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试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

宣布日期：

2023-03-23

摘要

要害词：蹊径工程 | 动态模量 | 两点弯拉 | 单轴压缩 | 梯形梁

为剖析试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响，接纳法国梯形梁试验机和美国沥青混淆料性能试验仪，对SMA-m13沥青混淆料试件在弯拉和压剪两种受力模式下举行动态模量试验，剖析试验温度和荷载频率对梯形梁和圆柱体试件动态模量和相位角的影响。试验效果批注：两点弯拉动态模量与单轴压缩动态模量受荷载频率和温度的影响转变趋势基本一致，在相同试验条件下两点弯拉动态模量小于单轴压缩动态模量；影响两点弯拉动态模量的主要因素为沥青胶结料，单轴压缩动态模量主要受矿料骨架嵌挤作用的影响。

沥青路面结构设计和力学性能剖析中，沥青混淆料模量是要害设计参数，它的取值直接影响路面结构受力剖析效果[1-5]。随着JTG D50多指标沥青路面设计要领的实验，以及法国、美国等沥青路面设计要领在我国的应用，沥青混淆料或路面结构层的模量取值成为路面设计或性能评价的要害要素[6-9]。

沥青混淆料动态模量试验主要包括美国ASTMD3497沥青混淆料单轴压缩动态模量标准试验法[10]、欧洲CEN标准[11]及AASHTOTP31间接拉伸试验测试法[12]、法国沥青混淆料设计指南两点弯拉动态模量测试法[13]、动三轴压缩模量测试要领[14，15]和梁试件的弯拉模量测试要领[16]等�；朴诺韧üü菪瘟菏匝橐呛图蚱有阅苁匝榛沽肆で嗷煜咸菪瘟和淅Ａ考把顾跄Ａ渴匝�，提出动态模量受荷载频率、试验温度及应变水平影响[17]。熊子佳等通过间接拉伸试验研究了应力水平和试验温度对沥青混淆料低温回弹模量的影响，并获得了间接拉伸回弹模量与低温小梁弯曲试验的弯曲劲度模量的定性关系[18]。周梓豪等比照了四点弯曲和梯形梁两种弯拉模量试验要领对沥青混淆料动态模量的影响[19]。刘胜等通过单轴压缩动态模量试验，较量了加载波形、试件高度、加载间歇时间和位移传感器的装置位置对沥青混淆料动态模量的影响，建设了两种高度的圆柱体试件动态模量的关系方程[20]。

可见，沥青混淆料动态模量不但受试件类型的影响，还与试验加载模式有主要的关系。为了评价加载模式及试件类型对沥青混淆料动态模量的影响，选取SMA-m13沥青混淆料作为研究工具，接纳美国沥青混淆料性能试验仪(Asphalt Mixture Performance Tester，简称AMPT)和法国梯形梁试验机(Twopoint Bending Tester，简称2PT)，举行压剪和弯拉两种受力模式下的动态模量试验，剖析其在差别试验温度和差别荷载频率下的动态模量和相位角，为沥青混淆料动态模量及路面结构设计参数选取提供参考。

混淆料级配及试验计划

SMA-m13混淆料设计

SMA-m13沥青混淆料选用玄武岩集料和SBS改性沥青，掺加15%生石灰粉的石灰岩矿粉和木质素纤维，矿料合成级配见表1，zui佳沥青用量为0%，马歇尔试验体积指标见表2。

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

试验计划

梯形梁两点弯拉动态模量试验

两点弯拉动态模量试验是一种接纳悬臂弯曲要领丈量沥青混淆料劲度模量的试验要领。凭证EN标准[11]接纳轮碾法成型试件，切割成梯形梁试件的尺寸和加载方法见图1。将正弦力F＝F0sin(ωt)或正弦挠度z＝z0sin(ωt)施加在粘在刚性底盘支架上的梯形梁顶部。施加的力F0或挠度z0使梯形梁顶部爆发的zui大应变小于50×10^-6，使梯形梁在整个试验历程中一直处于线黏弹性区域。在F0，z0和相位角φ的基础上，盘算差别温度和频率下的劲度模量。

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

圆柱体试件动态模量试验

按美国ASTMD3497试验要领，借助沥青混淆料性能试验仪(AMPT)对试件施加偏移正弦波或半正矢波轴向压应力荷载，在差别温度和差别频率下对标准尺寸D100试件(直径100mm，高度150mm)举行单轴压缩动态模量试验。

圆柱体试件接纳旋转压实仪成型后取芯切割制成，见图2。试验时，接纳侧面法量测竖向位移，将位移传感器安顿于试件侧面中部，沿圆周等间距安顿3个。调理位移传感器，使其与试件端面笔直，丈量试件中段的压缩变形，传感器安顿见图3。

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

试验计划

弯拉受力模式下的梯形梁两点弯拉动态模量试验温度为10℃、15℃、20℃、30℃和40℃共5个温度，每一档温度下，在线黏弹性应变规模内牢靠应变水平，依次施加25Hz、20Hz、10Hz和5Hz的一连正弦波荷载。

压剪受力模式下的圆柱体试件单轴压缩动态模量设置10℃、15℃、20℃、30℃和40℃共5个温度，由低温向高蜗菇廖举行试验，每个温度依次施加25Hz、20Hz、10Hz和5Hz的偏移正弦波轴向压应力，测试圆柱体试件沥青混淆料的动态模量。

试件类型对沥青混淆料动态模量和相位角的影响剖析

梯形梁两点弯拉动态模量

接纳法标劲度模量测试要领，SMA-m13沥青混淆料两点弯拉动态模量试验效果见图4，相位角效果见图5。

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

(1)由图4(a)可以看出，在差别荷载频率下两点弯拉动态模量随温度升高而减小。当温度低于20℃时，两点弯拉动态模量随温度的降低而zeng大，基本呈线性关系转变；当温度高于20℃时，模量随温度升高而缓慢减小。在高温情形条件下，作为胶结料的沥青胶泥或玛蹄脂的劲度显著降低，受到荷载应力作用时，混淆料的黏滞性凸显，回弹能力削弱，体现为动态模量的降低。

当荷载频率较低时，混淆料动态模量值差别较大，而在较高荷载频率(如20Hz和25Hz)时其模量较为靠近，这主要是由于随着荷载频率的增添，荷载作用时间镌汰，凭证时间—温度置换原理，沥青混淆料的黏性削弱、弹性增强，这也是黏弹性子料zui显著的特征之一，在高频荷载作用下，沥青混淆料更多体现出其线弹性的一面。

由图4(b)可以看出，在差别温度下，随荷载频率的增添混淆料模量也随之呈线性增添，在中低温情形中体现zui为显着。在高温情形中随荷载频率的增添，模量增添的速率减缓，且模量值也相对较低，这依然说明在高温情形中混淆料黏滞性特征占有主导职位。

(2)相位角反应沥青混淆料在荷载应力作用下一个周期内应变滞后于应力的相位差[21]，它从黏性角度表征了混淆料在荷载作用下对抗变形的能力[22]。由图5可以看出，在差别荷载频率下，梯形梁试件相位角均随温度升高而zeng大，但高频和低频荷载作用时相位角随温度的转变差别，在高频荷载作用下相位角随温度增添呈指数增添，而低频荷载作用时，随温度增添相位角缓慢增添，且在较高温度时，相位角反而减小，说明在较小的荷载频率或较高温度情形下，沥青混淆料的黏性性子增添，黏塑性特征越发显着。

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

圆柱体试件沥青混淆料单轴压缩动态模量

对圆柱体沥青混淆料试件，凭证单轴压缩动态模量试验要领和上述试验计划，对D100标准尺寸试件举行压剪模式下的单轴压缩动态模量试验，试验效果见图6和图7。

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

由图6和图7可以看出，圆柱体试件压缩动态模量随温度及荷载频率的转变与两点弯拉动态模量基本一致，但在差别荷载频率下，相位角随温度的转变纪律与两点弯曲试验差别。无论是低频荷载作用照旧高频荷载作用，随着温度的升高，相位角均逐渐zeng大，且增添的速率越来越小，在高温情形中，荷载频率对相位角的影响很小，相位角即应变滞后于应力的相位差更多受沥青胶结料黏滞作用的影响。

加载模式对沥青混淆料动态模量和相位角的影响剖析

加载模式对沥青混淆料动态模量的影响

为了进一步剖析加载模式对沥青混淆料试件动态模量的影响，划分在25Hz荷载频率和20℃情形下，剖析弯拉受力模式下梯形梁弯拉动态模量和压剪受力模式下圆柱体试件单轴压缩动态模量的转变，比照剖析效果见图8。

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

由图8(a)可知，在25Hz荷载频率下，梯形梁和圆柱体试件动态模量随温度转变趋势基本一致，可是模量值差别，尤其当温度低于25℃时，两点弯曲试验测得的梯形梁弯拉动态模量较圆柱体试件的压缩动态模量小8.1%~10.4%，可见加载模式对沥青混淆料动态模量的影响较大，举行路面结构剖析时须凭证现实受力状态选择合适的动态模量测试要领。由图8(b)可以看出，在20℃情形下，梯形梁和圆柱体试件模量随荷载频率的转变趋势也基本一致，两点弯拉动态模量较单轴压缩动态模量小10.4%~12.9%。

加载模式对沥青混淆料相位角的影响

为剖析荷载频率和温度对弯拉和压剪两种受力模式下梯形梁和圆柱体试件相位角的影响，剖析统计了在较高和较低荷载频率、中低温顺较高温度条件下，梯形梁和圆柱体试件相位角的转变。相位角随影响因素的试验数据统计效果划分见图9和图10。

试件类型和加载模式对沥青混淆料动态模量的影响研究

(1)由图9(a)可以看出，梯形梁和圆柱体试件受高频(25Hz)荷载作用时，当温度介于10~20℃时相位角基本一致，但随着温度的升高，圆柱体试件相位角基本呈线性缓慢增添，而梯形梁两点弯曲试验相位角呈指数函数增添，这是由于圆柱体试件顶部遭受压剪力作用，压剪状态下试件受矿料骨架的嵌挤作用影响，应力的转达基本呈线性扩散；而两点弯曲试验时梯形梁处于弯拉状态，此时沥青胶结料的作用因素更大，以是随温度升高，相位角急速增添。

而在较低荷载频率(5Hz)作用时，见图9(b)，梯形梁和圆柱体试件的相位角均随温度的升高而较缓慢增添，当温度低于20℃时，两点弯曲试验获得的相位角略小于弹性压缩试验获得的相位角，但当温度继续升高时，两点弯曲试验获得的相位角逐渐大于弹性压缩试验获得的相位角，说明在较低荷载频率和较高温度时，相当于荷载作用时间变长，混淆料的黏滞性特征体现更显着。

(2)由图10可以看出，在20℃时梯形梁和圆柱体试件相位角均随频率的增添而减小，圆柱体试件呈线性下降趋势，而梯形梁下降趋势逐渐减缓，说明梯形梁试件遭受弯拉作用时，荷载的转达同时受胶结料和混淆料矿料骨架的影响，混淆料体现出部分非线性应变依赖特征。当梯形梁和圆柱体试件在40℃情形中举行动态模量试验时，梯形梁两点弯曲试验相位角随荷载频率的转变与圆柱体弹性压缩模量试验截然差别，随频率增添梯形梁两点弯曲试验相位角呈指数增添，而圆柱体试件转变较小，这是由于高温情形中梯形梁试件在弯拉受力模式下，沥青胶结料的黏性特征孝顺更多。

结语

(1)在弯拉和压剪受力模式下，梯形梁和圆柱体试件沥青混淆料动态模量随温度和荷载频率的转变基本一致，随温度升高模量减小，随荷载频率的增添模量zeng大。在相同试验条件下，梯形梁两点弯曲试验测得的弯拉动态模量较圆柱体试件单轴压缩动态模量小10%左右。

(2)在弯拉或压剪受力模式下，梯形梁和圆柱体试件沥青混淆料相位角随温度和荷载频率的转变有所差别。在中低温情形或较低荷载频率下，两点弯曲动态模量试验和单轴压缩动态模量试验的相位角相差较��；在较高荷载频率或较高温度时，两点弯曲动态模量试验和单轴压缩动态模量试验的相位角差别显著，梯形梁两点弯曲试验相位角随温度的升高或荷载频率的增添呈指数zeng大，而圆柱体试件转变较小。

(3)压剪状态下圆柱体沥青混淆料试件荷载响应受矿料骨架的嵌挤作用影响显著，荷载应力基本呈线性转达；弯拉状态下梯形梁混淆料试件荷载响应受沥青胶结料的影响更大，黏滞性特征显著。

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全文完宣布于《公路》2021年7月文章转载于“沥青路面”公众号

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