高模量瀝青混合料的力學(xué)性能分析

陳　剩

(湖南省建筑工程集團(tuán)總公司，湖南　長沙　410004)

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高模量瀝青混合料的力學(xué)性能分析

陳剩

(湖南省建筑工程集團(tuán)總公司，湖南長沙410004)

為研究高模量瀝青混合料在靜態(tài)、動態(tài)荷載作用下的力學(xué)性能，文章采用DXG-2高模量劑提升普通瀝青混合料的模量，并通過劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)以及動態(tài)模量試驗(yàn)，分析靜態(tài)、動態(tài)荷載作用下不同模量的瀝青混合料的力學(xué)性能變化規(guī)律，得出結(jié)論：瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨著高模量劑摻量的增加有著明顯的提高，但摻量應(yīng)<0.6%；瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)回彈模量均隨著高模量劑摻量的增大逐漸增大；溫度越高，高模量瀝青混合料的動態(tài)模量越小，且加載頻率越大，動態(tài)模量越大，故高溫季節(jié)應(yīng)當(dāng)控制重載超載現(xiàn)象；在相同溫度、加載頻率條件下，高模量劑的摻量越大，瀝青混合料的動態(tài)模量越大，而相位角越小。

劈裂強(qiáng)度；靜態(tài)回彈模量；動態(tài)模量；瀝青混合料；力學(xué)性能

0　引言

普通瀝青混合料有著易施工、便養(yǎng)護(hù)、行車平穩(wěn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)公路[1]。但由于交通量增加速度過快，且重載超載現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致路面所承載的壓力逐漸增大，從而引起路面發(fā)生裂縫、車轍、沉降等病害現(xiàn)象，因此將其作為路面面層材料已經(jīng)無法滿足高等級公路的行車要求[2-3]。已有相關(guān)研究表明，高模量劑可提高瀝青混合料的穩(wěn)定性和疲勞壽命，降低路面發(fā)生永久變形的幾率，有效減少普通瀝青混合料的相關(guān)病害現(xiàn)象[4-5]。

目前，關(guān)于高模量瀝青混合料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究大多為靜載條件下水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性以及低溫抗裂性的變化[6]。然而針對靜、動態(tài)荷載條件下高模量瀝青混合料的力學(xué)性能對比分析相對較少，且力學(xué)性能是衡量其剛度與模量的主要指標(biāo)。因此，本文基于劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)以及動態(tài)模量試驗(yàn)，分析靜態(tài)、動態(tài)荷載作用下不同模量的瀝青混合料的力學(xué)性能變化規(guī)律，為同類研究提供重要參考依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的瀝青混合料類型為HK#70基質(zhì)瀝青，該材料的基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。其中粗細(xì)集料通過對玄武巖進(jìn)行破碎獲得，礦粉選用石灰石粉，其相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；采用DXG-2高模量劑提升瀝青混合料的模量，DXG-2高模量劑呈黑色顆粒狀，具有較好的抗車轍、防變形等力學(xué)性能；按照SMA-13合成級配類型制作瀝青混合料，具體如表2所示。

表1　HK#70基質(zhì)瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)表

表2　瀝青材料的SMA-13合成級配表

2　試驗(yàn)方法

2.1劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

通過采用馬歇爾擊實(shí)法制作試驗(yàn)所需試件，然后使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對試件加載，加載速率為50 mm/min，利用數(shù)據(jù)記錄儀生成荷載-變形曲線，并獲得試件破壞時的最大荷載，根據(jù)公式(1)可計(jì)算出試件的劈裂強(qiáng)度。

(1)

RT——表示劈裂強(qiáng)度(MPa)；

PT——表示荷載最大值(N)；

h——表示試件的高度(mm)。

2.2靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)

選用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)。采用圓柱體瀝青混合料試件，其成型尺寸的直徑、高均為100 mm±2 mm，通過圓柱體單軸壓縮法測得試件的抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)回彈模量數(shù)據(jù)。

2.3動態(tài)模量試驗(yàn)

選用通過使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制作動態(tài)模量試驗(yàn)所需試件，其直徑、高的成型尺寸分別控制在100 mm±2 mm、150 mm±2 mm，使用SPT試驗(yàn)儀分別將瀝青混合料的動態(tài)模量、相位角數(shù)據(jù)進(jìn)行測定。

3　靜載試驗(yàn)分析

3.1劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

通過對試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，測得溫度為15 ℃、20 ℃、25 ℃時，4種不同高模量劑摻量(0%、0.5%、0.6%、0.7%)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，同時分析了不同高模量劑摻量瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律。具體變化規(guī)律如圖1所示。

圖1　高模量劑摻量與劈裂強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖1可知：相同高模量劑摻量的瀝青混合料，溫度越低時，其劈裂強(qiáng)度越大，說明瀝青混合料的感溫性較好，即當(dāng)溫度升高時，瀝青混合料的剛度逐漸降低，趨于軟化，從而引起劈裂強(qiáng)度降低。隨著高模量劑摻量的增加，各溫度下劈裂強(qiáng)度的變化規(guī)律均呈先增大后減小，在高模量劑摻量為0.6%，溫度為15 ℃、20 ℃、25 ℃時，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為1.91 MPa、1.37 MPa、0.9 MPa，當(dāng)繼續(xù)提升瀝青混合料的摻量時，其劈裂強(qiáng)度反而呈降低趨勢發(fā)展，造成這一現(xiàn)象是由于高模量劑摻量的提升，致使高模量劑顆粒能夠吸附更多的瀝青，相應(yīng)減少了瀝青混合料中的自由瀝青，大大增加了結(jié)構(gòu)瀝青的相對比例，從而增大瀝青結(jié)合料與礦料之間的勃結(jié)力，因此劈裂強(qiáng)度增大；而當(dāng)高模量劑摻量的逐漸增加，超過0.6%時，結(jié)構(gòu)瀝青的相對比例趨于平穩(wěn)，因此過量的高模量劑顆粒致使骨料撐開，能夠弱化瀝青結(jié)合料與礦料之間的嵌鎖能力，導(dǎo)致瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度降低。

3.2靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)

通過對試件進(jìn)行靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)，測得溫度為20 ℃時，高模量劑摻量為0%、0.5%、0.6%、0.7%瀝青混合料的靜態(tài)回彈模量與抗壓強(qiáng)度，同時分析了不同高模量劑摻量瀝青混合料的靜態(tài)回彈模量與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。其發(fā)展規(guī)律分別如圖2、圖3所示。

圖2　高模量劑摻量與靜態(tài)回彈模量的變化關(guān)系曲線圖

圖3　高模量劑摻量與抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線圖

由圖2、圖3可知：高模量劑對瀝青混合料的靜態(tài)回彈模量與抗壓強(qiáng)度有著明顯的影響，兩者均隨著高模量劑摻量的增加逐漸增大。當(dāng)摻量為0%時，靜態(tài)回彈模量為1 261 MPa，抗壓強(qiáng)度為3.231 MPa，而摻量為0.7%時，靜態(tài)回彈模量為1 880 MPa，抗壓強(qiáng)度為3.237 MPa，兩者的增大幅度分別達(dá)50.1%、31.2%。造成這一現(xiàn)象是由于高模量劑摻量的增加，瀝青混合料內(nèi)部孔隙中的高模量劑填充更加充分，相應(yīng)增大瀝青混合料的密實(shí)度，提升瀝青與礦料之間的勃結(jié)力，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的剛度，降低形變，因此靜態(tài)回彈模量增大。

4　動載試驗(yàn)分析

通過對試件進(jìn)行靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)，測得溫度為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃時，各高模量劑摻量(0%、0.5%、0.6%、0.7%)瀝青混合料在不同加載頻率作用下的動態(tài)回彈模量與相位角，同時分析了不同高模量劑摻量瀝青混合料的動態(tài)回彈模量與相位角變化規(guī)律，其中本次試驗(yàn)對試件加載的應(yīng)力為129 kPa。相位角是表示應(yīng)力與應(yīng)變兩者之間的滯后程度，對于完全彈性材料而言，因其應(yīng)力與應(yīng)變兩者之間的變化過程同步進(jìn)行，故相位角接近0°，而完全勃性材料，其應(yīng)力與應(yīng)變兩者之間的變化過程在時間上存在較大的滯后，無法保持同步，則相位角等于90°[7]。瀝青混合料是一種常見的勃彈性材料，其相位角處于0°～90°之間，相位角越小，說明該材料的彈性更加優(yōu)越，相位角越大，說明勃性更優(yōu)越[8]。具體變化規(guī)律如圖4、圖5所示。

由圖4可知：當(dāng)溫度升高，不同摻量的高模量瀝青混合料的動態(tài)模量變化規(guī)律均逐漸降低；當(dāng)加載頻率增大，其動態(tài)模量變化規(guī)律均逐漸增大。導(dǎo)致的原因是由于瀝青混合料屬于典型的勃彈性材料，溫度較高時，瀝青混合料出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，因此勃性流變較大，導(dǎo)致動態(tài)模量降低；在相同動載作用下，加載應(yīng)力的頻率越大，瀝青混合料偏于硬化，蠕變性能受到限制，表現(xiàn)為彈性體，故動態(tài)模量增大。此外，相同條件下的高模量瀝青混合料其摻量越多，動態(tài)模量越大，如在溫度和頻率分別為10 ℃、25 Hz條件下，高模量劑摻量為0%時，瀝青混合料的動態(tài)模量為17 699 MPa，摻量為0.7%時，動態(tài)模量達(dá)到19 542 MPa，增大幅度為10.38%。這是因?yàn)?，高模量劑摻量越多，瀝青混合料產(chǎn)生的加勁與膠結(jié)作用越明顯，致使瀝青與集料間的勃結(jié)力增大，故動態(tài)模量越大。

(a)摻量0%

(b)摻量0.5%

(c)摻量0.6%

(d)摻量0.7%

(a)摻量0%

(b)摻量0.5%

(c)摻量0.6%

(d)摻量0.7%

根據(jù)圖5可知：當(dāng)溫度<20 ℃時，各摻量瀝青混合料的相位角變化規(guī)律隨著加載頻率增大逐漸減小，

當(dāng)溫度>30 ℃時，其相位角變化規(guī)律隨著加載頻率增大呈先減后增變化。這是因?yàn)闉r青混合料在低溫環(huán)境下，施加的動載頻率越大，混合料的力學(xué)性能受到結(jié)合料的膠結(jié)性質(zhì)影響越大，而處于高溫環(huán)境時，施加的動載頻率越小，其受到結(jié)合料的影響越小，此時混合料的力學(xué)性能主要由骨料的骨架特性決定，故在高溫高頻條件下，相位角的變化規(guī)律呈增大形式。當(dāng)溫度和頻率相同時，瀝青混合料的相位角變化規(guī)律隨著高模量劑摻量的增大逐漸減小，且減小的幅度較小，其中在溫度與頻率分別為10 ℃、20 Hz條件下，高模量劑摻量為0%時，瀝青混合料的相位角為13.38，摻量為0.7%時，其相位角為11.35，降低幅度較小，僅為2.33，表明不同摻量高模量劑對瀝青混合料勃彈特性的影響均較小，其應(yīng)力與應(yīng)變也接近同步，故兩者之間的滯后程度相近。

5　結(jié)語

(1)當(dāng)高模量劑摻量增加，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度先增大后減?。划?dāng)摻量>0.6%，繼續(xù)增加摻量其劈裂強(qiáng)度反而減小，故實(shí)際應(yīng)用中高模量劑摻量應(yīng)<0.6%。

(2)隨著瀝青混合料中高模量劑摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)回彈模量均逐漸增大。

(3)高模量瀝青混合料的動態(tài)模量隨著加載頻率的增大逐漸增大，且隨著溫度的升高逐漸降低，故高溫季節(jié)應(yīng)當(dāng)減少重載超載現(xiàn)象。

(4)在相同溫度、加載頻率條件下，瀝青混合料的動態(tài)模量隨著高模量劑摻量的增大逐漸增大。

(5)同一溫度、頻率條件下，瀝青混合料的相位角隨著高模量劑摻量的增大逐漸減小，其減小程度并不明顯，故高模量劑摻量對相位角的影響較小。

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Analysis on Mechanical Properties of High-modulus Asphalt Mixtures

CHEN Sheng

(Hunan Construction Engineering Group Corporation，Changsha，Hunan，410004)

In order to study the mechanical properties of high-modulus asphalt mixtures under static and dynamic loads，this article used DXG-2 high-modulus agents to enhance the modulus of ordinary asphalt mixtures，and through the splitting strength test，static resilient modulus test and dynamic modulus test，it analyzed the mechanical property changing rules of asphalt mixtures with different modulus under static and dynamic loads，then it concluded that：the splitting strength of asphalt mixture is significantly improved with the increase of high-modulus agent content，but the content should be <0.6%；the compressive strength and static resilient modulus of asphalt mixture both increase gradually with the increase of high-modulus agent content；the higher the temperature，the smaller the dynamic modulus of high-modulus asphalt mixtures，and the greater the loading frequency，the greater the dynamic modulus，thus the overloading should be controlled during high-temperature season；and under the same temperature and same loading frequency conditions，the larger content of high modulus agents，the greater the dynamic modulus of asphalt mixtures，and the smaller the phase angle.

Splitting strength；Static resilient modulus；Dynamic modulus；Asphalt mixture；Mechanical properties

U414

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.002

1673-4874(2016)08-0006-04

2016-06-11

陳剩(1973—)，工程師，主要從事公路橋梁施工與管理工作。