海拉尔寒区SBS改性沥青混合料动态模量分析

朱莉，高二利， 张玉林， 李晋*， 于淼章，王勋

1.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；2.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010050；3.国道332线拉布大林至哈达图段公路项目建设管理办公室，内蒙古 呼伦贝尔 021000；4.陕西中霖集团工程设计研究有限公司，陕西 西安 710024

0 引言

国道332线拉布大林至哈达图段公路位于内蒙古自治区4处高寒地区之一的呼伦贝尔市海拉尔区，该地区海拔高、气温低、昼夜温差大，区域内沥青路面病害模式明显与其他地区不同。沥青混合料是一种典型的黏弹性材料，对温度与加载频率十分敏感。诸多学者从不同角度、采用不同方式研究沥青混合料的动态模量。关于材料低温性能的研究证实，SBS改性剂对材料低温性能的改善效果较好[1-3]。刘福明[4]验证了不同动态模量预估方程模型结果的准确性。刘伟胜等[5]通过研究主曲线，对比溶剂型沥青混合料与乳化型沥青混合料的低温抗变形和高温抗车辙性能。王大明等[6]结合SUP25型与SUP20型2面层沥青混合料算例，提出了确定沥青混合料主曲线的方法与步骤。薛羽等[7]采用WLF(1955年，M.L. Williams，R. F. Lanbel，J. D. Ferry基于Doolittle公式和玻璃态脆化点时自由体积线膨胀假定，共同提出了求解位移因子的公式，即以3人姓氏首字母命名的WLF公式)与二次多项式2种方法拟合材料模量主曲线，提出二次多项式法拟合可靠度更高。谭忆秋等[8]研究无约束共振法与重复加载法的相关性，绘制了高频率下动态模量主曲线。王志臣等[9]比较了3种不同混合料蠕变柔量与储存模量的换算结果主曲线与试验结果，给出松弛模量取值范围。吴荣东等[10]建立了环氧沥青升级配排水式沥青磨耗层(open graded friction course，OGFC)动态模量主曲线，分析验证材料的“高温不化、低温不脆”性能。于雷等[11]建立不同油石比橡胶沥青混合料主曲线，分析油石比对材料高温稳定性能的影响。赵小崇等[12]通过不同玄武岩纤维掺量试验，拟合各掺量下的动态模量主曲线，研究大空隙沥青混合料的疲劳性能、高温稳定性等力学性能。

现有研究大多为常规地区沥青混合料的动态模量成果[13-15]，寒区自然气候恶劣，低温试验环境较难实现，涉及高寒地区沥青混合料动态模量的研究成果较少。本文研究寒区沥青混合料的动态模量，依据时温等效原理，分别拟合SBS改性AC-20及普通AC-20沥青混合料主曲线，建立主曲线方程预估模型，推算获得低温条件下混合料动态模量规律，以期为我国寒区沥青路面结构设计与性能优化提供理论参考。

1 试验设计

试验设计包括试验材料选择、试样制备及试验方案设计。

1)试验材料

材料设计主要包括集料级配设计与沥青材料选择。此次试验主要考虑低温因素，据现场考察与资料分析，内蒙古寒冷地区沥青路面面层多采用连续级配AC-20沥青混合料[16-17]。综合考虑寒冷地区各等级路面材料的实际情况，结合现有试验材料，选用普通70#基质沥青及低温性能较好的SBS改性沥青进行级配设计，选用与沥青具有良好黏附性的玄武岩作为粗集料，采用玄武岩机制砂作为细集料(<3 mm)。根据文献[18-19]要求进行材料相关性能检测试验，各集料测试指标均符合文献[20]要求，沥青各项试验参数如表1所示。

表1 沥青试验参数

普通AC-20与SBS改性AC-20两种沥青混合料的配合比如表2所示。

表2 沥青混合料的矿料目标配合比 %

经计算最终确定普通AC-20与SBS改性AC-20沥青混合料最佳油石比分别为4.7%、5.2%。经检验，该配合比下混合料各项试验指标均验证合格[21]。

2)试样制备

根据文献[18]的要求，采用旋转压实仪分别成型2种沥青混合料试件，成型试件为高170.0 mm、直径150 mm的圆柱体；在旋转压实制成的圆柱体试件上采用取芯机钻取直径为(100±2)mm的芯样，控制试件高度为(150.0±2.5)mm，采用切割机切除芯样两端不规则的部分，制备动态模量试件。

3)试验方案

海拉尔地区路面实际使用过程中，沥青层混合料模量主要受气温变化与重载交通等的影响。试验中，采用简单性能试验机测试混合料的室内动态模量，在不施加围压的条件下，根据文献[18]等规范要求，通过控制试验温度与加载频率2个变量，施加一半正矢波轴向压应力，加载时间为0.1 s，间歇时间为0.9 s[19-21]。试验温度变化顺序为-10、5、20、35、50 ℃，加载频率/加载次数变化顺序为25 Hz/200次、20 Hz/100次、10 Hz/200次、5 Hz/100次、2 Hz/20次、1 Hz/20次、0.5 Hz/15次、0.2 Hz/15次、0.1 Hz/15次。

2 试验结果与分析

2.1 动态模量随温度的变化规律

根据室内动态模量试验数据，绘制不同频率下普通AC-20及SBS改性AC-20沥青混合料动态模量E的变化情况，如图1所示。

a)普通AC-20沥青混合料 b)SBS改性AC-20沥青混合料 图1 各频率下2种沥青混合料的动态模量随温度变化曲线

由图1可知：随温度上升，2种混合料的动态模量均呈下降趋势，在30～50 ℃时逐渐趋于平缓，AC-20混合料变化表现更为明显，低温时普通AC-20沥青混合料曲线斜率较大，表明其对低温更敏感；在-10～30 ℃，2种沥青混合料动态模量的下降值均达到各自模量差(模量差为同频率下最大模量与最小模量的差)的70%以上。根据文献[22]可知：温度较低时混合料黏性成分比例较低，在同等荷载作用下沥青更不易发生黏性流动及变形，动态模量处于较高水平，可见低温条件对混合料动态模量影响更为突出。

2.2 动态模量随加载频率的变化规律

根据动态模量试验数据，绘制-10～50 ℃时2种沥青混合料的动态模量随加载频率f的变化曲线，见图2。

由图2可知：温度一定时，2种混合料的E随f增大均呈递增趋势。寒区重载交通汽车行驶车速越慢，荷载作用于路面时间越久，频率愈小，路面更易发生疲劳损害。各低频下，普通AC-20沥青混合料的E远大于SBS改性AC-20沥青混合料。在-10、5 ℃低温下，随f的增大，普通AC-20沥青混合料的E曲线斜率均大于SBS改性AC-20沥青混合料；f较高时则相反，但此时车辆荷载作用时间较短，对路面性能影响较小。因此，与SBS改性AC-20沥青混合料相比，低温条件下普通AC-20沥青混合料的E对f更敏感，低频时表现更为明显，其材料频率敏感性较高，抗弯拉性能受频率影响更大，更易在车辆行驶缓慢路段发生疲劳损害。

温度、频率相同时，普通AC-20沥青混合料的E大于SBS改性AC-20沥青混合料，随温度升高和频率降低，2种材料的动态模量差逐渐减小。

3 时温等效原理下的动态模量及其主曲线研究

根据时间-温度等效原理，沥青混合料在各温度下随f变化的力学性能沿水平平移可拟合为一条光滑的S型曲线，此曲线称为主曲线，平移距离为位移因子

lg[α(T)]=lg(fr/Hz)-lg(fh/Hz)，

(1)

式中：fr为参考温度下的加载频率，fh为换算温度下的加载频率。

因寒区的极端性，难以大量获取低温条件下的准确试验数据。本文通过拟合lg[α(T)]函数曲线，获取各温度下的位移因子lg[α(Ti)]，拟合Sigmoidal函数模型表达混合料E与f间的关系[23-24]，该函数模型为：

(2)

式中A1、A2、α、γ均为回归系数。

分别绘制20 ℃时2种混合料的动态模量主曲线，通过左右平移获得各温度下的主曲线，如图3所示。

图3 各温度模量曲线平移至20 ℃下的位移因子

由图3可知：位移因子与温度之间存在线性关系。各温度动态模量主曲线平移lg[α(Ti)]单位，经Sigmoidal曲线拟合后，20 ℃时主曲线拟合各项回归系数如表3所示，主曲线如图4所示。

表3 20 ℃下Sigmoidal函数各项回归系数

a)普通AC-20 b)SBS改性AC-20 图4 20 ℃时2种混合料的主曲线拟合

据时温等效原理，黏弹性介质在高温-低频与低温-高频条件下表现的力学性质相似[25]，因此施加高频荷载时，混合料将表现与低温条件较为一致的材料性能，可依据各频率高温试验结果推算试验混合料相应的低温性能。

普通AC-20沥青混合料预估模型为

(3)

SBS改性AC-20沥青混合料预估模型为

(4)

图5 -10 ℃下2种沥青混合料主曲线对比

通过位移因子函数计算，将普通AC-20与SBS改性AC-20沥青混合料在20℃下的主曲线分别沿水平方向平移4.1、4.5个单位，获得-10 ℃下2种混合料的主曲线，见图5。

由图5可知：低频作用下2种沥青混合料的E发展趋势相似，呈现递增到平稳的变化规律。lg(f/Hz)大于-1，即频率大于0.1 Hz时，普通AC-20沥青混合料的E恒大于SBS改性AC-20沥青混合料；f越大，车辆作用时间越短，此时低温为最主要外部影响因素，2种混合料的动态模量差增大，最大模量对数差约为0.390 MPa。对于寒区路面来说，期望材料在低温条件下柔性较好以减少温缩现象，模量越高，路面开裂几率越大。因SBS改性AC-20沥青混合料E较小，同等情况下不易发生低温开裂。

4 结论

对SBS改性AC-20与普通AC-20沥青混合料进行不同试验温度与加载频率的动态模量试验，分析对比其动态模量变化。

1)低温条件下，随温度升高，2种普通混合料的动态模量总体下降值均达各模量差的70%以上，变化率较大。普通AC-20沥青混合料低温敏感性更高。

2)低频作用时，温度为-10、5 ℃，普通AC-20沥青混合料模量随频率变化曲线的斜率均大于SBS改性AC-20沥青混合料，普通混合料对频率敏感性更高。

3)拟合2种沥青混合料的位移因子函数曲线，可较准确地预测沥青混合料的低温力学性能，可知温度为-10 ℃时，SBS改性AC-20沥青混合料柔性更佳，性能优于普通AC-20沥青混合料。