高模量瀝青混凝土力學(xué)性能試驗研究

摘要；針對添加專用外摻劑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)場測試研究。試驗結(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%，動態(tài)模量提高了77%以上，而現(xiàn)場落錘式彎沉儀(FWD)的測試結(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其展開的研究，由于各國的材料組成和設(shè)計方法均不相同，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現(xiàn)模量提高，各個國家均有不同的經(jīng)驗。在我國，針對高模量瀝青混凝土的研究才剛剛起步，對高模量瀝青混凝土的材料組成以及實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。

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試評價混合料的力學(xué)性能，并結(jié)合實體工程的現(xiàn)場測試結(jié)果，分析外摻劑對瀝青混合料力學(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)測試，瀝青和集料的各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。同時采用法國高模量添加劑(PRModule，如圖1所示)，進行高模量瀝青混凝土相關(guān)試驗研究。

1.2混合料級配

試驗共選用了4種級配，其中中粒式混合料2種:代表我國規(guī)范中值級配的AC20和典型的Superpave級配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]，只有動態(tài)模量E3(15℃，10Hz)達到≥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方法，在特定條件下測試相關(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，作為對比，同時開展了普通瀝青混凝土和添加PRModule的高模量瀝青混凝土20℃抗壓回彈模量的測試，表2。

試驗結(jié)果顯示，對4種不同級配瀝青混合料而言，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53%。這說明PRModule外摻劑對HMAC的抗壓回彈模量有顯著影響。對同一添加劑摻量而言，級配對HMAC的抗壓回彈模量也有影響，Superpave級配的增幅大于AC級配。相比而言，外摻劑對Superpave級配的混合料的影響更為顯著。

2.2動態(tài)復(fù)數(shù)模量

車輛荷載對瀝青路面的沖擊屬于動態(tài)作用，瀝青混合料在動態(tài)荷載作用下的力學(xué)反應(yīng)更接近于實際狀況。為了便于操作，本研究采用美國MTS-810材料試驗機，采用單軸動態(tài)壓縮試驗方法進行HMAC動態(tài)模量的測試。

對4種級配的高模量瀝青混凝土和同級配的普通瀝青混凝土進行測試對比。試驗溫度為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種頻率下進行動態(tài)模量和相位角的測試，結(jié)果見表3。

圖2和圖3中的試驗結(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。動態(tài)模量整體上隨加載頻率呈半對數(shù)直線關(guān)系，說明當(dāng)行車荷載速度提高時，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，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混合料動態(tài)模量比未摻入的動態(tài)模量均有大幅度提高，最大提高幅度可達到1倍以上，說明在車速變化范圍內(nèi)，該外摻劑對提高瀝青混合料動態(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)場落錘式彎沉儀FWD測試

本研究于2006年9月在河南省扶項高速公路鋪筑了500m的HMAC試驗段，并選取了相鄰的500m作為對比段，見圖4。作為對試驗路整體力學(xué)性能的評價，于2007年5月對試驗段和對比路段進行現(xiàn)場彎沉和動態(tài)綜合模量測試。

3.1測試設(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)測試車后軸單側(cè)動荷載，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;通過傳感器自動采集，即可自動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態(tài)模量，從而評價路面承載能力^[5-7]

3.2測試結(jié)果

分別對試驗段和對比段的左、中、右3幅進行檢測，試驗段檢測頻率為1測點/20m，對比段檢測頻率為1測點/50m。在同一測點重復(fù)測試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，保證測梁及其他構(gòu)件處于正常測試狀態(tài)，第3次可視為無形中的“3次平均值”，取用第3次測值作為該測點實測結(jié)果，見圖5。將左、中、右3幅測試結(jié)果的代表值分別計算出來，對測試結(jié)果進行溫度修正后列入表4中。根據(jù)文獻[8]，溫度修正系數(shù)K按式(1)計算。

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

結(jié)果表明，用落錘式彎沉儀(FWD)檢測試驗段3個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混合料動態(tài)模量比普通瀝青混凝土的動態(tài)模量有大幅度提高，可達到77%以上，在車速變化范圍內(nèi)，該外摻劑對提高瀝青混合料動態(tài)模量具有顯著的效果。

(3)高模量瀝青混凝土試驗段反算的綜合模

量高于SBS改性瀝青混凝土對比段的模量，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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