動態(tài)模量和抗壓回彈模量對瀝青混合料性能的影響

動態(tài)模量和抗壓回彈模量對瀝青混合料性能的影響

目前，大多數(shù)瀝青路面工程方法采用彈性層系統(tǒng)理論，計算瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。眾所周知,彈性層狀體系理論分析中一個基本的材料力學(xué)參數(shù)是楊氏模量,而瀝青混合料則是粘彈性材料,所以嚴(yán)格地講,瀝青混合料并不存在楊氏模量,不能用彈性層狀體系理論分析其本構(gòu)關(guān)系。但是對瀝青路面結(jié)構(gòu)進行粘彈性分析,由于分析過程非常復(fù)雜,目前還沒有達到實用階段,所以各國在瀝青路面設(shè)計方法開發(fā)過程中,不得不采用彈性層狀體系理論,利用其他的一些力學(xué)參數(shù)來模擬瀝青混合料的楊氏模量。例如在我國目前的柔性路面設(shè)計規(guī)范中,規(guī)定采用20℃的抗壓回彈模量計算彎沉,采用15℃時的抗壓回彈模量來計算彎拉應(yīng)力。在美國最近推出的新的力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法中(NCHRP1-37A),則采用動態(tài)模量。NCHRP1-37A提出的設(shè)計方法旨在取代原來的AASHTO1993設(shè)計方法,而成為新的AASHTO路面設(shè)計方法,也稱為AASHTO2002設(shè)計方法。結(jié)合瀝青混合料在路面結(jié)構(gòu)中的實際工作狀況對抗壓回彈模量和動態(tài)模量進行比較分析。1瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)抗壓回彈模量試驗方法簡單,設(shè)備便宜,但卻存在著一個明顯的缺陷,即抗壓回彈模量不能夠反映工程現(xiàn)場的實際情況。首先,瀝青混凝土的模量受溫度的影響非常大,在低溫時,其模量可能接近水泥混凝土的模量,而在高溫時,其模量可能會接近粒料材料的模量。在我國南方和北方地區(qū),路面的實際工作溫度有很大的差異。即使在同一地區(qū),瀝青路面結(jié)構(gòu)在冬季和夏季,甚至白天和夜晚,其內(nèi)部溫度均有較大的變化,采用統(tǒng)一溫度下的抗壓回彈模量不可能反映這些復(fù)雜的溫度變化對瀝青混合料力學(xué)性質(zhì)的影響,從而導(dǎo)致對力學(xué)分析結(jié)果或設(shè)計結(jié)果的把握程度不高。影響瀝青混合料力學(xué)性質(zhì)的另一重要因素是荷載作用頻率,隨著荷載作用頻率的增加,瀝青混合料的模量增加,路面結(jié)構(gòu)的荷載作用頻率受到行車速度、軸載類型、深度等因素的影響。我國規(guī)范中抗壓回彈模量采用2mm/min的速度加載,其荷載作用頻率是多少并不明確,所以采用抗壓回彈模量不能反映路面結(jié)構(gòu)內(nèi)荷載頻率對混合料力學(xué)性質(zhì)的影響。另外抗壓回彈模量試驗中試件承受較大的應(yīng)力水平,致使試件超出了線性范圍,使試驗結(jié)果受應(yīng)力水平的影響。而采用0.5倍抗壓強度時的試驗結(jié)果計算抗壓回彈模量,缺乏理論依據(jù)。該研究對3種瀝青混合料(SMA13、Superpave20、Superpave25)分別進行了15℃和20℃的抗壓回彈模量試驗,SMA13集料為玄武巖,Sup20和Sup25使用石灰?guī)r,SMA13和Sup20使用PG76-22SBS改性瀝青,Sup25使用PG64-22普通瀝青,3種混合料的級配如表1所示,抗壓回彈模量試驗結(jié)果見表2。2時間-溫度轉(zhuǎn)換因子動態(tài)模量試驗的最新規(guī)程為AASHTOTP-62,該試驗在有圍壓或無圍壓的條件下對圓柱型試件(100mm×150mm)施加連續(xù)正弦荷載,試驗中典型的應(yīng)力、應(yīng)變隨時間變化曲線如圖1所示。動態(tài)模量可以通過試驗達到穩(wěn)定狀態(tài)時的應(yīng)力幅值和應(yīng)變幅值的比值來確定,即|E?|=σamp/εamp(1)|E*|=σamp/εamp(1)式中,σamp為應(yīng)力幅值;εamp為應(yīng)變幅值。在動態(tài)模量試驗中,要求將應(yīng)變控制在125μm以下,確保瀝青混合料處于線性范圍內(nèi),從而消除應(yīng)力水平對材料力學(xué)性質(zhì)的影響。動態(tài)模量試驗的主要缺點包括試驗設(shè)備較為昂貴,操作較復(fù)雜,所需試驗時間較長。研究中對同樣的3種瀝青混合料(SMA13、Superpave20、Superpave25)進行了動態(tài)模量試驗。動態(tài)模量試驗在5個溫度下進行,分別為4℃、15℃、25℃、40℃和55℃,在每一個溫度下,分別測定了7個不同頻率下(25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz)的動態(tài)模量。利用不同溫度和不同頻率下得到的動態(tài)模量,根據(jù)時間-溫度置換原理,可以將不同條件下得到的動態(tài)模量試驗結(jié)果平移后形成動態(tài)模量主曲線,并同時得到時間-溫度轉(zhuǎn)換因子。動態(tài)模量主曲線描述荷載作用頻率對材料性質(zhì)的影響,時間-溫度轉(zhuǎn)化因子描述了溫度對材料性質(zhì)的影響,這樣動態(tài)模量主曲線和時間-溫度轉(zhuǎn)化因子合起來就可以描述溫度和荷載頻率對瀝青混合料的綜合影響,從而更加真實地反映瀝青混合料在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的行為特性。為了對2種模量試驗結(jié)果進行比較,研究利用時間-溫度置換原理確定了各混合料在參考溫度為15℃和20℃時的動態(tài)模量主曲線。動態(tài)模量主曲線采用西格摩德(Sigmoidal)函數(shù)形式,如式(2)所示log(E?)=δ+(Max?δ)1+eβ+γ{log(fr)}(2)log(E*)=δ+(Μax-δ)1+eβ+γ{log(fr)}(2)式中,|E*|是動態(tài)模量;fr是參考溫度下的作用頻率,也稱為縮減頻率,δ、β、γ是回歸系數(shù),Max為動態(tài)模量的最大值,研究中時間-溫度轉(zhuǎn)化因子采用了Arrhenius函數(shù)形式,如式(3)所示log[a(T)]=ΔEa2.303R(1T?1Tr)(3)log[a(Τ)]=ΔEa2.303R(1Τ-1Τr)(3)式中,T為溫度,單位為K;Tr為參考溫度,單位為K;ΔEa為活動能;R為通用氣體常數(shù),等于8.314J/(K·mol)。另外,利用Hirsch模型來計算瀝青混合料的最大動態(tài)模量,如式(4)所示|E?|=Pc[4200000(1?VMA100)+435000(VFA×VMA10000)]+1?Pc???(1?VMA100)4200000+VMA435000(VFA)???Pc=(20+435000(VFA)VMA)0.58650+(435000(VFA)VMA)0.58(4)|E*|=Ρc[4200000(1-VΜA100)+435000(VFA×VΜA10000)]+1-Ρc[(1-VΜA100)4200000+VΜA435000(VFA)]Ρc=(20+435000(VFA)VΜA)0.58650+(435000(VFA)VΜA)0.58(4)式中,VMA為瀝青混合料的礦料間隙率;VFA為瀝青混合料的飽和度,Pc為集料接觸體積。32抗壓回彈模量對頻率的影響為了便于比較,各瀝青混合料在15℃和20℃時的動態(tài)模量主曲線和抗壓回彈模量分別繪于圖2—圖4中。由于抗壓回彈模量并沒有考慮荷載頻率的影響,所以在圖中表示為一個直線。圖2—圖4顯示,動態(tài)模量隨頻率不斷的變化,并且不同溫度的主曲線有所差異,表明動態(tài)模量可以綜合考慮溫度和頻率的影響。由圖2—圖4可知,在相同溫度下,抗壓回彈模量對應(yīng)于頻率較小時的動態(tài)模量。表3給出了各混合料在不同溫度下所對應(yīng)的頻率?？梢?抗壓回彈模量所對應(yīng)的頻率大約在0.01—0.1Hz之間,并且對應(yīng)頻率受混合料類型和溫度的影響,其原因除了試驗誤差外,還由于抗壓回彈模量試驗超出了線性范圍,試件經(jīng)受了一定程度的破壞,而瀝青混合料的破壞特性受混合料類型和溫度的影響,所以不能確定唯一的對應(yīng)頻率。4混合料抗壓回彈模量試驗和動態(tài)模量主曲線分析了瀝青混合料動態(tài)模量和我國規(guī)范中抗壓回彈模量的優(yōu)缺點,表明動態(tài)模量能更全面、科學(xué)地反映瀝青混合料的行為特性。分別對SMA13、Sup20和Sup25三種瀝青混合料進行了15℃和20℃