沥青混合料动态模量影响因素探讨

沥青混合料动态模量影响因素探讨
摘要：
本文在调查、了解国内外许多沥青混合料动态模量试验研究的前提下，提出了一整套适合我国的动态模量实验方法，分析了动态模量的主要影响因素。

关键词：沥青混合料动态模量影响因素
路面结构实际上受到来自车辆、气候、人文等因素的不断变化的作用。

它的实际工作状态无论是力学模型、材料的性质都与现行的静态力学体系有着较大的差距。

从国际上路面结构设计的发展来看，路面结构的设计从静态方法到动态方法的转变是路面设计理论发展的必然趋势，路面材料用动态模量代替静态模量是其中的基础，也是第一步。

我国在这方面的研究比较落后，因此研究沥青混合料在动态荷载作用下的性质和变化规律，确定其试验方法并测定其模量值是十分必要的和有意义的。

本文借鉴国内外先进的沥青混合料动态模量试验方法，对沥青混合料动态模量试验进行了方案设计，提出了一整套适合我国的动态模量实验方案。

1方案设计
为了测定沥青混合料动态模量与各种影响因素的关系，本文参照国内外沥青混合料动态模量试验方法，设计了三种沥青混合料级配(AC20、AC16C、AC16F)在5个试验频率（25Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz）、6个试验温度（动态模量-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃）、2个应力水平（62kpa和129kPa）、1个设计孔隙率（4％）水平下的动态模量试验方案。

2试验装置
万能试验机UTM系列动态伺服液压材料试验系统能够产生任何希望的加载波形，能进行高频的正弦波形加载操作，既可以提供所有常规的正弦、方波、半正弦、三角波等波形，同时还包括以512点来定义的任何波形。

所完成的一系列试验包括：沥青混合料动态模量试验、间接拉伸模量试验、重复荷载永久变形（动态蠕变）试验、静态蠕变试验、小梁疲劳试验以及通用应力应变试验等等。

UTM作为多功能试验机，在操作上比较方便，而且可以直接得出试验需要的
动态模量，但是缺少一些原始数据。

图1 UTM 多功能试验机
3试验方法
本试验采用UTM 测定动态模量的试验方案：
1、试件的性状及数量
试验采用沥青混合料的圆柱体试件，直径、高分别为100mm 、130mm ，3个级配总共测试了30组试件的动态模量。

2、动态模量的计算方法
分别测量每个频率下最后5次加载循环的平均荷载和应变幅值，计算轴向应力： 应力幅值2
04D P A P i i πσ== 应变幅值0
0l i ∆=ε 式中：0l 为试件上应变计的测量间距 相位角πϕ2⨯=p
i t t 则动态模量∣E ＊∣=00
εσ
4试验步骤
1．将试件上下两端分别整平，使其能与上下加载板都接触吻合。

2．将位移传感器安置于试件侧面中部，使其与试件端面垂直，沿圆周等间距安放3个（即每2个相距）。

调节位移传感器，使其测量范围可以测量试件中
部的压缩变形。

3．将试件放置在试验加载架的加载板中心位置，为减少试件表面与上下加载板间的摩阻力，减小端部效应，可在试件与上下加载板间各放一块聚四氟乙烯薄板，应注意使试件中心与加载架的中心对齐。

4．将试件放入试验机的环境箱中，设定试验温度，直至试件中部也达到试验温度，容许偏差为±0.3℃（可以通过在环境箱中放置另一个同类试件，在该试件的中部埋设一个温度传感器，根据传感器测定的试件中部温度判断测试试件是否达到温度平衡；也可在环境箱温度达到设定的试验温度后，继续恒温足够时间（不同测试温度恒温时间有变化，从1小时～8小时），使试件温度达到平衡）。

5．当试件内外的温度达到测试温度以后，方可开始进行加载试验。

施加一个大小为试验荷载5%的接触荷载对试件进行预压（试验荷载的大小是通过调节使试件的轴向应变能控制在50～150微应变之间得到，为获得合适的试验荷载，建议多成型一个同类型的试验试件，表1给出了各试验温度下试验荷载的范围），持续10s，使试件与上下加载板板接触良好，然后调节位移传感器。

表1 各试验温度下试验荷载水平
6．对试件施加半正矢波或偏移正弦波轴向压应力试验荷载，在设定温度下从25～0.1Hz由高频至低频按表2给出的重复加载次数进行试验。

在试验之前，先对试件进行加载预处理，预处理的方法是对试件施加半正矢波或偏移正弦波轴向压应力试验荷载，频率为25Hz，200个循环。

在两个频率下，试验至少间隔2min，但不应超过30min。

试验采集最后5个波形的荷载及变形曲线，记录并计算试件轴向可恢复变形、动态模量及相位角。

表2 试验频率及循环次数
7．对该试件进行下一个温度的试验，温度的选择是从-10～35℃由低温到高温进行试验。

当试件在设定温度的各频率下试验的累计塑性变形超过1500微应变，该试件应予以废弃。

试验时设定试件尺寸、加载水平、加载方式等各种参数后，最终可直接采集到各种沥青混合料试件的动态模量。

5动态模量与各种影响因素的关系
由于篇幅关系，本文仅列出AC-20实验路级配在f=25Hz、10Hz、5Hz、的动态模量。

从以上讨论可知，沥青混合料动态模量的大小受频率、应力大小等因素的影响，数值变化较大。

按推荐的方法测试沥青混合料的动态模量，即加载频率10 Hz、连续加载，取相当于0.5倍破坏强度下材料的动态模量作为设计取值。

影响动态模量大小的因素有很多，下面将着重分析一下加载频率、温度等对动态模量的影响。

1 加载频率的影响
由于沥青材料的粘弹性性质，加载时间是动态性能测试的一个重要参数。

加载时间可用荷载作用频率来表征，其大小受车辆行驶速度、路而平整度及路而厚度等因素的影响。

荷载频率主要依据汽车荷载对路面的振动频率来确定。

振动频率与行车速
度、路面平整度及汽车本身的减震系统等因素有关。

目前国内这方面的研究不多。

借鉴国外的研究成果，一般认为荷载频率1OHz时，大致相当于汽车行驶速度
70km/h，基本符合中国高等级公路上汽车行驶速度的范围。

从试验结果可以看出，各种级配的沥青混合料动态模量随着加载频率的增加而增大。

由于在动态荷载作用下，加载时既不会瞬时压缩，卸载时也不会瞬时完全回弹，也就是说应变变小，在力学性质上的表现就是比静态荷载作用下有更大的强度和模量。

而且，随着荷载频率的逐渐增加，对荷载响应的滞后现象更加明显，表现为强度和模量进一步增大。

但是随着荷载频率的进一步增加，动态模量数值的增大速度有明显的减小趋势，而后逐渐趋于平缓。

当加载频率从0.1Hz经0.5Hz、1Hz到达5Hz时，动态模量增加幅度很大很明显，动态模量大约增加3000MPa，而当加载频率从5Hz经10Hz到达25Hz，动态模量的增加趋势趋于平缓，甚至有减小的趋势，而在到达25Hz前后，动态模量几乎没有什么变化。

这说明动态模量随着频率的增加而增大，到一定程度后，增加趋势趋于平缓后而几乎不再变化，也就是说沥青混合料的动态模量不会随着频率的增加而无限制的增大。

这主要是由于，在频率很高时，沥青混合料的粘性已不再明显，而主要表现为弹性性质，也就是说沥青混合料在高频作用下，不再是明显的粘弹性材料了，此时频率对动态模量的影响已不如材料本身性质的影响显著了。

2 温度的影响
由于温度对沥青混合料的性质和路面使用寿命有很大影响，所以在本次动态模量试验研究中一共采用了-20℃、-10℃、0℃、10℃和20℃5种试验温度，以模拟沥青混合料在低温、高温和高温地温之间的外部环境。

从试验数据可以看出，在各种加载频率作用下，沥青混合料的动态模量随着温度的升高而明显减小，这主要是因为，在温度较高时，沥青混合料主要表现为粘弹性体，因而动态模量会降低。

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