HMB 高模量天然改性瀝青混合料動態模量研究?

彭楠峰 ，蔡燕霞 ，高 穎 ，楊 杰 ，李冷雪

（1.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲056038； 2.中路高科（北京） 公路技術有限公司，北京100088；3.公路建設與養護新材料技術應用交通運輸行業研發中心，北京100088；4.交通運輸部公路科學研究院，北京100088； 5.中建路橋集團有限公司，河北 石家莊056000）

0 引言

隨著我國經濟的發展，城市交通量也隨之增加，交通渠化程度的提高和高溫天氣的影響，路面的車轍病害日益嚴重，成為了瀝青路面最嚴重的早期病害之一。車轍病害影響了路面的平整度，降低了瀝青路面的整體強度和抗滑能力，對車輛的行車安全也有一定程度的影響［1］。由此可見，車轍問題已經成為了道路工程中亟待解決的問題。在國內外的路面材料研究領域中，高模量瀝青混合料作為一種新型材料，受到了廣泛的關注。其設計理念是通過提高瀝青混合料的模量，來減少路面因受車輛荷載所產生的塑性變形，提高路面的高溫穩定性，改善其性能，延長路面的使用壽命［2］。

瀝青路面受到不同因素的影響，其實際受力狀態和材料性質等都與靜態體系有明顯不同［3］。動態模作為一種動態性能參數，可以有效的反映瀝青路面的動態力學特性，準確的評價瀝青路面的真實服役狀態［4］。因此，關于動態模量的研究對瀝青路面的設計和評價就顯得尤為重要。目前，國內外學者對動態模量做了大量的研究［5－9］。但不同的瀝青和混合料有著不同的動態參數和動力特性，HMB 高模量天然瀝青［10］作為一種新型材料，目前對其混合料的動態模量和主曲線的研究較少，對于高模量瀝青混合料的動態模量主曲線和移位因子需進一步研究確定。

法國是最早開始研究高模量瀝青混合料的國家，其高模量瀝青混合料的設計技術已逐漸成熟，為世界各國競相研究。且公路瀝青路面的早期破壞形式的永久變形通常發生在中面層，因此對中面層級配動態模量的研究也是十分必要的。故本文選擇了法標EME－20 級配對比中標AC－20 級配的瀝青混合料，采用SPT 簡單性能儀，在不同的試驗條件下對兩種不同級配的瀝青混合料進行動態模量試驗，再選用西格摩德（Sigmoidal） 函數，通過非線性最小二乘法擬合得到了參考溫度下的動態模量主曲線，基于時溫等效原理，算出動態模量主曲線的移位因子，求得不同溫度下的動態模量主曲線方程。對比分析了法標EME 級配與中標AC 級配的瀝青混合料動態模量的大小與變化規律，為HMB 高模量瀝青混合料的設計提供參考。

1 原材料性質

1.1 瀝青

本文選用瀝青由西安某瀝青有限公司研發的HMB 高模量天然瀝青，其組成包含天然瀝青、軟瀝青、道路石油瀝青、偶聯劑、降黏劑、交聯劑和聚合物改性劑等，且天然瀝青占比較高，為總質量的7%左右，瀝青具體性能指標如下表所示。

表1 HMB 成品天然瀝青性能指標Table 1 Performance indexes of HMB finished natural asphalt

1.2 集料

1.2.1 粗集料

本文選用粗集料來自北京公路高科交通試驗場，產地為河北三河，其具體的性能指標如下表所示，粗集料的各項性能指標都滿足規范要求。

表2 粗集料性能指標Table 2 Performance indexes of coarse aggregate

1.2.2 細集料

細集料具體性能指標如下，細集料的各項性能指標都滿足規范要求。

表3 細集料性能指標Table 3 Performance indexes of fine aggregate

1.3 礦粉

礦粉技術指標如下所示，礦粉的各項性能都滿足規范要求。

表4 礦粉性能指標Table 4 Performance indexes of mineral powder

2 配合比設計

2.1 級配設計

法國高模量瀝青混合料的設計方法為四水平法，采用豐度系數來確定最低瀝青用量。其高漠量瀝青混合料設計方法雖然是一套完整的設計規范體系，但由于試驗設備操作的復雜、繁瑣，試驗周期較長，因此其設計方法并不適合在國內大規模推廣。針對我國現狀，采用馬歇爾設計方法才是我國瀝青混合料設計方法的首選。本文選用法標EME 級配對高模量瀝青混合料進行設計，對比我國AC 級配，研究兩種不同級配對動態模量大小及其變化規律的影響。EME－20 和AC－20 的級配曲線如圖1 所示。

圖1 EME－20 和AC－20 級配曲線圖Fig.1 Diagram of EME－20 and AC－20 grades

由圖1 可見，法國高模量瀝青混合料的礦料級配EME－20 對比我國的AC－20 級配來說，整體上偏細，2.36 mm 以上的篩孔通過率較高，EME－20 級配與AC－20 級配的篩孔通過率在4.75 mm 處相差最大，達到了15%。AC－20 級配滿足我國規范的級配要求，法標EME－20 級配中篩孔尺寸與我國規范不同，利用內插法，將篩孔改為國內規范控制大小。經驗證，其級配滿足法標規范要求。

2.2 油石比設計

根據以往工程經驗，選定4.6%、5.1%、5.6%、6.1%、6.6%共5 個油石比成型馬歇爾試件，具體馬歇爾試驗結果如下表所示。根據JTG F40－2004 《公路瀝青路面施工技術規范》［11］可確定級配EME－20 和級配AC－20 的最佳油石比，由計算可知，EME－20 級配的最佳油石比為5.6%，AC－20 級配的最佳油石比為5.5%。計算過程如下，最佳油石比計算結果如表5 所示。

表5 最佳油石比計算結果Table 5 Calculation results of optimum oilstone ratio

表6 EME－20 馬歇爾試驗結果Table 6 EME－20 Marshall test results

由各項馬歇爾數據指標，求出平均值OAC1，計算方法如式（1） 所示。

OAC1＝（a1＋a2＋a3＋a4）／4 （1）

式中：a1為毛體積密度最大值；a2為馬歇爾穩定度最大值；a3為目標空隙率；a4為瀝青飽和度范圍中值。

規范要求的技術指標確定瀝青的用量范圍，取其均值為OAC2，計算方法如式（2） 所示。

式中：OACmin為瀝青用量最小值；OACmax為瀝青用量最大值。

最后確定瀝青用量OAC，計算方法如式（3）所示。

2.3 試件成型

按馬歇爾試驗的結果制備高模量瀝青混合料，采用旋轉壓實的方法成型尺寸為150 mm×170 mm的圓柱體試件，成型完成后，利用鉆芯機鉆取尺寸為100 mm×170 mm 的圓柱體試件，再用切割機切割成100 mm×150 mm 的標準圓柱體試件。芯樣尺寸要求： 試件高 （150±2.5） mm，試件直徑（100±2） mm，不符合要求的芯樣要予以舍去。

3 動態模量

3.1 動態模量試驗

動態模量參照JTG E20－2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》 進行試驗［12］，用SPT 簡單性能儀進行試驗，本文選取試驗溫度分別為5 ℃、20 ℃、35 ℃和50 ℃，并在每個試驗溫度下選取0.1 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz 這9 種不同的加載頻率。

對試件施加的荷載為偏移正弦波或半正矢波的軸向壓應力，在設定溫度下，由高頻至低頻進行試驗，試驗之前要進行加載預處理，任意兩個試驗頻率間試驗間隔推薦為2 min，間隔時間可適當延長，但不宜超過30 min。試驗采集最后5 個波形的荷載及變形曲線。

瀝青混合料的動態模量按（4） 式計算：

3.2 動態模量數據及分析

EME－20 和AC－20 兩種級配瀝青混合料的動態模量動態模量變化規律如圖2 和圖3 所示，在不同的溫度和頻率下，這兩種不同級配的瀝青混合料有著相似的變化規律。溫度和頻率為其動態模量的主要影響因素。溫度的升高和頻率的降低都會使動態模量減小，同樣，溫度的降低和頻率的升高也會使動態模量增大。出現此現象是因為，瀝青混合料中的瀝青為感溫性材料，當溫度升高時，瀝青的黏度降低，導致了瀝青與集料間的黏結力下降，其抵抗變形的能力也逐漸減弱，因此動態模量也隨之降低。當頻率升高時，荷載的作用時間降低，由于瀝青混合料的黏彈性，導致了混合料的應變反映會滯后，在荷載作用時間很短的情況下，就會出現應變偏小的情況，也就間接提高了瀝青混合料的動態模量。

圖2 EME－20 動態模量試驗數據Fig.2 EME－20 Dynamic modulus test data

圖3 AC－20 動態模量試驗數據Fig.3 AC－20 dynamic modulus test data

4 動態模量主曲線

4.1 動態模量主曲線

瀝青混合料作為典型的黏彈性材料，其性質受溫度和頻率的影響顯著。受設備和條件的影響，在測定瀝青混合料性質時，我們不可能無限延長觀測時間或提高試驗溫度，即使能延長或提高，也會因為各種因素影響其試驗數據的準確性。而且室內試驗測得的動態模量數據是間斷的，但環境的變化卻是連續的，因此，我們需要一條連續的曲線來有效的模擬實際情況的動態模量數據。

我們可以在參考溫度下做不同頻率的部分試驗，用最小二乘法擬合得到動態模量主曲線，再通過時溫等效原理，把不同溫度和頻率下的瀝青混合料動態模量，通過動態模量主曲線進行平移得到。我們把參考溫度下的光滑曲線稱為主曲線。

4.2 動態模量主曲線確定

通過試驗測得兩種不同級配瀝青混合料在參考溫度下的動態模量，采用非線性最小二乘法擬合得到參考溫度下的動態模量主曲線，形成西格摩德（Sigmoidal） 函數，根據時溫等效原理，求出不同溫度下的移位因子，最終確定瀝青混合料的動態模量主曲線。Sigmoidal 函數如式 （5）所示：

主曲線移位因子α（T） 由（6） 式所求得，其表示了縮減頻率和時間溫度移位因子的關系。

式中：f為試件加載頻率；α（T） 為移位因子，是溫度T 的函數，可用（7） 式估計

本文選取參考溫度為20 ℃，利用Excel 中規劃求解功能對試驗數據進行非線性最小二乘法擬合得到動態模量主曲線函數參數δ、α、β和γ，再根據式（5） 所求得的主曲線預測值，與試驗數據的差值的平方最小作為約束條件，可以求得參數a、b，c 的值，再將a、b、c 的值代入式（7） 可以得到不同溫度下的移位因子lgα（T） ，經驗算，級配EME－20 和級配AC－20 的擬合度分別為R2＝0.993 和R2＝0.991，擬合程度優異。

擬合而成EME－20 級配和AC－20 級配的瀝青混合料動態模量主曲線方程可由表7 中函數擬合參數帶入（5） 式中求得，不同溫度下的主曲線方程可由表7 中移位因子，求得其縮減頻率，再帶入（5） 式求得。EME－20 級配瀝青混合料主曲線方程見式（8），AC－20 級配瀝青混合料主曲線方程見式（9）。

表7 AC－20 馬歇爾試驗結果Table 7 AC－20 Marshall test results

表8 Sigmoidal 函數擬合參數和溫度移位因子Table 8 Sigmoidal function fitting parameters and temperature shift factors

由式（8）、（9） 可知，當頻率較低時EME－20 級配模量較高，當頻率較高時AC－20 級配的動態模量較高?；跁r溫等效原理可知，當瀝青混合料處于高溫狀態時，EME－20 級配瀝青混合料的動態模量較高，其抵抗變形的能力較高，因此其高溫抗車轍性能優于AC－20 級配； 當溫度較低時，EME－20 級配瀝青混合料的動態模量較低，變形能力要優于AC－20 級配瀝青混合料，不易發生低溫病害，因此其低溫性能也優于AC－20 級配瀝青混合料。

5 結論

本文選用EME－20、AC－20 兩種不同級配瀝青混合料，制備動態模量試件，用SPT 簡單性能儀，測得試件的動態模量數據，在參考溫度下，用最小二乘法擬合動態模量主曲線，再基于時溫等效原理，求出不同溫度下的移位因子，得出動態模量的主曲線方程。通過試驗研究得到以下結論。

（1） 瀝青混合料的動態模量與溫度和頻率有關，隨著溫度的升高，試件的動態模量逐漸提高；隨著頻率的升高，試件的動態模量也逐漸提高。當頻率在低頻范圍內升高時，動態模量的變化速率較快，當頻率升高時，動態模量的變化速率逐漸降低。

（2） 對比傳統密級配AC－20 來說，法標級配EME－20 的動態模量要高于AC－20，在35℃時差距最大，級配AC－20 比級配EME－20 混合料的動態模量要低30%～50%。對比不同頻率來說，兩種級配混合料動態模量在高頻時的差距要比低頻時更為明顯。

（3） 經計算而得的動態模量主曲線方程可以用來預測出未經試驗測量的動態模量數值，對比對兩種級配瀝青混合料動態模量數據預測EME－20級配瀝青混合料的高低溫性能要優于AC－20 級配的瀝青混合料。