瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能分析中，瀝青混合料模量是關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，它的取值直接影響路面結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果[1-5]。隨著JTG D50多指標(biāo)瀝青路面設(shè)計(jì)方法的實(shí)施，以及法國、美國等瀝青路面設(shè)計(jì)方法在我國的應(yīng)用，瀝青混合料或路面結(jié)構(gòu)層的模量取值成為路面設(shè)計(jì)或性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要素[6-9]。

瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)主要包括美國ASTMD3497瀝青混合料單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法[10]、歐洲CEN標(biāo)準(zhǔn)[11]及AASHTOTP31間接拉伸試驗(yàn)測(cè)試法[12]、法國瀝青混合料設(shè)計(jì)指南兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量測(cè)試法[13]、動(dòng)三軸壓縮模量測(cè)試方法[14，15]和梁試件的彎拉模量測(cè)試方法[16]等。黃優(yōu)等通過法國梯形梁試驗(yàn)儀和簡單性能試驗(yàn)機(jī)開展了瀝青混合料梯形梁彎拉動(dòng)態(tài)模量及壓縮模量試驗(yàn)，提出動(dòng)態(tài)模量受荷載頻率、試驗(yàn)溫度及應(yīng)變水平影響[17]。熊子佳等通過間接拉伸試驗(yàn)研究了應(yīng)力水平和試驗(yàn)溫度對(duì)瀝青混合料低溫回彈模量的影響，并得到了間接拉伸回彈模量與低溫小梁彎曲試驗(yàn)的彎曲勁度模量的定性關(guān)系[18]。周梓豪等對(duì)比了四點(diǎn)彎曲和梯形梁兩種彎拉模量試驗(yàn)方法對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響[19]。劉勝等通過單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，比較了加載波形、試件高度、加載間歇時(shí)間和位移傳感器的安裝位置對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響，建立了兩種高度的圓柱體試件動(dòng)態(tài)模量的關(guān)系方程[20]。

可見，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量不僅受試件類型的影響，還與試驗(yàn)加載模式有重要的關(guān)系。為了評(píng)價(jià)加載模式及試件類型對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響，選取SMA-m13瀝青混合料作為研究對(duì)象，采用美國瀝青混合料性能試驗(yàn)儀(Asphalt Mixture Performance Tester，簡稱AMPT)和法國梯形梁試驗(yàn)機(jī)(Twopoint Bending Tester，簡稱2PT)，進(jìn)行壓剪和彎拉兩種受力模式下的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，分析其在不同試驗(yàn)溫度和不同荷載頻率下的動(dòng)態(tài)模量和相位角，為瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供參考。

混合料級(jí)配及試驗(yàn)方案

SMA-m13混合料設(shè)計(jì)

SMA-m13瀝青混合料選用玄武巖集料和SBS改性瀝青，摻加15%生石灰粉的石灰?guī)r礦粉和木質(zhì)素纖維，礦料合成級(jí)配見表1，zui佳瀝青用量為0%，馬歇爾試驗(yàn)體積指標(biāo)見表2。

試驗(yàn)方案

梯形梁兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)是一種采用懸臂彎曲方法測(cè)量瀝青混合料勁度模量的試驗(yàn)方法。根據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)[11]采用輪碾法成型試件，切割成梯形梁試件的尺寸和加載方式見圖1。將正弦力F＝F0sin(ωt)或正弦撓度z＝z0sin(ωt)施加在粘在剛性底盤支架上的梯形梁頂部。施加的力F0或撓度z0使梯形梁頂部產(chǎn)生的zui大應(yīng)變小于50×10^-6，使梯形梁在整個(gè)試驗(yàn)過程中一直處于線黏彈性區(qū)域。在F0，z0和相位角φ的基礎(chǔ)上，計(jì)算不同溫度和頻率下的勁度模量。

圓柱體試件動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

按美國ASTMD3497試驗(yàn)方法，借助瀝青混合料性能試驗(yàn)儀(AMPT)對(duì)試件施加偏移正弦波或半正矢波軸向壓應(yīng)力荷載，在不同溫度和不同頻率下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸D100試件(直徑100mm，高度150mm)進(jìn)行單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。

圓柱體試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型后取芯切割制成，見圖2。試驗(yàn)時(shí)，采用側(cè)面法量測(cè)豎向位移，將位移傳感器安置于試件側(cè)面中部，沿圓周等間距安放3個(gè)。調(diào)節(jié)位移傳感器，使其與試件端面垂直，測(cè)量試件中段的壓縮變形，傳感器安設(shè)見圖3。

試驗(yàn)方案

彎拉受力模式下的梯形梁兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)溫度為10℃、15℃、20℃、30℃和40℃共5個(gè)溫度，每一檔溫度下，在線黏彈性應(yīng)變范圍內(nèi)固定應(yīng)變水平，依次施加25Hz、20Hz、10Hz和5Hz的連續(xù)正弦波荷載。

壓剪受力模式下的圓柱體試件單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量設(shè)置10℃、15℃、20℃、30℃和40℃共5個(gè)溫度，由低溫向高溫依次進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)溫度依次施加25Hz、20Hz、10Hz和5Hz的偏移正弦波軸向壓應(yīng)力，測(cè)試圓柱體試件瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量。

試件類型對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角的影響分析

梯形梁兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量

采用法標(biāo)勁度模量測(cè)試方法，SMA-m13瀝青混合料兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果見圖4，相位角結(jié)果見圖5。

(1)由圖4(a)可以看出，在不同荷載頻率下兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量隨溫度升高而減小。當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量隨溫度的降低而zeng大，基本呈線性關(guān)系變化；當(dāng)溫度高于20℃時(shí)，模量隨溫度升高而緩慢減小。在高溫環(huán)境條件下，作為膠結(jié)料的瀝青膠泥或瑪蹄脂的勁度顯著降低，受到荷載應(yīng)力作用時(shí)，混合料的黏滯性凸顯，回彈能力減弱，表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)模量的降低。

當(dāng)荷載頻率較低時(shí)，混合料動(dòng)態(tài)模量值差異較大，而在較高荷載頻率(如20Hz和25Hz)時(shí)其模量較為接近，這主要是因?yàn)殡S著荷載頻率的增加，荷載作用時(shí)間減少，根據(jù)時(shí)間—溫度置換原理，瀝青混合料的黏性減弱、彈性增強(qiáng)，這也是黏彈性材料zui顯著的特征之一，在高頻荷載作用下，瀝青混合料更多表現(xiàn)出其線彈性的一面。

由圖4(b)可以看出，在不同溫度下，隨荷載頻率的增加混合料模量也隨之呈線性增長，在中低溫環(huán)境中表現(xiàn)zui為明顯。在高溫環(huán)境中隨荷載頻率的增加，模量增長的速度減緩，且模量值也相對(duì)較低，這依然說明在高溫環(huán)境中混合料黏滯性特性占有主導(dǎo)地位。

?(2)相位角反映瀝青混合料在荷載應(yīng)力作用下一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)變滯后于應(yīng)力的相位差[21]，它從黏性角度表征了混合料在荷載作用下抵抗變形的能力[22]。由圖5可以看出，在不同荷載頻率下，梯形梁試件相位角均隨溫度升高而zeng大，但高頻和低頻荷載作用時(shí)相位角隨溫度的變化不同，在高頻荷載作用下相位角隨溫度增加呈指數(shù)增長，而低頻荷載作用時(shí)，隨溫度增加相位角緩慢增長，且在較高溫度時(shí)，相位角反而減小，說明在較小的荷載頻率或較高溫度環(huán)境下，瀝青混合料的黏性性質(zhì)增加，黏塑性特征更加明顯。

圓柱體試件瀝青混合料單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量

對(duì)圓柱體瀝青混合料試件，根據(jù)單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)方法和上述試驗(yàn)方案，對(duì)D100標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件進(jìn)行壓剪模式下的單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7。

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由圖6和圖7可以看出，圓柱體試件壓縮動(dòng)態(tài)模量隨溫度及荷載頻率的變化與兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量基本一致，但在不同荷載頻率下，相位角隨溫度的變化規(guī)律與兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)不同。無論是低頻荷載作用還是高頻荷載作用，隨著溫度的升高，相位角均逐漸zeng大，且增長的速率越來越小，在高溫環(huán)境中，荷載頻率對(duì)相位角的影響很小，相位角即應(yīng)變滯后于應(yīng)力的相位差更多受瀝青膠結(jié)料黏滯作用的影響。

加載模式對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角的影響分析

加載模式對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響

為了進(jìn)一步分析加載模式對(duì)瀝青混合料試件動(dòng)態(tài)模量的影響，分別在25Hz荷載頻率和20℃環(huán)境下，分析彎拉受力模式下梯形梁彎拉動(dòng)態(tài)模量和壓剪受力模式下圓柱體試件單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量的變化，對(duì)比分析結(jié)果見圖8。

由圖8(a)可知，在25Hz荷載頻率下，梯形梁和圓柱體試件動(dòng)態(tài)模量隨溫度變化趨勢(shì)基本一致，但是模量值不同，尤其當(dāng)溫度低于25℃時(shí)，兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得的梯形梁彎拉動(dòng)態(tài)模量較圓柱體試件的壓縮動(dòng)態(tài)模量小8.1%~10.4%，可見加載模式對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響較大，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析時(shí)須根據(jù)實(shí)際受力狀況選擇合適的動(dòng)態(tài)模量測(cè)試方法。由圖8(b)可以看出，在20℃環(huán)境下，梯形梁和圓柱體試件模量隨荷載頻率的變化趨勢(shì)也基本一致，兩點(diǎn)彎拉動(dòng)態(tài)模量較單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量小10.4%~12.9%。

加載模式對(duì)瀝青混合料相位角的影響

為分析荷載頻率和溫度對(duì)彎拉和壓剪兩種受力模式下梯形梁和圓柱體試件相位角的影響，分析統(tǒng)計(jì)了在較高和較低荷載頻率、中低溫和較高溫度條件下，梯形梁和圓柱體試件相位角的變化。相位角隨影響因素的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見圖9和圖10。

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(1)由圖9(a)可以看出，梯形梁和圓柱體試件受高頻(25Hz)荷載作用時(shí)，當(dāng)溫度介于10~20℃時(shí)相位角基本一致，但隨著溫度的升高，圓柱體試件相位角基本呈線性緩慢增長，而梯形梁兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)相位角呈指數(shù)函數(shù)增長，這是因?yàn)閳A柱體試件頂部承受壓剪力作用，壓剪狀態(tài)下試件受礦料骨架的嵌擠作用影響，應(yīng)力的傳遞基本呈線性擴(kuò)散；而兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)梯形梁處于彎拉狀態(tài)，此時(shí)瀝青膠結(jié)料的作用因素更大，所以隨溫度升高，相位角急速增加。

而在較低荷載頻率(5Hz)作用時(shí)，見圖9(b)，梯形梁和圓柱體試件的相位角均隨溫度的升高而較緩慢增加，當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的相位角略小于彈性壓縮試驗(yàn)得到的相位角，但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的相位角逐漸大于彈性壓縮試驗(yàn)得到的相位角，說明在較低荷載頻率和較高溫度時(shí)，相當(dāng)于荷載作用時(shí)間變長，混合料的黏滯性特性表現(xiàn)更明顯。

(2)由圖10可以看出，在20℃時(shí)梯形梁和圓柱體試件相位角均隨頻率的增加而減小，圓柱體試件呈線性下降趨勢(shì)，而梯形梁下降趨勢(shì)逐漸減緩，說明梯形梁試件承受彎拉作用時(shí)，荷載的傳遞同時(shí)受膠結(jié)料和混合料礦料骨架的影響，混合料表現(xiàn)出部分非線性應(yīng)變依賴特性。當(dāng)梯形梁和圓柱體試件在40℃環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)時(shí)，梯形梁兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)相位角隨荷載頻率的變化與圓柱體彈性壓縮模量試驗(yàn)截然不同，隨頻率增加梯形梁兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)相位角呈指數(shù)增長，而圓柱體試件變化較小，這是由于高溫環(huán)境中梯形梁試件在彎拉受力模式下，瀝青膠結(jié)料的黏性特性貢獻(xiàn)更多。

結(jié)語

(1)在彎拉和壓剪受力模式下，梯形梁和圓柱體試件瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量隨溫度和荷載頻率的變化基本一致，隨溫度升高模量減小，隨荷載頻率的增加模量zeng大。在相同試驗(yàn)條件下，梯形梁兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得的彎拉動(dòng)態(tài)模量較圓柱體試件單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量小10%左右。

(2)在彎拉或壓剪受力模式下，梯形梁和圓柱體試件瀝青混合料相位角隨溫度和荷載頻率的變化有所差異。在中低溫環(huán)境或較低荷載頻率下，兩點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)和單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)的相位角相差較小；在較高荷載頻率或較高溫度時(shí)，兩點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)和單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)的相位角差異顯著，梯形梁兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)相位角隨溫度的升高或荷載頻率的增加呈指數(shù)zeng大，而圓柱體試件變化較小。

(3)壓剪狀態(tài)下圓柱體瀝青混合料試件荷載響應(yīng)受礦料骨架的嵌擠作用影響顯著，荷載應(yīng)力基本呈線性傳遞；彎拉狀態(tài)下梯形梁混合料試件荷載響應(yīng)受瀝青膠結(jié)料的影響更大，黏滯性特征顯著。

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全文完 發(fā)布于《公路》2021年7月??文章轉(zhuǎn)載于“瀝青路面”公眾號(hào)

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意大利matest-Pavetest 瀝青混合料性能試驗(yàn)儀AMPT是一套液壓伺服控制試驗(yàn)系統(tǒng)，專為執(zhí)行 NCHRP 項(xiàng)目 9-19 和 9-29 的三個(gè)瀝青混合料試驗(yàn)而設(shè)計(jì)制造的，三個(gè)試驗(yàn)分別是動(dòng)態(tài)模量、流動(dòng)次數(shù)和流動(dòng)時(shí)間試驗(yàn)。

瀝青混合料性能試驗(yàn)儀AMPT也是 AASHTO TP79-09 規(guī)范中描述的使用瀝青混合料性能試驗(yàn)儀（AMPT）確定熱拌瀝青混合料（HMA）動(dòng)態(tài)模量和流動(dòng)次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法所要求的設(shè)備。同時(shí)，也可以執(zhí)行 AASHTO TP107-17 使用 AMPT 進(jìn)行連續(xù)拉伸疲勞測(cè)定瀝青混合料的損傷特征曲線和破壞標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法。

此外，意大利matest-Pavetest AMPT還可以進(jìn)行瀝青混合料的直接拉伸疲勞、間接拉伸、動(dòng)態(tài)模量、遞增的重復(fù)加載永久變形、半圓彎曲和面層反射裂縫等試驗(yàn)。意大利matest-Pavetest AMPT 配置性能優(yōu)異的CDAS/CDAS2數(shù)字式控制器，TestLab軟件和所有配件，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的統(tǒng)一。

產(chǎn)品特點(diǎn)

▍緊湊，自成一體的試驗(yàn)設(shè)備

▍半導(dǎo)體（TE）加熱 / 制冷，相對(duì)機(jī)械式加熱制冷更加可靠環(huán)保

▍可選裝水冷半導(dǎo)體制冷單元，效率更加高

▍內(nèi)置自由芯的磁力試件表面位移傳感器，也可選 Epsilon 引伸計(jì)

▍傳感器固定端子粘接工具，滿足動(dòng)態(tài)模量和直接拉伸試驗(yàn)的同時(shí)，還可為 S-VECD 試驗(yàn)粘接上下粘接拉板

▍變頻控制液壓單元，確保安靜的操作環(huán)境

▍內(nèi)置靜音空壓機(jī)及空氣凈化裝置，無需另外配備壓縮空氣，動(dòng)態(tài)模量校驗(yàn)裝置

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