高模量瀝青混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

摘要；針對(duì)添加專用外摻劑PRModule的高模量瀝青混凝土(HMAC)的力學(xué)性能展開室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，外摻劑使得瀝青混凝土材料的回彈模量值提高45%，動(dòng)態(tài)模量提高了77%以上，而現(xiàn)場(chǎng)落錘式彎沉儀(FWD)的測(cè)試結(jié)果顯示，高模量瀝青混凝土路面的綜合模量高于SBS改性瀝青路面的綜合模量，該外摻劑是改善路面結(jié)構(gòu)整體承載能力的良好選擇。

關(guān)鍵詞:高模量瀝青混凝土 高模量添加劑 外摻劑 力學(xué)性能

0 引言

伴隨著公路運(yùn)輸交通量急劇增加，超載、重載現(xiàn)象日益嚴(yán)重，路面結(jié)構(gòu)的損壞也逐漸加劇，許多瀝青路面在通車不久就發(fā)生不同類型的損壞，嚴(yán)重影響了道路的服務(wù)質(zhì)量[1]。為了解決道路早期破壞的問題，許多新型道路材料開始用于高等級(jí)公路上。高模量瀝青混凝土(HMAC)在法國使用已經(jīng)超過20年的時(shí)間[2]，其原理是通過提高瀝青混凝土的模量，減少車輛荷載作用下瀝青混凝土產(chǎn)生的變形，提高路面抗高溫變形能力，改善路面的疲勞性能，延長路面的使用壽命。包括法國在內(nèi)的許多歐洲國家都先后對(duì)其展開的研究，由于各國的材料組成和設(shè)計(jì)方法均不相同，高模量瀝青混凝土也呈現(xiàn)出不同的性能表現(xiàn)。究竟何種途徑可以更好地實(shí)現(xiàn)模量提高，各個(gè)國家均有不同的經(jīng)驗(yàn)。在我國，針對(duì)高模量瀝青混凝土的研究才剛剛起步，對(duì)高模量瀝青混凝土的材料組成以及實(shí)際路用性能還不了解，需要在國外研究成果的基礎(chǔ)上，研究高模量瀝青混凝土材料組成，總結(jié)高模量瀝青混凝土的力學(xué)特征，為高模量瀝青混凝土在我國的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

通過前期大量調(diào)研，筆者選用了添加PRModule外摻劑來制備高模量瀝青混凝土，通過一系列的模量測(cè)試評(píng)價(jià)混合料的力學(xué)性能，并結(jié)合實(shí)體工程的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，分析外摻劑對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響水平和規(guī)律。

1材料組成

　　1.1原材料

本研究中瀝青材料選用韓國SK-70瀝青，集料采用河南滎陽產(chǎn)優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r。經(jīng)測(cè)試，瀝青和集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。同時(shí)采用法國高模量添加劑(PRModule，如圖1所示)，進(jìn)行高模量瀝青混凝土相關(guān)試驗(yàn)研究。

1.2混合料級(jí)配

試驗(yàn)共選用了4種級(jí)配，其中中粒式混合料2種:代表我國規(guī)范中值級(jí)配的AC20和典型的Superpave級(jí)配Sup20;粗粒式混合料2種:AC25和Sup25，并通過馬歇爾方法確定相應(yīng)油石比，見表1。外摻劑的用量采用推薦的0.7%。

2 室內(nèi)力學(xué)性能測(cè)試

作為高模量的瀝青混凝土，材料的力學(xué)性能是至關(guān)重要的。按照法國NFP-140標(biāo)準(zhǔn)中的定義[3]，只有動(dòng)態(tài)模量E3(15℃，10Hz)達(dá)到≥14000MPa的要求瀝青混凝土才可以被稱為“高模量瀝青混凝土”，因此本研究重點(diǎn)放在材料的力學(xué)性能上。目前我國常用的反映瀝青混合料模量的指標(biāo)有回彈模量、動(dòng)態(tài)復(fù)數(shù)模量等[3]。由于高模量瀝青混凝土具有典型的黏彈特性，因此分析高模量瀝青混凝土的力學(xué)性能，需要采用特定的試驗(yàn)方法，在特定條件下測(cè)試相關(guān)力學(xué)指標(biāo)。

2.1回彈模量

路面材料的抗壓回彈模量反映了材料抵抗可回復(fù)變形的能力，作為對(duì)比，同時(shí)開展了普通瀝青混凝土和添加PRModule的高模量瀝青混凝土20℃抗壓回彈模量的測(cè)試，表2。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)4種不同級(jí)配瀝青混合料而言，外摻劑的應(yīng)用使得混合料的抗壓回彈模量平均提高約45%。增幅最大的是Sup25型混合料，其增幅高達(dá)53%。這說明PRModule外摻劑對(duì)HMAC的抗壓回彈模量有顯著影響。對(duì)同一添加劑摻量而言，級(jí)配對(duì)HMAC的抗壓回彈模量也有影響，Superpave級(jí)配的增幅大于AC級(jí)配。相比而言，外摻劑對(duì)Superpave級(jí)配的混合料的影響更為顯著。

2.2動(dòng)態(tài)復(fù)數(shù)模量

車輛荷載對(duì)瀝青路面的沖擊屬于動(dòng)態(tài)作用，瀝青混合料在動(dòng)態(tài)荷載作用下的力學(xué)反應(yīng)更接近于實(shí)際狀況。為了便于操作，本研究采用美國MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)，采用單軸動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)方法進(jìn)行HMAC動(dòng)態(tài)模量的測(cè)試。

對(duì)4種級(jí)配的高模量瀝青混凝土和同級(jí)配的普通瀝青混凝土進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。試驗(yàn)溫度為15℃，試件為靜壓成型的<100mm×100mm的圓柱體試件，采用頻率掃描的方式，頻率范圍為0。1～10Hz，分別在5種頻率下進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量和相位角的測(cè)試，結(jié)果見表3。

圖2和圖3中的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著頻率的增加，4種HMAC瀝青混合料的模量隨之提高，相位角隨之降低。動(dòng)態(tài)模量整體上隨加載頻率呈半對(duì)數(shù)直線關(guān)系，說明當(dāng)行車荷載速度提高時(shí)，瀝青混合料的行為接近于彈性，模量較高，相位角較低，當(dāng)頻率降低，即行車速度較慢時(shí)，瀝青混合料的模量較低，相位角隨之增大，瀝青混合料的行為接近于黏性，不利于路面變形的恢復(fù)。在重載車輛多、坡度大的路段，車輛的行駛速度會(huì)比較低，這樣的條件下應(yīng)用高模量瀝青混凝土更利于抵抗荷載作用。

在頻率從高到低的變化過程中，摻入0.7%外摻劑的HMAC混合料動(dòng)態(tài)模量比未摻入的動(dòng)態(tài)模量均有大幅度提高，最大提高幅度可達(dá)到1倍以上，說明在車速變化范圍內(nèi)，該外摻劑對(duì)提高瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量具有顯著的效果。因此可以采用此外摻劑來提高瀝青路面的整體承載性能。

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3 現(xiàn)場(chǎng)落錘式彎沉儀FWD測(cè)試

本研究于2006年9月在河南省扶項(xiàng)高速公路鋪筑了500m的HMAC試驗(yàn)段，并選取了相鄰的500m作為對(duì)比段，見圖4。作為對(duì)試驗(yàn)路整體力學(xué)性能的評(píng)價(jià)，于2007年5月對(duì)試驗(yàn)段和對(duì)比路段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)彎沉和動(dòng)態(tài)綜合模量測(cè)試。

3.1測(cè)試設(shè)備

選用丹麥生產(chǎn)的拖掛式DYNATEST8000型落錘式彎沉儀。利用50kN重錘從一定高度自由落下，模擬標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試車后軸單側(cè)動(dòng)荷載，通過承載板給路表面一半正弦脈沖力，使路表面產(chǎn)生變形;通過傳感器自動(dòng)采集，即可自動(dòng)顯示彎沉盆及彎沉最大值等參數(shù)，通過專業(yè)軟件反算出瀝青面層的綜合動(dòng)態(tài)模量，從而評(píng)價(jià)路面承載能力^[5-7]

3.2測(cè)試結(jié)果

分別對(duì)試驗(yàn)段和對(duì)比段的左、中、右3幅進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)段檢測(cè)頻率為1測(cè)點(diǎn)/20m，對(duì)比段檢測(cè)頻率為1測(cè)點(diǎn)/50m。在同一測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)試3次，由于承載板、位移傳感器與路表面的接觸不密貼和不穩(wěn)定，經(jīng)前2次錘擊，保證測(cè)梁及其他構(gòu)件處于正常測(cè)試狀態(tài)，第3次可視為無形中的“3次平均值”，取用第3次測(cè)值作為該測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果，見圖5。將左、中、右3幅測(cè)試結(jié)果的代表值分別計(jì)算出來，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度修正后列入表4中。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，溫度修正系數(shù)K按式(1)計(jì)算。

K=10^{0.01693(T-T0)                  (1)}

結(jié)果表明，用落錘式彎沉儀(FWD)檢測(cè)試驗(yàn)段3個(gè)車道的反算模量比正常路段的要高。雖然反算出來的模量屬于瀝青面層的綜合模量，但由于路基情況基本類似，路面其它結(jié)構(gòu)層相同，綜合模量的差異也能反映HMAC中面層和SBS改性瀝青中面層力學(xué)性能的差異。高模量瀝青混凝土路段比SBS改性瀝青混凝土路段的整體承載力好。

4 結(jié)論

(1)外摻劑的使用可以顯著提高瀝青混凝土材料的回彈模量，提高程度平均可達(dá)到45%左右。

(2)在頻率從高到低的變化過程中，摻外摻劑的HMAC混合料動(dòng)態(tài)模量比普通瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量有大幅度提高，可達(dá)到77%以上，在車速變化范圍內(nèi)，該外摻劑對(duì)提高瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量具有顯著的效果。

(3)高模量瀝青混凝土試驗(yàn)段反算的綜合模

量高于SBS改性瀝青混凝土對(duì)比段的模量，HMAC路面的承載能力比SBS改性瀝青混凝土路面要好。

(4)外摻劑的使用能夠改善路面結(jié)構(gòu)的整體承載能力。使用該種外摻劑配制的HMAC在交通量大，超載、重載比例較高，車速緩慢的路段將能夠體現(xiàn)出較好的承載性能。

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