欒利強(qiáng)

廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司（510101）

基于SPT試驗(yàn)的SMA瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量研究

欒利強(qiáng)

廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司（510101）

為了研究瀝青混合料的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)用簡單性能試驗(yàn)機(jī)(SPT)對(duì)SMA瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，分析頻率和溫度對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)特性的影響，結(jié)果表明：頻率越高，瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量越大；溫度越高，瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量越小。

美國seet等將動(dòng)態(tài)模量定義為：對(duì)于具有一定周期和波形的動(dòng)態(tài)荷載，其應(yīng)力振幅與應(yīng)變振幅的比值，計(jì)算公式為：

式中：σ（t）、ε（t）為應(yīng)力和對(duì)應(yīng)應(yīng)變的時(shí)間函數(shù)，σ（0）、ε（0）為應(yīng)力和應(yīng)變的振幅。

從動(dòng)態(tài)模量的概念可以看出：靜態(tài)模量反映彈性條件下應(yīng)力和應(yīng)變的比值，忽視瞬態(tài)響應(yīng)，而動(dòng)態(tài)模量考慮了時(shí)間的影響，是應(yīng)力幅值與應(yīng)變幅值的比值，動(dòng)態(tài)模量不僅能夠反映應(yīng)力與應(yīng)變的力學(xué)性質(zhì)，還能夠反映材料在不同荷載下的響應(yīng)特征。

1 試驗(yàn)材料

SMA13的集料采用沂水永盛石料廠生產(chǎn)的玄武巖碎石和玄武巖機(jī)制砂，級(jí)配如表1所示，瀝青采用山東華瑞道路材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，最佳瀝青含量為6.0%，礦粉自制，摻加15%生石灰,含量9%,混合料添加0.3%的木質(zhì)纖維。

表1 SMA13的集料級(jí)配

2 試驗(yàn)方法

參考AASHTO試驗(yàn)規(guī)程DESIGNATION TP-62-03，對(duì)各種瀝青混凝土使用Superpave簡單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，所用的SPT試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。

2.1 試件制備

首先采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑150mm×高170mm的試件，然后用鉆芯機(jī)對(duì)成型好的試件進(jìn)行鉆芯,鉆取圓周光滑、平行、直徑為100mm的圓柱體試件，如圖2所示。

為了消除試驗(yàn)過程中試件的偏心受壓和減小端面的摩擦系數(shù)，將鉆芯得到的試件進(jìn)行切割，切割后的標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為直徑100mm×高150mm，如圖3所示。

圖1 SPT試驗(yàn)機(jī)

圖2 鉆芯試件

圖3 直徑100mm×高150mm的標(biāo)準(zhǔn)件

2.2 試驗(yàn)條件

1）加載頻率

加載頻率是動(dòng)態(tài)模量的一個(gè)重要參數(shù)，不同加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量差別很大，SPT試驗(yàn)機(jī)可以測定的頻率范圍為0.01～25 Hz，為了全面測定瀝青混凝土在不同加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量，加載頻率范圍取為0.01～25 Hz。

2）加載波形

正弦波的波形包括加載與卸載兩個(gè)階段，能夠描述路面實(shí)際受力情況，因此采用正弦波加載。

2.3 試驗(yàn)溫度

根據(jù)DESIGNATION TP-62-03，試驗(yàn)溫度選取21℃、37℃和55℃三個(gè)溫度，試驗(yàn)步驟：

1）將試驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)至工作狀態(tài)，并在試驗(yàn)之前設(shè)定為所要求的試驗(yàn)溫度。

2）試驗(yàn)前將試件放入溫控箱，使其達(dá)到試驗(yàn)所要求的溫度，利用傳感器安裝工具在試件上粘貼傳感器夾具，在壓盤頂部放置減小摩擦的兩片橡膠膜并在中間涂抹黃油潤滑，在其上放置試件，安裝傳感器夾具，然后在試件上面放置中間涂抹黃油的兩片橡膠膜及頂部壓盤和鋼球，打開三軸室將準(zhǔn)備好的試件放入，并安裝傳感器。

3）放入試件之后調(diào)整、平衡電子測量系統(tǒng)，輸入試驗(yàn)溫度、不施加圍壓，選擇試驗(yàn)的加載頻率，設(shè)定加載次數(shù)為10次，打開油泵，調(diào)節(jié)應(yīng)力，使加載過程中應(yīng)變的變化幅度在75微應(yīng)變～125微應(yīng)變之間。

4）開始試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

SPT試驗(yàn)機(jī)會(huì)在試驗(yàn)過程中記錄下每個(gè)加載循環(huán)的軸向應(yīng)力、三向應(yīng)變、三向變形與溫度等因素，圖4和圖5是SMA13的一個(gè)平行試件在37℃和10 Hz加載頻率下的軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變隨時(shí)間變化的結(jié)果。

圖4 軸向應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律

圖5 軸向應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律

通過測量最后5次加載循環(huán)的平均荷載和應(yīng)變，可以計(jì)算出軸向應(yīng)力幅值與應(yīng)變幅值，應(yīng)力幅值為：

應(yīng)變幅值εamp為：

動(dòng)態(tài)模量為：

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理，得到幾種瀝青混合料在不同溫度和頻率下的動(dòng)態(tài)模量，如表2所示。

表2 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見：

1）相同溫度條件下，頻率越高，瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量越大，即加載持續(xù)時(shí)間越短，瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量越大，因此車速越快，瀝青層的動(dòng)態(tài)模量越大。國內(nèi)外道路研究者對(duì)加載頻率與車速的關(guān)系的研究成果也表明，車速是路面加載頻率的主要影響因素，而深度對(duì)路面加載頻率的影響要小很多，這是因?yàn)闉r青層通常離路表較近。

2）相同頻率條件下，溫度越高，瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量越小。

3）目前，國內(nèi)外一般用10 Hz的動(dòng)態(tài)模量作為路面在正常車速時(shí)的動(dòng)態(tài)模量。0.01 Hz加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量的加載時(shí)間很長,一次加載的時(shí)間為100 s，這與《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中靜態(tài)單軸壓縮回彈模量試驗(yàn)的累計(jì)加載時(shí)間相當(dāng)甚至更長（不考慮回彈變形時(shí)間），可將其等同于靜態(tài)回彈模量。

4 結(jié)論

采用SPT試驗(yàn)機(jī)對(duì)SMA瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）相同溫度條件下，頻率越高，瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量越大。

2）相同頻率條件下，溫度越高，瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量越小。

3）0.01 Hz加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量的加載時(shí)間很長，可將其等同于靜態(tài)回彈模量。