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        基于SPT實驗的瀝青混合料動態(tài)模量及其主曲線研究

        2019-09-10 07:22:44吳涎鋒
        西部交通科技 2019年9期

        吳涎鋒

        摘要:為研究瀝青路面常用AC-20瀝青混合料的動態(tài)模量變化規(guī)律,文章選用70#基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青三種瀝青材料,采用相同技術(shù)指標(biāo)的粗、細(xì)集料和礦粉配制3種AC-20瀝青混合料并進(jìn)行簡單性能試驗(SPT)動態(tài)模量研究。同時運(yùn)用時間一溫度等效原理,采用Boltzmann函數(shù)進(jìn)行擬合,得到3種瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角主曲線。研究結(jié)果表明,橡膠瀝青和SBS改性瀝青均可改善瀝青混合料的力學(xué)性能;AC-20(SBS)和AC-20(AR22%)瀝青混合料主曲線變化趨勢一致,但有所區(qū)別,SBS改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性優(yōu)于橡膠瀝青混合料。

        關(guān)鍵詞:道路工程;動態(tài)模量;主曲線;相位角;SPT實驗

        中圖分類號:U416.02文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.002

        文章編號:1673-4874(2019)09-0006-04

        0引言

        瀝青混合料是我國高等級瀝青路面的主要材料。一般認(rèn)為,瀝青混合料是典型的彈粘塑性綜合體,其力學(xué)特性既不同于傳統(tǒng)的彈性固體材料又不同于傳統(tǒng)的黏性流體材料,主要受溫度、荷載、應(yīng)力(應(yīng)變)水平等因素影響。在實際道路工程中,瀝青混合料受到來自車輛荷載和大氣環(huán)境的動態(tài)綜合作用。因此,以往常規(guī)的靜態(tài)模量已不能對其力學(xué)行為進(jìn)行充分描述,而動態(tài)模量作為路面設(shè)計的動態(tài)參數(shù)能夠較好地表征瀝青混合料的動力學(xué)特性和粘彈特性。美國的MEPDG力學(xué)經(jīng)驗法和我國新的瀝青路面設(shè)計規(guī)范(JTGD50-2017)都將動態(tài)模量作為瀝青路面的動態(tài)設(shè)計參數(shù)。于雷對不同油石比的橡膠瀝青混合料進(jìn)行了單軸壓縮動態(tài)模量試驗,探討了動態(tài)模量和相位角的變化規(guī)律。

        SBS改性瀝青和橡膠瀝青混合料常用在瀝青路面上面層和中面層,而中面層作為瀝青路面高溫抗車轍主要的面層?;诖?,采用常用中面層級配AC-20,以70#基質(zhì)瀝青、S8S改性瀝青(基質(zhì)瀝青為70#)以及橡膠瀝青(AR22%)3種結(jié)合料,按照最佳油石比,配制70#基質(zhì)瀝青混合料、S8S改性瀝青混合料和橡膠瀝青混合料。采用簡單性能試驗機(jī)(SP廠)進(jìn)行動態(tài)模量試驗,試驗溫度為5℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃,荷載頻率為25HZ、20HZ、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz、0.01Hz。根據(jù)時間一溫度等效原理,構(gòu)建瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線,并分析溫度和加載頻率綜合作用下的動態(tài)模量變化規(guī)律。

        1動態(tài)模量實驗方案

        1.1 瀝青混合料設(shè)計及試件制備

        試驗所用粗、細(xì)集料分別采用玄武巖集料和石灰?guī)r集料,礦粉由南寧生產(chǎn),根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)中規(guī)定的方法對集料各項性能進(jìn)行了檢驗,并測定礦粉各項技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明:粗細(xì)集料和礦粉的各項技術(shù)指標(biāo)都符合《公路瀝青路面技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求。由70#基質(zhì)瀝青、SBS(4%)改性瀝青以及橡膠瀝青(摻量22%)三種瀝青結(jié)合料配制3種瀝青混合料,分別為AC-20(70#基質(zhì))、AC-20(SBS)和AC-20(AR22%)。瀝青混合料級配見圖1。

        按照試驗規(guī)程,將所選材料成型、切割、打磨得到標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件。SPT試件為φ100mmx高度150mm的圓柱體。儲存溫度為5℃-15℃。

        1.2 實驗方案

        實驗采用5℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃共6種溫度。由于利用SPT進(jìn)行動態(tài)模量試驗時不能對應(yīng)變水平進(jìn)行精準(zhǔn)的控制,NCI-RP9-29項目也給出了試驗應(yīng)變水平的推薦范圍70-25με,本實驗方案采用90-110με,加載頻率根據(jù)我國高等級公路以及二級以下公路行車速度在30-120km/h及120km/h以上選擇0.01-25Hz.每種瀝青混合料采用3個試件進(jìn)行平行試驗,實驗結(jié)果按照試驗數(shù)據(jù)的離散程度進(jìn)行棄差處理后取平均值。

        1.3實驗結(jié)果與分析

        根據(jù)上述選定的實驗溫度和加載頻率,利用簡單性能試驗機(jī)(SPT)對3種瀝青混合料進(jìn)行實驗。試驗結(jié)果如表1和圖243所示。

        由表1和圖2可知,3種瀝青混合料隨加載頻率的增大而增大,這說明實驗加載頻率對瀝青混合料動態(tài)模量影響很大;在同一溫度不同荷載頻率下,AC-20(SBS)、AC-20(AR22%)動態(tài)模量都比基質(zhì)瀝青混合料的動態(tài)模量大,這說明在相同級配下,不同瀝青的性能對瀝青混合料的動態(tài)模量影響較大.由圖3可知,以25HZ為例,結(jié)合表1分析可得隨著溫度的升高,3種瀝青混合料的動態(tài)模量逐漸變小,這說明3種瀝青混合料受溫度的影響規(guī)律一致。

        2動態(tài)模量主曲線

        瀝青混合料屬于粘彈性材料,其力學(xué)性質(zhì)受試驗溫度和加載頻率的影響很大。根據(jù)時間一溫度等效原理及表1中的混合料動態(tài)模量試驗結(jié)果,采用Bo-Itzmann函數(shù)對動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合,得到基準(zhǔn)溫度20℃的動態(tài)模量主曲線:

        式中:y——動態(tài)模量(MPa)對數(shù)值;

        f——頻率對數(shù)值;

        A、A——主曲線的上下漸近線;

        x、dx——主曲線參數(shù)。

        通過瀝青混合料動態(tài)模量主曲線確定的移位因子對相位角曲線進(jìn)行平移,可以得到相位角主曲線。主曲線移位因子如表2所示。

        AC-20(SBS)、AC-20(AR22%)及AC-20(基質(zhì))3種瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角主曲線分別見圖4和圖6,時間-溫度轉(zhuǎn)化關(guān)系見圖5。

        從圖4-6可以看出:3種瀝青混合料的動態(tài)模量變化趨勢一致,即動態(tài)模量隨著頻率的升高而升高,主曲線都呈典型的“S”型曲線;3種瀝青混合料屬于同一種級配,而AC-20(AR22%)和AC-20(SBS)混合料的動態(tài)模量主曲線始終位于AC-20(70#基質(zhì))的上方,且二者的動態(tài)模量都大干基質(zhì)瀝青混合料動態(tài)模量,相位角要小于基質(zhì)瀝青。這表明SBS改性劑和AR22%同時改善了瀝青混合料的高溫和低溫性能。相位角表征材料的粘彈特性,隨著荷載頻率的降低,出現(xiàn)先增大后減小的過程,相位角越大,表明材料更多地表現(xiàn)為黏性性能。

        在主曲線拐點左邊部分低頻高溫段,橡膠瀝青混合料動態(tài)模量要小于SBS改性瀝青混合料動態(tài)模量,瀝青變軟,瀝青混合料主要依賴集料的骨架結(jié)構(gòu),這說明橡膠瀝青混合料高溫抗車轍性能要低于SBS改性瀝青混合料;在主曲線拐點右邊部分高頻低溫段,瀝青混合料的粘彈特性主要受瀝青材料影響,AC-20(AR22%)的動態(tài)模量大于AC-20(SBS)瀝青混合料動態(tài)模量,這說明SBS改性瀝青混合料低溫抗裂性能優(yōu)于AR22%瀝青混合料。二者主曲線出現(xiàn)交叉段,在此區(qū)段動態(tài)模量相差不大,表明二者性能基本相當(dāng)。在相交中間區(qū)段,橡膠瀝青混合料主曲線在SBS改性瀝青混合料主曲線上方,這說明在此區(qū)段,橡膠瀝青混合料性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

        移位因子是溫度的函數(shù),從圖6可以看出3種瀝青混合料對溫度的敏感程度。從表2以及圖5、6可以看出:SBS改性瀝青和橡膠瀝青改善了瀝青混合料的溫度敏感性和粘彈特性,提高了瀝青混合料的高溫抗車轍性能和低溫開裂性能,綜合反映了瀝青混合料動態(tài)模量在溫度和頻率作用下的變化規(guī)律。

        3 結(jié)語

        利用簡單性能試驗機(jī)對AC-20(基質(zhì))、AC-20(SBS)、AC-20(AR22%)三種瀝青混合料在控制應(yīng)變90-110με范圍內(nèi)進(jìn)行SPT動態(tài)模量試驗,得到如下結(jié)論:

        (1)依據(jù)時間一溫度等效原理以及Boltzmann函數(shù)對3種瀝青混合料的動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合,得到動態(tài)模量和相位角主曲線.結(jié)果顯示:3種瀝青混合料動態(tài)模量變化趨勢一致。AC-20(SBS)與AC-20(AR22%)的動態(tài)模量主曲線始終在AC-20(基質(zhì))瀝青混合料的上方,這說明AR22%和SBS兩種改性劑改善了瀝青混合料動態(tài)力學(xué)性能。

        (2)AC-20(SBS)與AC-20(AR22%)的動態(tài)模量主曲線出現(xiàn)逼近與交叉現(xiàn)象,說明二者的適用范圍不同。結(jié)合3種瀝青混合料的移位因子、動態(tài)模量主曲線以及相位角主曲線,綜合反映了瀝青混合料的動態(tài)模量在試驗溫度和頻率作用下的變化規(guī)律。

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