可看出，随着温度升高，动态模量的增幅先增后减，在30℃时增幅达到最大。GA10受温度的影响最大，这与其矿粉和沥青含量高有密切关系。环氧沥青混合料受到温度的影响最小，因为EA10是一种热固性的材料，温度的变化对其动态模量的增幅影响小。

在同一频率下，三种混合料从高温到低温的动态模量增幅随着频率的增大而减小。SMA10的动态模量增幅是三者中最大的，EA10的增幅是最小的。在任何同一温度、同一频率下的动态模量值的大小关系：EA10＞GA10＞SMA10。

根据WLF方程、广义西格摩德模型，选取-10℃、20℃和45℃为参考温度，通过Excel规划求解，将动态模量的试验值回归分析，获得各温度下的西格摩德模型及位移因子的拟合参数，以20℃为例绘制的动态模量主曲线如图2所示，主曲线回归系数如表1所示，位移因子如表2所示。

在任何温度下，动态模量主曲线方程中的材料参数C1、C2的乘积为定值，GA10、EA10和SMA10的值分别为：3541、5613和12776。由表2位移因子数据发现，在任何参考温度下EA10在-10℃和45℃时的位移因子绝对值之和都是最大的，图2中反映出EA10的主曲线横跨的频率范围比SMA10和GA10的频率范围更广，后两者的范围相差不多。