沥青混合料模量特性试验分析

2022-12-26崔頔

北方交通 2022年12期

崔頔

(辽宁省交通建设投资集团有限责任公司沈阳市 110166)

0 引言

沥青混合料的模量是沥青路面结构分析的关键参数，对于沥青路面结构受力的准确分析至关重要。目前，沥青混合料的模量主要有动态模量、静态模量、弯曲模量等[1]。沥青混凝土路面在使用中绝大多数情况下会承受动态荷载，在少数交通拥堵的情况下还会承受静态荷载[2]。由于沥青混合料具有明显的粘弹性，因此，在不同的荷载作用下，沥青路面结构层的力学反应特性是不同的，而进行结构层力学分析时，对应的模量特性是准确分析的基础和前提。目前关于沥青混合料动态模量、静态模量的分析较多[3-7]，但是关于不同试验方法得到的模量的比较分析较少。采用单轴动态模量试验、四点弯曲疲劳试验以及圆柱体单轴压缩试验等三种试验方法，对常用的高模量沥青混凝土AC-20、SBS改性沥青AC-20混合料以及基质沥青AC-20混合料等三种材料在15℃条件下的模量特性进行了比较分析，并对各自的适用性进行了探讨，希望研究成果可以为沥青混凝土路面的结构设计提供一些参考与借鉴。

1 原材料与矿料合成级配

1.1 沥青胶结料

试验用基质沥青为辽河90#石油沥青，改性沥青为SBS改性沥青，沥青基本性能试验结果见表1、表2。

表1 辽河90#石油沥青试验结果

表2 SBS改性沥青试验结果

1.2 矿料及合成继配

集料选用优质石灰岩，矿粉采用石灰岩矿粉，各混合料的合成级配如表3所示。

表3 试验用合成级配表

1.3 高模量外掺剂

高模量剂采用智信“路宝牌”外掺剂，为3mm左右的黑色颗粒，主要成分为聚烯烃类物质。基本性能试验结果如表4所示。

表4 “路宝牌”外掺剂基本性能试验结果

2 试验方法与设备

2.1 动态模量试验方法

采用旋转压实仪成型直径150mm、高170mm试件，钻芯成高150mm、直径100mm的圆柱体试件。试验采用基本材料试验仪SPT(图1)，施加连续无间歇的半正矢荷载波形，不施加围压，试验温度为15℃，试验频率为0.01Hz、0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、25Hz等10个不同频率。试验开始后，先进行频率高的试验，然后进行频率低的试验。对于每个频率，首先进行10次预压，然后开始正式试验，加载次数10次，取10次正式试验结果的平均值作为最终结果。

图1 动态模量设备SPT

2.2 静态模量试验方法

采用旋转压实仪成型直径100mm、高100mm圆柱体试件，空隙率控制在3%～5%。采用LMT-3型沥青混合料材料性能试验系统(图2)，试验温度为15℃，加载速率为2mm/min。首先确定抗压强度P，再以0.1P、0.2P…0.7P进行7级分级加载，采用第5级荷载压强与相应的修正回弹变形计算混合料的静态抗压回弹模量。

图2 LMT-3型沥青混合料材料性能试验系统

2.3 弯曲劲度模量试验方法

采用自制钢模具，利用车辙成型仪成型300mm×400mm×70mm试件，用锯石机切割成400mm×63.5mm×50mm的疲劳试验试件，采用BFA小梁疲劳试验仪(图3)，试验温度为15℃，加载频率为10Hz，选用了300、400和500微应变水平，取三个应变水平的模量值的平均值作为最终的试验结果。

图3 BFA小梁疲劳试验仪

3 试验结果与分析

3.1 不同试验方法的模量比较

将15℃、10Hz的动态模量、15℃的静态模量以及15℃弯曲劲度模量列于表5中。

表5 混合料模量试验结果

由表5中数据可知，对于三种沥青混合料，均是静态模量数值最小，并且高模量AC-20混合料的静态模量、动态模量以及弯曲劲度模量最高，基质沥青混合料的静态模量、动态模量以及弯曲劲度模量最低。对于静态模量、动态模量以及弯曲劲度模量，三种混合料有相同的规律，即高模量AC-20>SBS改性沥青AC-20>基质沥青AC-20，以上分析表明，高模量剂与SBS可以提高混合料的动态模量、静态模量以及弯曲劲度模量，能够同时提高沥青混合料的拉压性能。

通过对三种沥青混合料300、400和500微应变水平下的弯曲疲劳试验，分析了小梁弯拉劲度模量的变化情况，可以得出应变疲劳模式中，小梁的弯曲劲度模量不断减小，并且其衰减速率呈非线性变化；另外对于不同的应变水平，应变水平越高，弯曲劲度模量的衰减速率越大；应变水平越低，衰减速率越小。试验结果表明，采用弯曲劲度模量可以真实表征沥青混合料试件在应变疲劳过程中的力学状态变化，并由此推算其疲劳寿命。

3.2 频率对动态模量的影响

将三种沥青混合料在15℃、不同频率下的试验结果绘于图4中。

图4 不同频率下的动态模量

由图4可以看出，三种沥青混合料随着频率的降低，模量明显降低，在各个频率时，高模量沥青混合料的动态模量均高于SBS改性沥青混合料及基质沥青混合料，这表明，高模量沥青混凝土具有更加优良的力学性能。此外，随着频率的降低，SBS改性沥青AC-20与基质沥青AC-20的模量逐渐接近，这是由于在较低频率下，SBS改性沥青混合料的受压时间较长，柔韧性不再显著所致。

我国旧沥青路面设计规范把静态模量作为路面结构设计的一个重要参数，众所周知，静态模量是指荷载作用非常慢时，试件产生的应力与荷载作用下产生的应变之间的比值，不受温度和加载频率等因素的影响，理论上是一个固定不变的值，所以静态模量不能充分描述沥青路面在受到行车荷载时的力学响应。沥青混合料作为一种粘弹性材料，在受到动态的行车荷载时，会受到一种动态的力学响应，即动态模量。因此，进行路面结构受力分析时，要依不同情况而进行模型参数的选择。对于交通量较大的路面，存在着一定的缓行风险，而缓行时，相当于荷载频率的降低，依据试验结果，沥青混合料的模量会大幅降低，路面结构层的应变水平必然会大幅升高，导致沥青路面结构层出现塑性损伤，因此当针对缓行状态下的路面的抗永久变形分析时，采用较低频率的动态模量值会得到与实际情况更为接近的结果；对于高速公路的正常行驶路段，绝大多数情况下均承受动态荷载，采用动态试验方法获得的较高频率的模量值进行分析与实际的情况更为接近。