沥青混合料动态模量影响因素试验研究

张　奎，刘　玉，樊伟民

沥青混合料动态模量影响因素试验研究

张奎1，刘玉2，樊伟民3

（1.长安大学 公路学院，陕西西安 710064；2.长安大学 特殊地区道路教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3.陕西渭南公路管理局白水公路段，陕西渭南 714000）

为更好地掌握沥青混合料的力学性质随温度和时间的变化规律，文章采用简单性能试验机（SPT）测试了4种不同级配、不同空隙率的沥青混合料在不同试验温度、不同加载频率条件下的动态模量。结果表明：沥青混合料动态模量随温度的升高而降低，随频率的增加而增大；低空隙率、级配良好的沥青混合料动态模量相对较高，性能较好。

沥青混合料；动态模量；简单性能试验机；空隙率；级配

沥青路面暴露在空气中，直接受到车辆、气候等因素不断变化的作用，尤其是路面结构在行车荷载作用下主要表现为动态加载效应，但是目前路面设计模型仅考虑静力模型［1-2］。路面实际受力状态与路面设计方法之间，存在着模型与参数方面的动态、静态、弹性与粘弹性之间的不同。动态模量是表征沥青混合料粘弹性的一项重要指标，也是沥青路面结构设计和性能评价的一个重要参数。与静态模量相比，以动态模量表征沥青混合料的材料特性能更好地接近路面的工作状态［3-5］。因此从路面结构的受力状态出发，深入研究沥青混合料的动态模量及动态特性具有十分重要的意义。

沥青混合料的动态模量试验是研究混合料试件在不同温度、不同荷载作用频率以及不同加载方式下沥青混合料的动态响应，可以较好地了解沥青混合料的力学性质随温度和时间的变化规律［6］。本文采用简单性能试验机（SPT）对4种类型沥青混合料进行了动态模量试验，测试了4种级配、空隙率的沥青混合料在不同试验温度、不同加载频率条件下的动态模量。

1　原材料参数

本文根据Superpave混合料设计规范试验选用4种工程上常用的级配，分别记为级配1、级配2、级配3、级配4，其级配曲线如图1所示。沥青胶结料采用满足PG64-28和PG64-22技术指标的基质沥青，其中级配1和2采用PG64-22，级配3和4采用PG64-28；所用矿料均相同。

图1　沥青混合料级配曲线图

2　试验与结果分析

研究采用简单性能试验机（SPT）对4种沥青混合料进行不同加载频率和温度下的动态模量试验，研究温度、频率、级配和空隙率对沥青混合料动态模量的影响。该试验可以得到3个参数，分别为复数模量E*、动态模量和相位角。复数模量E*是一个复数，用来描述像沥青混合料此类粘弹性材料的应力应变关系。动态模量是复数模量E*的绝对值（即模），用来反映粘弹性材料抗变形的能力。相位角φ是用来描述材料弹性部分和粘性部分的相对大小。在实际中，相位角一般位于10°～45°，随着材料粘性增加，相位角也逐渐增加［5］。

本试验试件成型采用旋转压实成型方式，初始试件为150 mm×170 mm的圆柱体试件，室温养生24 h后，再钻取100 mm×150 mm的芯样进行试验。每种级配成型3组不同空隙率的试件，分别为4%、7%、10%；每组3个平行试验。试验过程中采用正弦应力控制的加载方式进行加载，不施加围压，试件加载次数相同，试验温度从低温到高温分别为-5 ℃、4 ℃、13 ℃、21.3 ℃、39.2 ℃，每种温度条件下采用6个不同的加载频率为0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz。试验顺序由低温到高温、由高频到低频，试验结果如图2所示。

通过分析可以得到如下结论：

（1）对于4种级配的混合料来说，温度相同时沥青混合料动态模量均随加载频率的升高而增大。这是因为当频率增大时，前一个或者若干个加载应力积累的能量不能在一瞬间释放，因此，加载频率越高，积累的能量越多，表现出来的弹性特性越加明显，动态模量增加；但增大的幅度随着温度的升高而略有减缓，而后趋于平缓。温度相同时，当加载频率由0.1 Hz增长到5 Hz时，动态模量的增加幅度很明显，而当频率由5 Hz经10 Hz增加到25 Hz时增加的趋势趋于平缓。这说明当加载频率到达一定程度后不会随着加载频率的增加而无限制的增大。这主要是因为当加载平率很高时，混合料不再具有明显的粘弹性性质，此时材料本身的性质对动态模量的影响更加显著。

图2　4种级配混合料在不同温度不同频率下动态模量比较（4%空隙率）

（2）温度是影响沥青路面性能的重要因素。频率相同时，随着温度的升高，混合料的动态模量降低。这是因为加载频率一定时，温度的升高使得沥青混合料主要表现为粘弹性材料，在应力的作用下，混合料骨架结构的变形愈加明显，吸收了一部分能量，回弹能力降低，动态模量降低。

（3）空隙率对混合料的动态性能有着重要的影响。由图3可知，随着空隙率的增加（从4%增加至10%），沥青混合料动态模量逐渐减小。这是由于空隙的增加使得沥青混合料密实度减小，无法填充于骨架结构中，导致了混合料强度的减小，进而使得沥青混合料动态模量E*减小（其他级配混合料也有相同规律）。

图3　不同级配下空隙率对混合料动态模量的影响（21.3 ℃）

（4）组成混合料的级配对沥青混合料的路用性能有着直接的影响。级配对空隙率的影响与混合料的级配也有着很大的关系，粗集料的含量与空隙率成正比，细集料的含量与空隙率成反比。本文研究空隙率（4%）、温度（21.3 ℃）加载频率（10 Hz）相同的情况下，矿料级配对沥青混合料动态模量的影响。试验结果见图4。

图4　不同级配混合料动态模量比较（21.3 ℃，10 Hz，空隙率4%）

根据贝雷法矿料级配设计方法的思想，对于最大公称粒径为12.5 mm的级配，粗集料关键筛孔为2.36 mm；对于最大公称粒径为19 mm的级配，粗集料关键筛孔为4.75 mm。由图1可见，4种级配均为“S”型曲线。其中级配4为粗粒式沥青混合料，这种级配的沥青混合料粗集料占绝大部分，构成丰富的骨架结构，高温性能较好；由图4可以看出该级配混合料动态模量远远大于其他级配的沥青混合料。结合图1和图4可以看出，级配1和级配2构成的混合料结构非常相似，动态模量也相差不大。级配3的级配曲线相对比较平滑，属于连续性细粒式沥青混合料，由于细集料相对较多，骨架结构相对其他级配的混合料不够丰富，因此动态模量就比较小。

3　结论

（1）沥青混合料动态模量在频率不变时，随温度的升高而逐渐降低；温度不变时，随频率的增加而增大，但不会无限制增大。

（2）空隙率影响沥青混合料动态模量的变化，当空隙率增大时，混合料的动态模量减小，因此设计沥青混合料时要满足空隙率的要求。

（3）沥青混合料的矿料级配组成也影响着动态模量，粗集料较多，骨架结构丰富，混合料的动态模量就较大；另一方面，级配也影响混合料空隙率的大小，因此合理调整级配和控制空隙率的大小在混合料设计方面至关重要。

［1］赵延庆，吴剑，文健.沥青混合料动态模量及其主曲线的确定与分析［J］.公路，2006（8）：163-167.

［2］李文良. 大粒径沥青混合料的动态模量主曲线评价分析［J］. 山西交通科技，2011（4）：25-27.

［3］耿立涛，杨新龙，任瑞波，等.稳定型橡胶改性沥青混合料动态模量预估［J］.建筑材料学报，2013（4）：720-724.

［4］姚连军，李丽.基于抗压回弹模量和动态模量的沥青路面设计参数研究［J］.公路交通技术，2014（2）：20-23.

［5］宋鑫，钱振东，王江洋.沥青混合料四点弯曲动态模量试验研究［J］.石油沥青，2011（2）：17-21.

［6］何昌轩，樊英华，郑晓光.沥青混合料动态模量试验研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2010（4）：555-558.

［7］李瑞霞，郝培文.布敦岩沥青混合料动态模量及主曲线研究［J］.武汉理工大学学报，2011（10）：42-45.

Experimental Investigation on Influenced Factors for Asphalt MixtureDynamic Modulus

Zhang Kui1， Liu Yu2， Fan Weimin3
（1. School of Highway， Chang' an University， Xi'an 710064， China；2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education， Chang'an University， Xi'an 710064， China；3. The Baishui Highway Section of Weinan Highway Administration， Weinan 714000， China）

In order to understand the mechanical properties of asphalt mixture changing with temperature and time variation，simple performance test machine （SPT） is used to test the dynamic modulus of asphalt mixture with different gradation and void ratio respectively at different temperatures and loading frequencies. The results indicate that dynamic modulus of asphalt mixture decreases with the rise of temperature and increases with the increase of frequency； the dynamic modulus of asphalt mixture with low porosity and good gradation is relatively high and the mixture performance is better.

asphalt mixture； dynamic modulus； simple performance test machine； void ratio； gradation

U414

A

1672-9889（2015）01-0004-03

博士后基金特别资助项目（项目编号：2012M521730）；博士后基金项目面上资助（项目编号：2013T60870）

张奎（1988-），男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为道路与铁道工程。

（2014-05-21）