基于DMA的沥青混合料动态模量影响因素研究

    杨强 赵弘正

    摘 要：为掌握沥青路面结构在动荷载作用下的受力特性，有必要研究试验温度、试验频率、级配类型和沥青类型等因素对沥青混合料动态模量的影响。本文基于温度和频率控制范围广和精度高的动态力学分析仪（DMA），对SBS和橡胶（AR）改性沥青制备的AC-13和SMA-13沥青混合料分别进行动态模量试验。结果表明：随着试验温度提高，沥青混合料动态模量逐渐下降，动态模量温度敏感性则呈先增加后降低趋势；随着试验频率增加，沥青混合料动态模量及动态模量的频率敏感性均增加，且SBS改性沥青混合料的动态模量频率敏感性高于AR改性沥青混合料，级配对频率敏感性的影响则相对较小；SMA-13沥青混合料动态模量较AC-13沥青混合料低，但随温度提高两者差值逐渐减小，随频率提高两者差值逐渐增大；频率为0.1Hz到5Hz之间时，AC-13-AR改性沥青混合料动态模量较AC-13-SBS高，而频率为5Hz到80Hz之间时，正好相反。

    关键词：沥青混合料；动态模量；DMA；温度；频率

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.084

    1 引言

    沥青路面是我国高速公路的主要结构形式，其具有行车舒适、建养周期短及可回收利用等特点。我国沥青路面采用多层连续弹性层状理论进行设计，以往设中对沥青混合料材料特性往往以15℃和20℃抗压回弹模量表征[1]，但实际沥青路面服役过程中，在气候环境、汽车轴载和交通量等的综合影响下，沥青路面受力情况是实时变化的动态过程，因而采用靜态抗压回弹模量进行沥青路面结构设计可靠性存疑[2-4]。近年来相关学者提出基于动态模量的沥青路面结构设计方法，且目前已被我国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）采纳。动态模量是动荷载作用下轴向应力幅值与应变幅值的比值，其决定了沥青混合料在一定温度和加载频率下的应变响应，且与沥青混合料抗疲劳和抗车辙性能有重要关系[5-7]，显然采用动态模量表征沥青混合料特性更能接近路面结构实际受力情况。

    目前国内外对沥青混合料动态模量进行了较多研究，但受试验设备限制，现有研究中涉及的沥青混合料动态模量研究温度和频率范围往往较窄[8-9]，因而有必要进行深入研究。为此，本文基于温度和频率控制范围广和精度高的DMA设备，分析试验温度、试验频率、级配类型和沥青类型对沥青混合料动态模量的影响规律，对进一步掌握沥青混合料动荷载作用下的受力特性有积极意义。

    2 试验概况

    2.1 原材料

    （1）沥青。采用SBS和AR改性沥青进行试验研究，两者主要技术指标如表1所示。

    （2）集料。粗集料选择质地坚硬的玄武岩，细集料为石灰岩，主要技术指标如表2所示。

    （3）级配。采用AC-13和SMA-13两种级配制备沥青混合料进行试验研究，两种级配各筛孔通过率如表3所示。其中AC-13使用SBS和AR两种改性沥青，对应最佳油石比分别为5.1%和6.2%，SMA-13使用SBS改性沥青，对应最佳油石比为5.8%。

    2.2 动态模量试验

    根据表3级配成型SGC圆柱形试件，脱模后采用普通切割机切割为45mm×45mm×10mm长方体试块，进而移入-20℃冰箱中冷冻24h，取出后采用高精度切割机切割为35mm×10mm×3mm长方体试块进行动态模量试验。其中动态模量试验采用DMA Q800进行，试验中其温度和荷载频率控制范围广、精度高，该设备主要技术参数如表4所示。

    3 温度对沥青混合料动态模量影响

    沥青路面服役过程中环境温度变化范围较大，故有必要研究温度对沥青混合料动态模量的影响，为此本文制备SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三种类型沥青混合料试件分别进行-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃和40℃共7条温度条件下的DMA试验，频率10Hz，结果如图1所示。

    由图1可知：

    随着试验温度提高，沥青混合料动态模量逐渐下降，这是由于沥青为粘弹性材料，温度提高时沥青粘度下降，且粘性成分比例增加，因为在荷载作用混合料中沥青容易发生粘性流动，导致变形量增加，因而动态模量减小，其中温度由-20℃增加至40℃时，SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三种沥青混合料的动态模量分别降低91.2%、88.6%和87.0%。

    随着试验温度提高，沥青混合料动态模量温度敏感性呈先增大后减小趋势，其中在-20℃到-10℃温区和30℃到40℃温区温度敏感性相对较低，在-10℃到30℃温区温度敏感性相对较高。试验温度由-20℃增加到-10℃，温度每增加1℃SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三种类型沥青混合料的动态模量分别下降163.7MPa、225.7 MPa和126.0MPa，试验温度由-10℃增加到30℃，温度每增加1℃三种类型沥青混合料的动态模量分别下降289.5MPa、343.1MPa和303.2MPa，而试验温度由30℃增加到40℃时，温度每增加1℃三种类型沥青混合料的动态模量分别下降154.3MPa、213.4MPa和211.1MPa。

    SMA-13沥青混合料动态模量较AC-13沥青混合料低，但随着温度提高两者差值逐渐较小。各个试验温度下SMA-13-SBS沥青混合料的动态模量均低于AC-13-SBS改性沥青混合料，其中试验温度为-20℃时，SMA-13-SBS较AC-13-SBS低4265MPa，而温度增加至40℃时两者仅相差909MPa；AR改性沥青混合料动态模量较SBS改性沥青混合料低，尤其温度较低时表现明显。各个试验温度下AC-13-AR沥青混合料的动态模量均低于AC-13-SBS改性沥青混合料，其中试验温度为-20℃时，AC-13-AR较AC-13-SBS低2627MPa，而温度增加至40℃时两者仅相差12MPa。

    4 频率对沥青混合料动态模量影响

    沥青路面服役过程中不同环境和交通量条件下行车速度差异较大，而试验中可通过改变试验频率模拟不同行车速度，其中频率越大表征行车速度越快。为此本文制备SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三种类型沥青混合料试件分别进行0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz、40Hz和80Hz共8个频率条件下的DMA试验，温度20℃，结果如图2所示。

    由图2可知：

    随着试验频率提高，沥青混合料动态模量逐渐增加，这是由于沥青为粘弹性材料，试验频率提高时荷载作用作用时间短，此时沥青弹性部分发生变形，但粘性部分变形对荷载的作用有滞后性，因而频率提高时沥青混合料变形响应时间缩短，故动态模量提高，其中频率由0.1Hz增加至80Hz时，SMA-13-SBS、AC-13-SBS和AC-13-AR三种沥青混合料的动态模量分别增加3.0倍、2.8倍和2.0倍。

    随着试验频率提高，沥青混合料动态模量频率敏感性呈增大趋势，其中在0.1Hz到1Hz频率范围时敏感性相对较低，在1Hz至10Hz频率范围时敏感性相对较高。此外，沥青类型对沥青混合料的动态模量频率敏感性影响较大，级配则对其影响较小，其中频率为0.1Hz时，AC-13-AR改性沥青混合料的动态模量较AC-13-SBS改性沥青混合料高850MPa，频率为80Hz时动态模量反较其低410MPa，表明SBS改性沥青混合料的频率敏感性高于AR改性沥青，而SMA-13-SBS和AC-13-SBS沥青混合料动态模量随频率变化曲线的斜率相差不大，表明两种级配的频率敏感性差异较小。

    SMA-13沥青混合料动态模量较AC-13沥青混合料低，且随着频率提高两者差值逐渐增大。各个试验频率下SMA-13-SBS沥青混合料的动态模量均低于AC-13-SBS改性沥青混合料，其中试验温度为0.1Hz时，SMA-13-SBS较AC-13-SBS低916MPa，而频率增加至80Hz时两者相差2939MPa；不同频率范围AR改性沥青混合料动态模量和SBS改性沥青混合料表现出明显差异，其中频率在0.1Hz到5Hz之间时，AC-13-AR改性沥青混合料动态模量较AC-13-SBS高，而频率在5Hz到80Hz之间时，AC-13-AR改性沥青混合料动态模量较其更低。

    5 结语

    （1）随着试验温度提高，沥青混合料动态模量逐渐下降，动态模量温度敏感性则呈先增加后降低趋势，其中动态模量在-20℃到-10℃温区和30℃到40℃温区的温度敏感性相对较低，在-10℃到30℃温区的温度敏感性相对较高。

    （2）随着试验频率增加，沥青混合料动态模量及动态模量的频率敏感性均增加，其中在0.1Hz到1Hz频率范围时频率敏感性相对较低，在1Hz至10Hz频率范围时则相对较高；SBS改性沥青混合料的动态模量频率敏感性高于AR改性沥青混合料，级配对频率敏感性的影响则相对较小。

    （3）SMA-13沥青混合料动态模量较AC-13沥青混合料低，但随试验温度提高两者差值逐渐减小，随频率提高两者差值逐渐增大；频率在0.1Hz到5Hz之間时，AC-13-AR改性沥青混合料动态模量较AC-13-SBS高，而频率在5Hz到80Hz之间时，正好相反。

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    作者简介：杨强（1993-），男，湖南衡阳人，助理工程师，研究方向：道路沥青混合料。