瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)性能分析中，瀝青混合料模量是關(guān)鍵設(shè)計參數(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多指標瀝青路面設(shè)計方法的實施，以及法國、美國等瀝青路面設(shè)計方法在我國的應(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)計或性能評價的關(guān)鍵要素[6-9]。

瀝青混合料動態(tài)模量試驗主要包括美國ASTMD3497瀝青混合料單軸壓縮動態(tài)模量標準試驗法[10]、歐洲CEN標準[11]及AASHTOTP31間接拉伸試驗測試法[12]、法國瀝青混合料設(shè)計指南兩點彎拉動態(tài)模量測試法[13]、動三軸壓縮模量測試方法[14，15]和梁試件的彎拉模量測試方法[16]等。黃優(yōu)等通過法國梯形梁試驗儀和簡單性能試驗機開展了瀝青混合料梯形梁彎拉動態(tài)模量及壓縮模量試驗，提出動態(tài)模量受荷載頻率、試驗溫度及應(yīng)變水平影響[17]。熊子佳等通過間接拉伸試驗研究了應(yīng)力水平和試驗溫度對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的彎曲勁度模量的定性關(guān)系[18]。周梓豪等對比了四點彎曲和梯形梁兩種彎拉模量試驗方法對瀝青混合料動態(tài)模量的影響[19]。劉勝等通過單軸壓縮動態(tài)模量試驗，比較了加載波形、試件高度、加載間歇時間和位移傳感器的安裝位置對瀝青混合料動態(tài)模量的影響，建立了兩種高度的圓柱體試件動態(tài)模量的關(guān)系方程[20]。

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

混合料級配及試驗方案

SMA-m13混合料設(shè)計

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，礦料合成級配見表1，zui佳瀝青用量為0%，馬歇爾試驗體積指標見表2。

試驗方案

梯形梁兩點彎拉動態(tài)模量試驗

兩點彎拉動態(tài)模量試驗是一種采用懸臂彎曲方法測量瀝青混合料勁度模量的試驗方法。根據(jù)EN標準[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，使梯形梁在整個試驗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，計算不同溫度和頻率下的勁度模量。

圓柱體試件動態(tài)模量試驗

按美國ASTMD3497試驗方法，借助瀝青混合料性能試驗儀(AMPT)對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標準尺寸D100試件(直徑100mm，高度150mm)進行單軸壓縮動態(tài)模量試驗。

圓柱體試件采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型后取芯切割制成，見圖2。試驗時，采用側(cè)面法量測豎向位移，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。調(diào)節(jié)位移傳感器，使其與試件端面垂直，測量試件中段的壓縮變形，傳感器安設(shè)見圖3。

試驗方案

彎拉受力模式下的梯形梁兩點彎拉動態(tài)模量試驗溫度為10℃、15℃、20℃、30℃和40℃共5個溫度，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態(tài)模量設(shè)置10℃、15℃、20℃、30℃和40℃共5個溫度，由低溫向高溫依次進行試驗，每個溫度依次施加25Hz、20Hz、10Hz和5Hz的偏移正弦波軸向壓應(yīng)力，測試圓柱體試件瀝青混合料的動態(tài)模量。

試件類型對瀝青混合料動態(tài)模量和相位角的影響分析

梯形梁兩點彎拉動態(tài)模量

采用法標勁度模量測試方法，SMA-m13瀝青混合料兩點彎拉動態(tài)模量試驗結(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彎拉動態(tài)模量隨溫度升高而減小。當溫度低于20℃時，兩點彎拉動態(tài)模量隨溫度的降低而zeng大，基本呈線性關(guān)系變化；當溫度高于20℃時，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，混合料的黏滯性凸顯，回彈能力減弱，表現(xiàn)為動態(tài)模量的降低。

當荷載頻率較低時，混合料動態(tài)模量值差異較大，而在較高荷載頻率(如20Hz和25Hz)時其模量較為接近，這主要是因為隨著荷載頻率的增加，荷載作用時間減少，根據(jù)時間—溫度置換原理，瀝青混合料的黏性減弱、彈性增強，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，隨溫度增加相位角緩慢增長，且在較高溫度時，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態(tài)模量

對圓柱體瀝青混合料試件，根據(jù)單軸壓縮動態(tài)模量試驗方法和上述試驗方案，對D100標準尺寸試件進行壓剪模式下的單軸壓縮動態(tài)模量試驗，試驗結(jié)果見圖6和圖7。

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由圖6和圖7可以看出，圓柱體試件壓縮動態(tài)模量隨溫度及荷載頻率的變化與兩點彎拉動態(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)律與兩點彎曲試驗不同。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。

加載模式對瀝青混合料動態(tài)模量和相位角的影響分析

加載模式對瀝青混合料動態(tài)模量的影響

為了進一步分析加載模式對瀝青混合料試件動態(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態(tài)模量和壓剪受力模式下圓柱體試件單軸壓縮動態(tài)模量的變化，對比分析結(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態(tài)模量隨溫度變化趨勢基本一致，但是模量值不同，尤其當溫度低于25℃時，兩點彎曲試驗測得的梯形梁彎拉動態(tài)模量較圓柱體試件的壓縮動態(tài)模量小8.1%~10.4%，可見加載模式對瀝青混合料動態(tài)模量的影響較大，進行路面結(jié)構(gòu)分析時須根據(jù)實際受力狀況選擇合適的動態(tài)模量測試方法。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也基本一致，兩點彎拉動態(tài)模量較單軸壓縮動態(tài)模量小10.4%~12.9%。

加載模式對瀝青混合料相位角的影響

為分析荷載頻率和溫度對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數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(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，當溫度介于10~20℃時相位角基本一致，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，而梯形梁兩點彎曲試驗相位角呈指數(shù)函數(shù)增長，這是因為圓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散；而兩點彎曲試驗時梯形梁處于彎拉狀態(tài)，此時瀝青膠結(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，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，當溫度低于20℃時，兩點彎曲試驗得到的相位角略小于彈性壓縮試驗得到的相位角，但當溫度繼續(xù)升高時，兩點彎曲試驗得到的相位角逐漸大于彈性壓縮試驗得到的相位角，說明在較低荷載頻率和較高溫度時，相當于荷載作用時間變長，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，而梯形梁下降趨勢逐漸減緩，說明梯形梁試件承受彎拉作用時，荷載的傳遞同時受膠結(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。當梯形梁和圓柱體試件在40℃環(huán)境中進行動態(tài)模量試驗時，梯形梁兩點彎曲試驗相位角隨荷載頻率的變化與圓柱體彈性壓縮模量試驗截然不同，隨頻率增加梯形梁兩點彎曲試驗相位角呈指數(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。在相同試驗條件下，梯形梁兩點彎曲試驗測得的彎拉動態(tài)模量較圓柱體試件單軸壓縮動態(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，兩點彎曲動態(tài)模量試驗和單軸壓縮動態(tài)模量試驗的相位角相差較小；在較高荷載頻率或較高溫度時，兩點彎曲動態(tài)模量試驗和單軸壓縮動態(tài)模量試驗的相位角差異顯著，梯形梁兩點彎曲試驗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

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意大利matest-Pavetest 瀝青混合料性能試驗儀AMPT是一套液壓伺服控制試驗系統(tǒng)，專為執(zhí)行 NCHRP 項目 9-19 和 9-29 的三個瀝青混合料試驗而設(shè)計制造的，三個試驗分別是動態(tài)模量、流動次數(shù)和流動時間試驗。

瀝青混合料性能試驗儀AMPT也是 AASHTO TP79-09 規(guī)范中描述的使用瀝青混合料性能試驗儀（AMPT）確定熱拌瀝青混合料（HMA）動態(tài)模量和流動次數(shù)標準測試方法所要求的設(shè)備。同時，也可以執(zhí)行 AASHTO TP107-17 使用 AMPT 進行連續(xù)拉伸疲勞測定瀝青混合料的損傷特征曲線和破壞標準的試驗方法。

此外，意大利matest-Pavetest AMPT還可以進行瀝青混合料的直接拉伸疲勞、間接拉伸、動態(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。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，實現(xiàn)硬件和軟件的統(tǒng)一。

產(chǎn)品特點

▍緊湊，自成一體的試驗設(shè)備

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