高模量沥青混凝土动态参数试验研究

2023-09-21崔世萍

交通科技与管理 2023年17期

崔世萍

（山东省交通科学研究院,山东济南 250102）

0 引言

近年来，随着经济社会的快速发展，道路交通量大幅增加，对道路的承载能力提出了更高的要求。因此，国内外对高模量沥青混凝土的研究、开发和应用越来越重视。高模量沥青混凝土具有较好的抗高温变形能力，能够对路面的抗车辙和抗疲劳性能进行有效地改善，进而提升路面的耐久性，增加道路的服役时间，带来了良好的经济和社会效益。

1 试验方案

采用石灰岩集料、石灰岩磨制矿粉和不同种类的沥青，按AC-13 级配类型进行配合比设计，在此基础上，对相应混合料进行简单性能试验，四点梁疲劳试验和汉堡轮辙试验。

2 材料

2.1 沥青

该研究用外掺法对阿尔及利亚40 号沥青进行改性，其主要技术指标见表1。高模量沥青采用阿尔及利亚40号沥青加SBS 沥青、岩沥青改性，SBS 掺量4%，岩沥青掺量7.5%，利用高速剪切乳化机剪切，剪切速率为5 000 r/min，时间持续30~40 min，以添加剂完全融化为准。

表1 沥青主要技术指标

2.2 配合比设计

采用10~20 mm、5~10 mm、3~5 mm、0~3 mm 四种规格的集料，技术指标性能满足规范要求。采用AC-13级配类型，按照马歇尔设计法，进行配合比设计，设计级配见表2。设计最佳沥青含量为5.8%，设计空隙率为4.5%。

表2 设计级配

3 试验结果及分析

3.1 动态模量试验

按AASHTO TP62-03 规范[1]，首先采用旋转压实成型的方法，成型高度为16.5~17.5 cm 的试件，采用取芯机从成型好的试件中取出Φ100 mm 直径的芯样，然后用双面锯切出满足高度要求的试件，进行测试，其标准尺寸为Φ100 mm×150 mm。用SPT 简单性能试验仪测试，采用4 ℃、15 ℃、35 ℃ 、50 ℃四个试验温度，25 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz、2 Hz 、1 Hz、0.5 Hz、0.2 Hz、0.1 Hz、0.01 Hz 十个加载频率，测定动态模量和相位角，结果见图1~2。

图1 不同温度高模量沥青混凝土动态模量

从图2 可以看出，温度及加载频率对高模量沥青混凝土的动态模量和相位角大小有显著的影响[2]。随着温度的升高和荷载频率的降低，材料的动态模量会逐渐减小。反之，温度下降或者荷载频率增加，材料的动态模量则会逐渐增加。随加载频率的增加动态模量先快速增长而后缓慢增长。即高温时或者温度升高过程中，动态模量受加载频率的影响更为显著；温度为50 ℃时，动态模量与加载频率关系曲线随加载频率的变化而变小。

图2 不同温度高模量沥青混凝土相位角

温度和频率对相位角的影响规律：温度较低时沥青混合料的相位角随着荷载频率的增加而减小，温度较高时，相位角随着荷载频率的增加先增大后减少[2]；即在温度4 ℃、15 ℃和35 ℃时，当加载频率增加时，相位角逐渐减小；在温度50 ℃时，当加载频率增加时，相位角先增大后减少。

根据法国高模量沥青混凝土的技术要求，在温度15 ℃、频率10 Hz 加载条件下，沥青混合料的动态模量应达到14 000 MPa。高模量沥青混凝土在15 ℃，10 Hz 加载条件下，动态模量为20 895 MPa，高于技术要求的1.5 倍，说明设计的高模量沥青混凝土动态模量远高于法国高模量沥青混凝土的规范要求。

从图3 看出，高模量沥青混凝土在各个温度点处的动态模量值明显高于40 号沥青混合料，提高的幅度基本呈现出随温度升高而逐渐减小的趋势，沥青混合料的力学性能得到显著提高。

图3 10 Hz 加载频率动态模量比较

3.2 重复加载蠕变试验

重复加载蠕变试验方法：在一定温度条件下，采用半正弦周期荷载，对沥青混合料试件施加的0.1 s 间隙0.9 s 的荷载，同时记录加载时间及加载次数对应的轴向永久变形。为了消除接触面摩擦对试件结果和精度的影响，在试件的上下表面垫上一层光滑的聚四氟乙烯塑料薄膜。旨在提高实验数据的准确性。

该研究采用50 ℃，600 kPa 轴向应力，进行重复加载蠕变试验。当最大重复荷载作用次数20 000 次，或达到最大变形为50 000 微应变，试验就会自动停止[3]。试验结果如图4 所示。

图4 50 ℃、600 kPa 下两种沥青混合料流动数

通过对比可知，高模量沥青混凝土能够显著提高混合料的流动数，提高沥青混合料的高温性能和抗永久变形能力。

3.3 四点梁疲劳试验

按AASHTO T321 规范，采用四点梁疲劳试验来评估沥青混合料的疲劳性能[4]。采用澳大利亚IPC 公司制造的气动伺服疲劳试验设备，可以准确控制试验条件，实时获取试验数据，旨在探究不同应变控制水平对试件的影响。标准试件尺寸为385 mm×65 mm×50 mm；选择260 με、400 με、800 με 3 个不同应变控制水平进行试验。试验温度均为30 ℃，加载波形为半正矢波，加载频率10 Hz。由于试验周期较长，仅测试了高模量沥青混凝土3 个应变水平，试验结果汇总见表3。

表3 疲劳测试结果

从表4 可知，在260 με、400 με、800 με 下，随加载次数的增加其劲度模量均逐渐减小。在加载初始阶段，劲度模量的衰减速度较快，并且会伴随着加载次数的增加，劲度模量的衰减速率会逐渐趋于平稳，直到出现了疲劳破坏，具有一定的规律性。可见随着应变水平的增加，试件变形增大的速度就会越快，对疲劳寿命产生不利的影响，并随着加载次数的增加，竖向变形也会逐渐增大。从表5可以看出，疲劳寿命与应变水平存在良好的相关性。

表4 疲劳方程与相关系数

表5 德克萨斯州汉堡轮辙试验指标[5-6]

根据法国关于高模量沥青混凝土的标准的有关规定，在温度15 ℃，频率10 Hz，控制应变230 με 条件下沥青混合料的疲劳寿命不低于100 万次。高模量沥青混凝土在温度30 ℃，频率10 Hz 控制应变400 με 下，疲劳寿命超过100 多万次，表明高模量沥青混凝土满足法国高模量沥青混凝土规范的要求，表明设计的高模量沥青混凝土具有较高的抗疲劳性。

3.4 汉堡轮辙试验

该研究采用汉堡轮辙试验来评估沥青混合料的水稳定性和抗车辙性。根据美国国家沥青中心（NCAT）对密级配沥青路面的水损害、车辙与汉堡轮辙试验相关性的研究结果，建议在碾压10 000 次时最大变形深度不应超过4 mm，而在碾压20 000 次时，最大变形深度不应超过10 mm[5]。德克萨斯州交通部（TxDOT）公路施工及维护规范根据沥青胶结料PG 分级提出相应的指标要求[6]，如表5 所示。通过采用旋转压实成型的方法，得到圆柱形试件，然后将其切割成标准试件进行测试。结果如表6。

表6 汉堡轮辙试验

从汉堡轮辙试验可以看出，两种沥青混合料的变形基本一致，且都未出现剥落拐点，说明沥青混合料均具有较强的抗水损害能力。高模量沥青混凝土较40 号沥青混合料表现出更好的高温稳定性和水稳定性。两种沥青混合料的试件在碾压10 000 次和碾压20 000 次时，最大变形深度不超过4 mm，具有较强的抗高温车辙性能，完全满足德克萨斯州的汉堡轮辙试验要求，并且不超过美国国家沥青中心（NCAT）的轮辙变形的推荐值[5-6]。