基于AMPT的瀝青混合料的黏彈性動態(tài)響應(yīng)特性

栗培龍，張爭奇，王秉綱

(長安大學(xué)　道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，陜西　西安　710064)

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基于AMPT的瀝青混合料的黏彈性動態(tài)響應(yīng)特性

栗培龍，張爭奇，王秉綱

(長安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，陜西西安710064)

為了研究瀝青混合料的黏彈性動態(tài)響應(yīng)特性，選擇3種級配的瀝青混合料進行不同試驗條件的瀝青混合料性能試驗(AMPT)，分析了瀝青混合料動態(tài)響應(yīng)參數(shù)動態(tài)模量和相位角隨溫度及加載頻率的變化規(guī)律，并擬合得到不同加載頻率下動態(tài)模量隨溫度的衰減模型，討論了動態(tài)模量衰減率與加載頻率的關(guān)系。結(jié)果表明，瀝青混合料的動態(tài)模量隨著溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系衰減，加載頻率越高，衰減速率越大，其中改性瀝青混合料AC-13的動態(tài)模量隨溫度衰減速率最?。辉谳^高的溫度下(如55 ℃)，不同加載頻率的動態(tài)模量差異很小。不同加載頻率的相位角出現(xiàn)峰值的溫度不同，加載頻率越低，出現(xiàn)峰值的溫度也越低；在0.01～2.0 Hz范圍內(nèi)，3種瀝青混合料的相位角均出現(xiàn)峰值的位置均不超過25 ℃，而25 Hz對應(yīng)的相位角峰值均出現(xiàn)在45 ℃處。根據(jù)試驗結(jié)果推斷在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)，相位角隨頻率的增大先增大后減小。

道路工程；瀝青混合料；瀝青混合料性能試驗(AMPT)；黏彈性動態(tài)響應(yīng)；動態(tài)模量；相位角

0　引言

瀝青混合料是一種多相顆粒性材料，具有典型的黏彈性，其黏彈性動態(tài)響應(yīng)與瀝青路面的車轍、開裂、疲勞等病害密切相關(guān)，因此瀝青混合料的黏彈性動態(tài)響應(yīng)越來越受到國內(nèi)外道路領(lǐng)域研究者的關(guān)注[1-5]。Little[6]采用蠕變試驗分析了瀝青混合料黏彈性響應(yīng)；Chang[7]采用黏彈性本構(gòu)模型分析了瀝青混合料的黏彈性；Schwartz[8]進行了不同溫度的瀝青混合料蠕變試驗，并獲取黏彈性響應(yīng)參數(shù)；關(guān)宏信[9]提出了瀝青混合料疲勞損傷演化的黏彈性疲勞損傷模型；周志剛[10]根據(jù)動蠕變試驗推導(dǎo)出了瀝青混合黏彈性參數(shù)，并討論了黏彈性參數(shù)與車轍動穩(wěn)定度之間的關(guān)系。栗培龍[12]分析了試驗溫度、應(yīng)力水平以及礦料級配對瀝青混合料黏彈性響應(yīng)的影響。這些研究主要是基于傳統(tǒng)試驗方法及參數(shù)進行的瀝青混合料的黏彈性動態(tài)響應(yīng)分析。在NCHRP-29[13]項目中，開發(fā)了能夠反映黏彈性響應(yīng)的瀝青混合料性能試驗(Asphalt Mixture performance Test，AMPT)設(shè)備，試驗參數(shù)有動態(tài)模量(E*)、相位角(δ)、流動時間(FT)、流動次數(shù)(FN)等。其中動態(tài)模量是瀝青路面設(shè)計中最重要的參數(shù)之一，也是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計體系由靜態(tài)向動態(tài)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

本研究采用AMPT試驗，測試瀝青混合料在不同試驗條件下的動態(tài)模量和相位角，討論試驗溫度和加載頻率對瀝青混合料黏彈性動態(tài)響應(yīng)的影響，并根據(jù)時間-溫度等效原理，得到了瀝青混合料動態(tài)模量主曲線，用以描述瀝青混合料的黏彈性動態(tài)響應(yīng)。

1　試驗材料

采用SK-SBS改性瀝青(SK-SBS)、茂名70#(MM)、中海90#(ZH)3種瀝青，分別拌制AC-13，AC-16，AC-20，3種級配[14]的瀝青混合料，進行AMPT試驗。瀝青性能指標和集料級配如表1和表2所示。粗細集料選用角閃巖，石灰?guī)r礦粉用作填料，采用馬歇爾設(shè)計方法確定最佳瀝青用量，3種瀝青混合料的最佳油石比分別為5.2%，4.9%和4.3%，設(shè)計空隙率4.0%。

表1　瀝青基本指標

注：(1)SK-SBS瀝青試驗溫度為5 ℃；(2)MM和ZH瀝青試驗溫度為15 ℃。

表2　礦料級配

2　試驗方法

為了減小試模邊界效應(yīng)的影響并加速試驗進程，首先采用Troxler 4140型旋轉(zhuǎn)壓實儀成型φ150 mm×H150 mm 的大型試件，再鉆芯并切割得到尺寸為φ100 mm×H110 mm的試件(見圖1)。采用AMPT試驗設(shè)備(見圖2)，進行正弦波加載，應(yīng)力水平為50～150 με下對應(yīng)的應(yīng)力；試驗溫度分別為5，15，25，45，55 ℃；荷載頻率分別為0.01，0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，20，25 Hz,見表3和表4。

3　結(jié)果分析與討論

3.1試驗溫度對瀝青混合料黏彈性動態(tài)響應(yīng)的影響

瀝青混合料是感溫性材料，試驗溫度直接影響瀝青混合料的黏彈性。一般而言，溫度越低，瀝青混合料越接近彈性材料；溫度越高，越接近黏性材料[15]。不同加載頻率下，3種瀝青混合料的動態(tài)模量隨溫度變化如圖3所示。

圖1　鉆芯取樣Fig.1　Core drilling

圖2　AMPT試驗設(shè)備Fig.2　AMPT equipment

溫度/℃混合料不同加載頻率(Hz)下動態(tài)模量/MPa2520105210.50.20.10.015AC-13AC-16AC-20220203070131550214792991631088193282742328523173652503026305149282169823413131421914921169114441675918898934013751159647895116981386542566086767215AC-13AC-16AC-201241619375220241197018622209641025816021181708639137561562367001091412483538290141027642577253820630955171584424643881438313601388164725AC-13AC-16AC-205969885198975501823395034290649476933306500860602343338542231816242931061470174222801160115115681010889.61241737.9504.8754.745AC-13AC-16AC-20157420431995147518281752117212861206969.3927.5863.5786.1632.8596.2698.1518.1492.4649.7449.5428.6597.7395.2375.9572.7375.6353.0521.6359.0328.455AC-13AC-16AC-20926.8840.11040881.5765.0962.2750.9598.5762.1661.2491.8634.6572.7395.6521.0539.5364.5485.3517.0343.7462.0495.9326.9446.0488.6322.2440.9474.3319.1440.1

表4　相位角試驗結(jié)果

圖3　瀝青混合料的動態(tài)模量隨溫度變化Fig.3　Dynamic modulus of asphalt mixture varying with temperature

動態(tài)模量和相位角可以直觀地反映瀝青混合料的黏彈性動態(tài)響應(yīng)。由圖3可知，3種瀝青混合料的動態(tài)模量變化趨勢相同，隨著溫度的升高逐漸衰減。但在相同試驗條件下，不同混合料的動態(tài)模量存在較大差異，隨著溫度的升高，不同加載頻率的動態(tài)模量差異越來越小，當達到55 ℃時動態(tài)模量趨于相同。

不同加載頻率下的動態(tài)模量隨溫度都呈指數(shù)模型衰減，將試驗測定的動態(tài)模量按照式(1)進行回歸，回歸模型列于表5中。

(1)

式中，E*為動態(tài)模量;T為試驗溫度;a，k，b均為回歸參數(shù)。

模型參數(shù)k反映了動態(tài)模量隨溫度的衰減率，k值越大，混合料的動態(tài)模量隨溫度的衰減速率越快。由3種瀝青混合料的動態(tài)模量衰減率與加載頻率的關(guān)系(圖4)可知，加載頻率越高，動態(tài)模量隨溫度衰減速率越大，但其增加率越來越緩慢；3種瀝青混合料的動態(tài)模量隨溫度衰減速率存在顯著差異，其中AC-20混合料的衰減速率最大，AC-13混合料的衰減速率最小。

3種瀝青混合料的相位角隨溫度變化如圖5所示，3種瀝青混合料的相位角也呈相同的變化趨勢，即隨著溫度的升高，相位角先增大后減小。不同加載頻率的相位角出現(xiàn)峰值的溫度不同，加載頻率越低，出現(xiàn)峰值的溫度也越低，3種瀝青混合料在加載頻率為0.01，0.1，0.2，0.5，1.0，2.0 Hz的相位角均在不超過25 ℃出現(xiàn)峰值，而25 Hz對應(yīng)的相位角峰值均出現(xiàn)在45 ℃處。

可見，在一定的頻率和荷載作用下，瀝青混合料的動態(tài)模量隨著溫度的增加而減?。浑S著溫度的增加，瀝青混合料呈現(xiàn)明顯的黏性，相位角增大，但溫度增加到一定時，瀝青膠結(jié)料變軟，礦料骨架效應(yīng)占主導(dǎo)，此時瀝青混合料的相位角會降低，即隨溫度的增加相位角存在一個峰值。

表5　動態(tài)模量與溫度關(guān)系回歸模型

圖4　瀝青混合料的動態(tài)模量衰減率與加載頻率的關(guān)系Fig.4　Relationship between attenuation rate of dynamic modulus of asphalt mixture and loading frequency

3.2加載頻率對瀝青混合料黏彈性動態(tài)響應(yīng)的影響

在不同的溫度下，瀝青混合料動態(tài)模量和相位角隨加載頻率的變化如圖6和圖7所示。

由圖6可知，3種瀝青混合料在不同溫度下的動態(tài)模量隨加載頻率的增加而不斷增大，但在不同頻率范圍內(nèi)增大的幅度不同，在低頻范圍內(nèi)動態(tài)模量急劇增大，即變化敏感度較大；而在5～25 Hz的高頻范圍內(nèi)，動態(tài)模量增加率越來越緩慢。隨著溫度的增加，瀝青混合料的動態(tài)模量隨加載頻率的增加幅度越小，3種瀝青混合料的45 ℃和55 ℃動態(tài)模量隨頻率的變化不顯著?？梢?，不管是基質(zhì)瀝青混合料還是改性瀝青混合料，隨著溫度的升高，瀝青混合料的黏性表現(xiàn)充分，加載頻率對動態(tài)模量影響越來越小。

圖5　瀝青混合料的相位角隨溫度變化Fig.5　Phase angle of asphalt mixture varying with temperature

圖6　瀝青混合料的動態(tài)模量隨加載頻率變化Fig.6　Dynamic modulus of asphalt mixture varying with loading frequency

圖7　瀝青混合料的相位角隨加載頻率變化Fig.7　Phase angle of asphalt mixture varying with loading frequency

由圖7可以看出，3種瀝青混合料的相位角隨加載頻率的變化趨勢相同，隨著加載頻率的增大，5 ℃的相位角逐漸衰減，15 ℃和25 ℃相位角先增大后減小，出現(xiàn)了峰值，而45 ℃和55 ℃相位角逐漸增大。這是因為在較高的加載頻率作用下，瀝青混合料中高分子鏈段的運動就可以跟得上外力的變化，頻率降低越能促進高分子鏈段的運動，相位角增大，但隨著頻率的不斷降低，滯后現(xiàn)象減弱，相位角就會減小，因此可以推測在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)，不同溫度下的相位角隨加載頻率增大先增大后減小。其中使用改性瀝青的AC-13混合料的相位角峰值最小，但峰值對應(yīng)的加載頻率大于其他兩種混合料。以25 ℃相位角為例，AC-13混合料的相位角峰值為32.52°，對應(yīng)的頻率為5 Hz；而AC-16和AC-20混合料對應(yīng)的相位角峰值分別為37.36°和34.69°，對應(yīng)相位角峰值頻率均為1 Hz。

4　結(jié)論

(1)瀝青混合料的動態(tài)模量隨著溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系衰減，達到較高的溫度時(如55 ℃)，不同加載頻率的動態(tài)模量差異很小。加載頻率越高，動態(tài)模量隨著溫度的衰減速率越大，但其增加率越來越緩慢；使用改性瀝青AC-13混合料的動態(tài)模量隨溫度衰減速率最小。

(2)隨著加載頻率的升高，動態(tài)模量逐漸增大，溫度越高，增加幅度越小。在低頻范圍內(nèi)動態(tài)模量急劇增大，即變化敏感度較大；而在5～25 Hz的高頻范圍內(nèi)，動態(tài)模量增加率越來越緩慢。

(3)不同加載頻率的相位角出現(xiàn)峰值的溫度不同，加載頻率越低，出現(xiàn)峰值的溫度也越低；在0.01～2.0 Hz范圍內(nèi)，3種瀝青混合料的相位角均出現(xiàn)峰值的位置不超過25 ℃，而25 Hz對應(yīng)的相位角峰值均出現(xiàn)在45 ℃處。

(4)降低加載頻率越能促進高分子鏈段的運動，相位角增大，但隨著頻率的不斷降低，滯后現(xiàn)象減弱，相位角就會減小，在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)，不同溫度下的相位角隨頻率的增大先增大后減小。

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Visco-elastic Dynamic Response Property of Asphalt Mixture Based on AMPT

LI Pei-long，ZHANG Zheng-qi，WANG Bing-gang

(Key Laboratory of Road Structure &Material of Ministry of Transport,Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China)

To investigate the visco-elastic dynamic response property of asphalt mixture,the AMPT on 3 graded asphalt mixtures under different test conditions is conducted.The change laws of dynamic response parameters (dynamic modulus and phase angle) of asphalt mixtures with test temperature and loading frequency are analyzed.The attenuation models of dynamic modulus with temperature under different loading frequencies are obtained by data fitting,and the relationship between attenuation rate of dynamic modulus and loading frequency is discussed.The result indicates that (1) The dynamic modulus of asphalt mixture exponential attenuates with the increase of temperature.The attenuation rate is larger at a higher loading frequency,and the attenuation rate of dynamic modulus with temperature for AC-13 modified asphalt mixture is the smallest.(2) The difference of dynamic moduli at different frequencies is close at a higher temperature (say,55 ℃).(3) The peak temperatures of phase angle for different loading frequencies are not the same.A lower peak temperature appears at a lower frequency scope.The peak values of phase angle of the 3 asphalt mixtures are all less than 25 ℃ with the frequency from 0.01 to 2.0,but it emerges at around 45 ℃ for the frequency of 25 Hz.It is speculated that the phase angle increases first and then drops with the increase of frequency in a wide temperature and frequency ranges according to the test result.

road engineering;asphalt mixture;dynamic modulus;asphalt mixture performance test (AMPT);visco-elastic dynamic response;phase angle

2014-11-20

國家自然科學(xué)基金項目 (51008031)；交通運輸部基礎(chǔ)研究計劃項目 (2014319812151)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2014JQ7242)

栗培龍(1980-)，男，江蘇邳州人，博士，副教授.(peilong_li@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.01.001

U416.217

A

1002-0268(2016)01-0001-06