(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

溫度是影響瀝青混合料高低溫性能的主要因素之一，我國地域遼闊，南北方不同地區(qū)瀝青路面實際工作環(huán)境相差較大。目前，我國瀝青路面采用20 ℃抗壓回彈模量和15 ℃劈裂模量作為設(shè)計標準，不能夠準確反應(yīng)溫度變化對瀝青混合料性能的影響。雖然即將頒布的瀝青路面設(shè)計新規(guī)范采用了動態(tài)回彈模量，但仍然是采用20 ℃模量值[1-2]。因此，本研究通過采用不同型號瀝青(70#、90#、SBS改性70#、SBS改性90#)及不同集料級配(AC-13、AC-16、AC-20)組成12種不同型號瀝青混合料，采用擊實法制備Mashall試件，并采用靜壓法測試在不同溫度(±60 ℃)下的瀝青混合料抗壓回彈模量，建立瀝青混合料回彈模量與溫度的回歸關(guān)系。通過與其它方法得到的瀝青混合料回彈模量預(yù)測結(jié)果對比分析，評價不同預(yù)測方法的技術(shù)特點。

我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范是以瀝青混合料20 ℃抗壓回彈模量作為瀝青結(jié)構(gòu)層的設(shè)計指標，但瀝青路面在使用過程中受到各種因素的影響，其中溫度對瀝青材料影響最大[3-4]。瀝青是一種典型的粘彈性材料，低溫時表現(xiàn)為彈性，其變形可完全恢復(fù)，在高溫時表現(xiàn)為粘性，變形后有一部分不能恢復(fù)。瀝青作為瀝青混合料重要組成部分，其性能對瀝青混合料的性能影響很大。因此，當(dāng)溫度變化很大時瀝青混合料性能也隨之產(chǎn)生很大變化。我國不同地區(qū)的氣溫差異較大，即使同一個地區(qū)的瀝青路面，在一年四季或一天中，其路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化也較大。而20 ℃抗壓回彈模量不能完全反映路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜的溫度變化對瀝青混合料產(chǎn)生的影響。因此，需要進一步研究瀝青混合料抗壓回彈模量隨溫度的變化，進而借鑒美國PGm-n技術(shù)，對瀝青路面進行分區(qū)，根據(jù)瀝青路面的最高溫度m和最低溫度-n，建立瀝青混合料路用性能的評價方法及指標。在多個試驗溫度下來確定一個標準，與瀝青膠結(jié)料PG試驗相同，為各個地區(qū)的瀝青路面提供一套符合要求的設(shè)計標準。

1 瀝青混合料組成設(shè)計

1.1 瀝青

試驗選用了4種類型的瀝青(70#、90#、SBS改性70#、SBS改性90#)，瀝青技術(shù)指標如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標Table1 Indexesofasphalt瀝青25℃針入度/0.1mm針入度指數(shù)PI延度5℃15℃軟化點/℃135℃粘度/(Pa·s)70#66-1.3 8.713246.50.403SBS改性70#48 1.0 30.5126.52.22678.990#93-0.77916544.50.328SBS改性90#68-0.29358672.81.895

1.2 集料

試驗選用了3種集料級配(AC-13、AC-16、AC-20)，集料級配如表2所示。

表2 集料級配Table2Gradationsofaggregates混合料類型通過篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-1310097.57550352720148.56AC-16100958575504025181312.59.5AC-201009582.571624837272015106

1.3 配合比設(shè)計

組成12種不同的瀝青混合料，通過Mashall配合比設(shè)計，得到最佳瀝青用量(如表3所示)，在不同溫度(±60℃)下測試瀝青混合料的回彈模量[5-9]。

表3 最佳瀝青用量Table3 Optimumasphaltcontent瀝青種類級配類型最佳瀝青用量/%AC-135.370#基質(zhì)/改性AC-164.4AC-204.1AC-135.690#基質(zhì)/改性AC-164.7AC-204.4

2 瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系

2.1 瀝青混合料回彈模量試驗結(jié)果

采用逐級加載、卸載的方法測定瀝青混合料的抗壓強度、位移、抗壓回彈模量。試驗結(jié)果見表4。

2.2 回彈模量與溫度的關(guān)系

瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以得到以下結(jié)論：

a.溫度方面，瀝青混合料回彈模量隨著溫度的升高而逐漸降低，且模量變化幅度較大，-30℃時的模量已經(jīng)是+60 ℃時模量的10倍多，可見溫度對其影響之大。以20 ℃為分界線，低于20 ℃時模量變化較快，高于20 ℃時模量變化較為

表4 瀝青混合料回彈模量的試驗結(jié)果Table4 TestresultsofHMAresilientmodulusMPa溫度/℃70#SBS改性70#AC-13AC-16AC-20AC-13AC-16AC-20-3012509.511205.89535.414017.012467.514017.0-209110.67615.66406.19477.28580.27333.1-106273.55300.74281.86385.85741.34991.004117.83446.13289.74266.13828.53381.2102989.12535.72178.13074.22693.52296.7201881.61553.31387.01921.41756.01542.130992.51069.71273.41149.41188.11324.240725.9817.6855.1747.0824.6889.250525.4546.7621.2545.2564.3630.560382.7368.9365.2395.4383.8400.2溫度/℃90#SBS改性90#AC-13AC-16AC-20AC-13AC-16AC-20-30-11289.69300.29414.413788.213441.312530.8-208550.26366.95812.69359.88466.88367.6-106001.05095.94025.76038.05400.44810.504016.23109.03090.74072.13485.43142.4102904.22265.41860.73059.62516.31978.4201750.31334.01188.41821.51690.11441.030964.3996.21025.81132.51154.31185.640703.4792.6833.1741.5725.9857.650516.5531.9604.3528.2814.2616.560378.5367.2361.3382.7539.5384.7

圖1 瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系Figure 1 Relationship between HMA resilient modulus and temperature

緩慢。試驗結(jié)果進一步論證了采用不同地區(qū)的高低溫表征瀝青混合料的性能是科學(xué)合理的。

b.級配方面，對比同一溫度下相同瀝青時不同級配的瀝青混合料回彈模量可以看出，低溫時細級配的瀝青混合料回彈模量相對較大，高溫時細級配的瀝青混合料回彈模量相對較小，這是因為細級配的瀝青混合料的瀝青用量多，低溫時瀝青是粘彈性，瀝青混合料的強度來源主要是瀝青的膠結(jié)力，所以低溫時細級配的瀝青混合料回彈模量大，而當(dāng)處于高溫時瀝青處于粘彈性或粘塑性，瀝青混合料的強度來源主要靠集料間的嵌擠力，所以高溫時粗級配的瀝青混合料回彈模量更大一些。

c.瀝青方面，采用改性瀝青的混合料比采用基質(zhì)瀝青的混合料回彈模量大，因為改性瀝青的高低溫穩(wěn)定性好于基質(zhì)瀝青。

對比分析幾種因素對瀝青混合料回彈模量的影響，可以看出，集料級配和瀝青種類對瀝青混合料回彈模量的影響不大，而溫度對瀝青混合料回彈模量影響最大，因此，不同溫度的瀝青膠結(jié)料粘彈性變化是影響瀝青混合料回彈模量的主要因素。瀝青混合料回彈模量隨溫度的變化規(guī)律可以用流變學(xué)理論解釋。瀝青混合料的強度是由集料間的內(nèi)摩阻力和瀝青的粘結(jié)力組成，當(dāng)采取相同類型的瀝青和相同級配的集料時，隨著溫度的上升，瀝青逐漸由彈性轉(zhuǎn)為粘彈性進而轉(zhuǎn)化為粘塑性，瀝青的流變性能逐漸提高，導(dǎo)致瀝青混合料的回彈模量隨溫度升高而降低，并且減小的速度也逐漸降低。

3 實測結(jié)果與其它預(yù)測結(jié)果對比分析

瀝青混合料回彈模量與溫度的關(guān)系除了實測方法外，還可以通過其它方法進行預(yù)測。綜合相關(guān)的預(yù)測方法，幾種主要的預(yù)測結(jié)果如表5、圖2所示。

表5 瀝青混合料回彈模量的預(yù)測結(jié)果Table5 PredictingresultsofHMAresilientmodulus MPa溫度/℃回彈模量公式法1公式法2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法-305.95119007.02140408.1516300-204.9699204.7595007.3614720-103.9779403.2264405.561112002.9859602.1843603.366720101.9939801.4729401.79358020120001200012000300.01200.6713400.65130040-0.98-19600.459000.4896050-1.97-39400.316200.3672060-2.96-59200.214200.24480注:公式法1:K1=Et/E20=2.980-0.099t;公式法2:K2=Et/E20=100.01693(20-t);BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法:K3=Et/E20=-3.1928arctan(0.0779t+0.4395)+4.6090。

圖2 實測結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的對比Figure 2 Comparison betwwen test results and predicting results

從表5、圖2可以得到以下結(jié)論：

a.公式法1與公式法2比較，在-20～20 ℃之間二者數(shù)值比較接近，但在小于-20 ℃時指數(shù)曲線速度增加較快，當(dāng)溫度大于20 ℃時，直線出現(xiàn)小于0的情況，明顯不合理。數(shù)據(jù)表明公式法1與公式法2均不能準確地反映瀝青混合料回彈模量隨溫度變化的關(guān)系。

b.實測結(jié)果與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果比較，以20 ℃為分界，在-30～20 ℃范圍內(nèi)預(yù)測數(shù)據(jù)明顯大于實測數(shù)據(jù)，二者相差很大，當(dāng)高于20 ℃時二者基本重合，數(shù)值十分接近。數(shù)據(jù)表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果也只是在一定的溫度范圍內(nèi)較為準確。

綜上所述，3種預(yù)測方法得到的瀝青混合料回彈模量都是在一定的溫度范圍內(nèi)與實測數(shù)據(jù)比較貼合，實測結(jié)果較為準確但測試工作量較大，預(yù)測結(jié)果不夠準確但較為方便快速。如果根據(jù)實測結(jié)果對預(yù)測結(jié)果做進一步回歸分析，可以通過相應(yīng)的預(yù)測方法快速預(yù)測瀝青混合料回彈模量。

4 結(jié)論

a.在瀝青混合料回彈模量與溫度關(guān)系的研究基礎(chǔ)上，本研究擴大了測試溫度范圍(-30～60 ℃)，且針對不同類型的瀝青混合料，通過測試不同溫度條件下的瀝青混合料回彈模量，并將實測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)進行對比分析。結(jié)果表明，瀝青混合料回彈模量與溫度有一定的回歸關(guān)系。

b.實測結(jié)果表明，瀝青混合料回彈模量隨著溫度的升高而減小，但在低于+20 ℃時回彈模量隨溫度變化幅度較大，高于+20 ℃后模量隨溫度變化緩慢。而且在-30 ℃時的回彈模量值是+60 ℃時模量值的10倍多，說明溫度對瀝青混合料回彈模量影響較大。

c.對比同一溫度的不同瀝青及不同集料級配組成的混合料回彈模量，使用改性瀝青的混合料比使用基質(zhì)瀝青的混合料回彈模量更大。低溫時，采用同一瀝青的集料細級配的混合料回彈模量大。

d.不同預(yù)測方法得到的瀝青混合料回彈模量預(yù)測數(shù)據(jù)準確度也不相同，比較準確的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法，該方法方便快捷，但存在的問題是預(yù)測結(jié)果僅在一定溫度范圍內(nèi)較為準確。根據(jù)實測結(jié)果對預(yù)測結(jié)果做進一步回歸分析，可以通過相應(yīng)的預(yù)測方法快速預(yù)測瀝青混合料回彈模量。

5 設(shè)計建議

基于PGm-n技術(shù)的瀝青路面設(shè)計方法較我國瀝青路面設(shè)計方法更貼近道路所處的實際環(huán)境，我國瀝青路面設(shè)計方法只采用20 ℃下所對應(yīng)的瀝青混合料回彈模量作為設(shè)計參數(shù)，有一定的局限性。PGm-n技術(shù)通過詳細的氣候分區(qū)建立每個地區(qū)在m與-n值對應(yīng)下的瀝青路面設(shè)計參數(shù)，作為參數(shù)輸入進行路面設(shè)計和驗算。利用《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)所配套的瀝青路面結(jié)構(gòu)分析軟件APAD進行路面結(jié)構(gòu)組合和驗算。哈爾濱地區(qū)PG等級確定的參數(shù)進行路面結(jié)構(gòu)厚度驗算，發(fā)現(xiàn)滿足層底拉應(yīng)力和彎沉要求的石灰土層厚度較以彈性層狀體系理論下確定的石灰土層厚度要大，但是實際彎沉值卻變小。這說明以PG技術(shù)建立的參數(shù)進行設(shè)計的道路更加符合哈爾濱地區(qū)實際環(huán)境，路面產(chǎn)生的彎沉值更小，高溫性能提高。

以黑龍江省瀝青路面設(shè)計為例，先確定PGm-n，按高低溫m-n得到瀝青混合料回彈模量，設(shè)計中，對不同設(shè)計指標采用不同溫度的瀝青混合料回彈模量，例如，永久變形量采用高溫m回彈模量，低溫開裂采用低溫n回彈模量進行設(shè)計，這樣采用高低溫m-n回彈模量可以準確反應(yīng)一年不同季節(jié)對瀝青路面的影響。