浇筑式混凝土动态模量试验研究

浇筑式混凝土动态模量试验研究

崔世萍

山东省交通科学研究院 济南  250102

摘要:采用 SPT简单性能试验仪测量不同温度和荷载作用频率下浇筑式沥青混凝土的动态模量和相位角。研究发现，随着温度升高和荷载频率降低，浇筑式沥青混凝土的动态模量逐渐减小。本研究还运用时间-温度置换原理，通过对不同温度和荷载频率下的动态模量进行sigmoidal函数非线性最小二乘法拟合，确定了浇筑式沥青混合料的动态模量主曲线和移位因子。

关键词: 浇筑式沥青混凝土；动态模量；相位角；主曲线；

Research on the Dynamic Modulus Test of Casting Asphalt Concrete

Cuishi-ping，

(Shandong Transportation Research Institute，Jinan 250102，China)

Abstract: The dynamic modulus and phase angle of costing asphalt concrete was tested by simple performance test system (SPT). The study found that the dynamic modulus of casting asphalt concrete gradually decreases as the temperature increases and the load frequency decreases.

This study also utilized the time-temperature replacement principle to determine the dynamic modulus master curve and shift factor for casting asphalt concrete through non-linear least squares fitting of the sigmoidal function of dynamic modulus under different temperature and load frequencies.

Key words: casting asphalt concrete ; dynamic modulus; phase angle;master curve；shift factors

前言

浇注式沥青混凝土在德国应用的范围是相当广泛，从屋顶防水到高速公路路面及大跨径桥面铺装都有应用。

浇注式沥青混凝土属于高温拌和型沥青混凝土（约220℃～250℃），同传统采用的碾压混凝土相比，浇注式沥青混凝土沥青用量高、粘度大、矿粉用量高。因此，一方面，该特点使得混合料施工时具有良好的可操作性，克服了钢桥面铺装施工时桥面震动影响压实效果的缺陷；另一方面，该混合料塑性变形大的特点也使得设计者必须对混合料的高温稳定性能引起足够的重视。

1 材料

本研究采用SBS改性沥青与特立尼达湖沥青掺配,其主要技术指标见表1。

表1 试验用改性沥青主要技术指标

2 混合料配合比设计

集料采用10-15mm、5-10mm、3-5mm、0-3mm四种规格的玄武岩，性能满足规范要求。设计级配见表3。设计最佳沥青含量均为8.5%。

表2浇筑式沥青混凝土设计级配

3 试验结果及分析

3.1 动态模量试验

试验试件通过钻芯取得，其标准尺寸为直径100mm，高度150mm的圆柱体试件。首先，使用旋转压实仪（SGC）进行成型，得到高度为175mm的圆柱体试件，再用取芯机从该试件中取出直径为100mm的芯样，最后使用双面锯将芯样切割出符合高度要求的标准试件。用SPT简单性能试验仪，从低温向高温进行测试动态模量和相位角， 选取了3个不同试验温度4℃、20℃、40℃，9个加载频率25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、2Hz 、1Hz、0.5Hz、0.2Hz 、0.1Hz[1]。

图1 不同频率动态模量试验结果

图2 不同温度动态模量试验结果

图3 不同频率相位角试验结果

图4 不同温度相位角试验结果

从图1、2可知，浇筑式沥青混凝土受温度和荷载作用时间的影响很大。温度和频率对动态模量的影响规律是：在不同温度作用下浇筑式沥青混凝土动态模量随荷载频率降低而逐渐减小；在不同频率下浇筑式沥青混凝土动态模量随温度降低而会逐渐增大，随温度升高而动态模量会逐渐减小。试验结果表明，浇筑式沥青混凝土的动态模量对温度、加载频率有显著的敏感性。低温时，动态模量与加载频率关系曲线随加载频率的变化较大。高温时，动态模量与加载频率关系曲线随加载频率的变化而变小。也就是说高温时，动态模量受加载频率的影响更为显著。当加载频率大于20Hz时，动态模量几乎没有变化。在相同的加载频率下，随着温度的增加，材料的动态模量逐渐降低。从图1也可看出荷载频率大于1 Hz动态模量曲线斜率明显变大。

从图3、4可知，温度和频率对相位角的影响规律：不同温度下浇筑式沥青混凝土相位角随荷载频率的变化趋势不一致。高频时，温度升高，相位角逐渐增大；高温时，当加载频率增加时，相位角先增大后减少。

4 主曲线

沥青混合料是一种具有粘弹性的材料，在不同温度下其性质会发生变化。根据时温等效原理其力学性质可以进行互相转换。按照粘弹性材料的时间－温度置换原理，不同加载时间和温度的动态模量值可以相互置换，即低温低频得到的模量值可以通过高温高频得到相同的值，反之亦然[2-3]。主曲线是将不同试验温度和荷载频率下的力学性能通过平移后形成一条在参考温度下的光滑曲线。通过主曲线，以对那些在低频或高频试验条件下难以得到的力学性能进行评估[4]。

AASHTO 路面结构设计指南［5］提出利用时温等效原理，对不同温度下的动态模量进行水平平移至参考温度，利用相关统计软件规划求解，用Sigmoidal函数进行拟合。Sigmoidal函数如下式所示：

                  式 (5)

式中：E*为动态模量；为参照温度下的缩减频率；α、δ、β、γ为回归系数，其中，δ＋α为动态模量极大值的对数，β、γ为Sigmoidal函数形状参数。根据本研究动态模量试验结果，用Sigmoidal函数进行拟合，得到主曲线。

表320℃参考温度动态模量拟合结果

图5 动态模量主曲线

图6 相位角主曲线

图7移位因子

5 结论

本研究采用 SPT简单性能试验仪测量不同温度和荷载作用频率下浇筑式沥青混凝土的动态模量和相位角。研究发现，随着温度升高和荷载频率降低，浇筑式沥青混凝土的动态模量逐渐减小。本研究还运用时间-温度置换原理，通过对不同温度和荷载频率下的动态模量进行sigmoidal函数非线性最小二乘法拟合，确定了浇筑式沥青混合料的动态模量主曲线和移位因子。

参考文献

[1]AASHTO designation: TP62-03. Standard Method of Test for Determining Dynamic Modulus of Hot-mix Asphalt Concrete Mixture[S].

[2]韦金城,崔世萍,胡家波.沥青混合料动态模量试验研究[J].建筑材料学报,2008,11(6): 657-661．

[3]崔世萍,陈婷婷.高模量沥青混凝土动态模量试验研究[J].山东交通科技,2016,1(6): 22-25.

[4]宋小金,樊亮,申全军,王林.国产岩沥青混合料动态模量研究[J].中外公路, 2010,30(2)：239-242.

[5]Jablonski B,Regehr J,Rempel G. Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures. Champaign:ARA,2001