浇筑式沥青混凝土动态模量主曲线研究.pdf

2 0 1 4年 6月 石 油 沥 青P E T R O L E U M A S P H A L T 第 2 8卷第 3期 浇筑式沥青混凝土动态模量主 曲线研究 王华荥 ，张磊 ，张晓春 ( 东南大学智能交通科技馆，南京2 1 0 0 0 8 ) 摘要：利用S u p e r p a v e简单性能试验机 ( s g r )对浇筑式沥青混凝土在不同温度和荷载 作用频率下的动态模量进行 了试验研究，并分析 了温度和荷载频率对动态模量和相位角的影 响。根据时间 一 温度等效原理，通过非线性最小二乘拟合，确定了浇筑式沥青混合料的动态 模量主曲线，通过主曲线获得任何温度下、试验设备无法测试频率范围内的浇筑式沥青混凝 土的动态模量，为浇筑式沥青混凝土路面结构设计提供相应的材料参数。 关键词 ：动 态模量主曲线S P T相位 角 时 间 一温度等效原理 路面结构不仅仅受到 自身重力等静力荷载的 作用 ，还会受到来 自高速行驶 、重载车辆 以及气 候等多种环境 因素的影响作用 。路面材料在动态 荷载作用下的力学响应 ，除了受到静力作用下 的 因素影 响外 ，对荷载的大小 、作用时间、频率等 因素具有一定的应力依赖性。沥青混合料作为现 在广泛使用的路面材料，是粘弹塑性的综合体， 其力学性质随荷载作用时间、温度的不同，具有 较大的差异性。而我国现行沥青路面设计 中均采 用相当于静态荷载作用下测定的静态模量作为设 计模量 J ，其试验荷载变化速度慢 ，实验过程 中其荷载级位在一段时问内维持不变 ，这显然与 路面结构承受 车轮动载 的受力状况存在很 大差 异。因此，对动态荷载作用下的沥青混合料的动 态参数尽心研究具有重要 的意义 。 美国公路合作研究组织 ( N C H R P 13 7 A) 提出的力学经验路 面设计指南 ( ME P D G)使路 面设计在基于力学方法方面迈出了一大步 。在力 学经验设计指南中，采用动态模量主曲线来表征 沥青混合料对 温度和荷载 频率的依赖性 J 。本 文通过 S u p e r p a v e简单性能试验机 ( S P T)对浇 筑式沥青混凝土进行进行了动态模量试验 ，并根 据时间 一温度等效原理，利用非线性最小二乘拟 合的方法得到了参考温度下的动态模量主曲线和 时间 一温度转化因子，用以描述沥青混凝土 的粘 弹性性质 。 l 沥青混合料的动态模量 沥青混合料作为一种粘弹性材料 ，同时具有 粘性和弹性两种性质。将其在连续正弦荷载作用 下的应力应变关系定义为复合模量 ( E ) ，作为 其材料强度的基本表征。复合模量 E 是个复数 ， 可以表达为 ： E ： E +i E ” ( 1 ) 式 中： 、E L弹性模量和粘性模量。 E，：O r 0 C O S E”：O - o s i m h ( 2 ) 一 一 、 -， 0 O 式中： 。 最大压应力 ( k P a )； E 0 最大可恢复轴向应变； 相位角 ( 。 ) 。 动态模量是复数模量的绝对值，反映了材料 抵抗变形的能力 ，其定义如下 ： l E l= ( E ) + ( ) 。 ( 3 ) 动态模量还可以通过试验以达到稳定状态时 的应力幅值和应变幅值的比值来确定 ，即： E I ：一O o 0 ( 4 ) 相位角 ( )定义为在一个加载循环中沥青 混合料产生的应变 落后于所施加的应力 。 的 时间与应力循环周期的比值 ，用来表征在一定温 收稿 日期 ：2 0 1 31 2 0 4 。 作 者简介 ：王华荣 ( 1 9 8 7 ) ，男 ，籍贯 ：福建 泉州。东南 大学硕士研究生。 3 0 石 油 沥 青 2 0 1 4年第 2 8卷 度下 ，通过较长的时间获得 ，亦可以在较高的温 度下，较短时间内观察到现象。因此，改变温度 尺度和改变时间尺度是等效的，简称为时间 一温 度等效原理 J 。 根据时间 一温度等效原理 ，沥青混合料动态 模量曲线可以用不同温度下的模量 一频率曲线沿 着频率轴平移而叠合在一起。通常 ，在低温条件 时，只能得到动 态模量 一频 率 曲线 的一段 ， 若要继续获得温度 下的动态模量 一频率关系， 需要再进行低频和高频的试验 ，对试验条件要求 很高，难 以实现。当温度升高到 时，能够得 到另一条动态模量 一频率曲线 ，如果 以 为参 考温度 ，将 温度下的曲线 向左平移至低频段， 可以发现两个温度下的动态模量 一 频率曲线在动 态模量相等部分完全重合。换言之， 温度下 的动态模量为 温度下低频荷载 ( 加载时间较 长)激励 的结果， 温度下 的动态模量为 温 度下高频荷载 ( 加载时间较短 )激励 的结果。 3 2 动态模量主曲线的确定和分析 温度和荷载作用时间对沥青混凝土性质的影 响很大。路面结构内的工作温度和荷载作用频率 都是在一个较宽的范围内不断变化 的，所 以很有 必要了解高模量沥青混凝土的力学性质随温度和 频率的变化规律，而将这些影响因素归人统一的 模型中，将会给高模量沥青混凝土的结构分析带 来很大的方便。对于沥青混凝土等粘 弹性材料， 同样的力学性质可以在高温 一高荷载频率或在低 温 一低荷载频率下得到。根据时间 一温度等效原 理 ，对沥青混凝土材料在不同温度和荷载作用频 率下得到的动态模量等力学性质，通过平移后可 以形成的一条在参考温度下的光滑 曲线 ，称为主 曲线 ( ma s t e r c u r v e ) 。利用 主曲线 ，就可 以对沥 青混凝土的长期力学性质进行预测 ，而不必进行 长时 间 的试 验。同样 ，在 荷 载 作 用 时 间 很 短 ( 或频率很高)时沥青混凝土的力学性质，由于 试验仪器设备的限制，不可能从试验中得到 ，但 通过主曲线就可 以确 定 J 。另外 主 曲线也是进 行粘弹性材料本构关系分析的基本输入参数。 为了得到沥青混凝土的动态模量主曲线 ，需 要求 出对于某一基准温度 时 ，不 同温度条件 下的曲线移位因子 I g ( Y 。 采用按照经验方法 的 WL F公式确定沥青及 沥青混合料的移位N- -7 ： 】 ，如式 ( 5 )所示。 l g ( 5 ) g r ) 其中：C 。 与 C 材料常数 ，按照经验方法取 为 C 1 = 8 8 6 ，C 2 =1 0 1 6 ； 基准温度， 卜试验温度。 鉴于基准温度 未知 ，且试验温度 中可能 未包含 。通过选择其中某一试验温度 作为 参考温度，由其他温度 对于参考温度 的移 位因子 l g a ，按式 ( 6 ) ( 8 )求解出 。 l g 。 =一C 。( 一 ) ( C 2 + 一 ) ( 6 ) l g a r =一C ( ) ( C 2 +7 1 一 ) ( 7 ) l g r 0=l g rl g r 0= 一 - C 1 C 2 丽 ( 8 ) 对于式 ( 8 ) ，l g 。由试验结果确定 ，则式 ( 8 ) 中只有一个未知数 ，求解该一元二次方 程 ，即可得 出对应于 一 的基准 温度 。本 文选取 参 考温 度 为 3 O ，按 照 经验 公 式 ( 5 )与 ( 8 ) ，计算出基准温度 值，结果如表 l 所示 。 表 1 浇筑式沥青混凝土的基准温度 ( 参考温度 3 O ) 由 的二次方程式 ( 8 )可 以得到两组解 ， 分别记为 和 ，又因为沥青材料的基准温度 范围介于 3 0 c 【 = 和 6 0之间 ，因此可 以得出 表中 为浇筑式沥青混凝土在参考温度为 3 0 时的基准温度。将 以平 均值 4 9 2 5带入式 ( 5 ) ，可以得到各温度 相对于基准温度 的移 位因子 l o g s ，利用式 ( 8 )则可 以得到各温度 相对于任意参考温度的移位因子，从而建立动态 模量主曲线。参考温度为 3 O时不 同温度的移 位因子与温度的关系如图3所示。 第 3期 王华荣等 浇筑式沥青混凝土动态模量主曲线研究 3 1 图3 不同温度间的移位因子关系图 采用 S ig m o i d a l 模型作为模量主曲线拟合的 模型 10 ,I 1 ，此模型弥补了幂指数函数在高温环 境 中拟合效果 不佳 的缺陷，能够准确拟合 出低 温、中温和高温环境 中的模量主曲线。S i g mo i d a l 模型公式如式 ( 9 )所示。 lo g I ： + 南 ( 9 ) 其 中： I E I 材料的动态模量 ； 6 动态模量的最小值对数； + 动态模量的最大值对数 ； 和 S形 函数曲线的形状参数 ，取 决于沥青 结合料 的特 性和参 数 6 、 的大小 ；6和 和取 决于 沥青混 合料 级 配、沥青 饱和度和空隙率 ； ， 参考温度下的缩减频率。 通过采用数学软件 ，对浇筑式沥青混凝土在 五种温度和九种频率条件下的动态模量试验数据 进行非线性 回归 ，拟合得到 了以参考温度为 3 0 时的浇筑式沥青混凝土动态模量主曲线方程 ， 如式 ( 1 0 )所示。主曲线如图4所示。 l o g I E 4 6 3 8 2+ R ： 0 9 9 9 9 ( 1 o ) 由图4可知 ，建立的浇筑式沥青混凝土动态 模量主曲线很好地拟合了试验数据 ，反应 出了浇 筑式沥青混凝土的粘弹性质。利用动态模量主曲 线可以突破试验条件的限制 ，了解全频范围内材 料的动态模量数值及变化规律。 童 一： _ 蝥 蚕 图4 浇筑式沥青混泥土动态模量主曲线 4结 论 本研究 中利用 S u p e r p a v e简单性能试验机 ( S P T )测量 了浇筑式沥青混凝土在不同温度和 荷载作用频率下的动态模量。发现沥青混凝土的 动态模量随荷载作用频率的减小或温度的增加而 减小。浇筑式沥青混合料的复合模量的相位角随 着温度的增加或荷载作用频率的减小而增加。但 在温度较高 ( 6 o)及荷载频率越低时， 其相 位角并没有降低，这是因为，浇筑式沥青混凝土 中矿粉和沥青的含量远远高于其他类型的沥青混 凝土，在高温时 ，虽然沥青软化 ，但是矿料骨架 之间的嵌挤作用并没有加强 ，仍然是沥青粘结料 的粘结力其主要作用。 本研究还根据时间 一 温度等效原理， 利用不 同温度和荷载频率下的动态模量通过非线性最小 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 ，描述了浇筑式沥青混合料 的粘弹性性质 。 参考文献 1 Y r G D 5 0 -2 0 0 6 ，公路沥青路面设计规范 s 2 A p p l i e d r e s e a r c h a s s o c i a t e s( A R A) G u i d e f o r m e c h a n i s t i c e mp i ri c a l d e s i g n o f n e w a n d r e h a b i li t a t e d p a v e me n t s t ruc t u r e s F i n a l r e p o r t ，n a t i o n a l c o o p e r a t i v e h i g h w a y r e s e a r c h p r o g r a m ( N C HR P) P r e c t 1 3 7 A，Ne w Me x i c o ：Al b u q u e r q u e ，2 0 0 4 3 赵延庆，吴剑，文键 沥青混合料动态模量及其 主曲线的确定与 分析 J 公路 ，2 0 0 6 ，( 8 ) ： 1 6 31 6 7 4 李瑞霞， 郝培文布敦岩沥青混合料动态模量及主 曲线研 究 J 武汉理工大 学学报，2 0 1 1 ，3 3 3 2 石 油 沥 青 2 0 1 4年第 2 8卷 5 6 7 8 ( 1 0 ) ：4 2 4 5 张肖宁沥青与沥青混舍料的粘弹力学原理及应 用 M北京：人民交通出版社， 2 0 0 6 姚波 ，程 刚，王晓 基 于弯 曲试验 模 式的环 氧 沥 青混合料动态模量 J 东南大学学报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 1 1 ， 4 1( 3 ) ： 5 9 7 6 0 0 周庆华，沙爱民高模量沥青混凝土动态模量及主 曲线研究 J 现代交通技术， 2 0 1 1 ， 8( 2 ) ：9一 l 2 Y a n q i n g Z h a o ，J i mi n T a n g ，Hu i L i u C o n s t r u c t i o n o f t r l a x i al d y n a mi c mo d u l U S ma s t e r c t l I v e f o r asp h alt mi x t u F e s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 01 0Vo L 3 7：2lZ 6 9 钱振东，张磊，陈磊磊 路面结构动力学 M 南京 ：东南大学出版社 ， 2 0 1 0 1 0张蕾， 王旭东不同公称最大粒径沥青混合料动态 响应特征试验研 究 J 公路交通科技，2 0 1 0， 2 7 ( 1 1 ) ：1 6 31 6 7 1 1 潘艳珠 大空隙沥青混合料的动态模量预测模型 J 华南理工大学学报 (自然科学版) ，2 0 1 l ， 3 9 ( 8 ) ：1 2 91 3 2 1 2 盂勇军， 迟凤 霞，张 肖宁 基于 w L F公式确定 D S R中不同平行板的温度适用范围 J 公路 ， 2 0 0 7，( 5) ： 1 4 91 5 3 Re s e a r c h o n Dy n a mi c M o d u l u s M a s t e r Cu r v e o f Ca s t As p h a l t Co nc r e t e W a n g Hu a r o n g ，Z h a n g Le i ，Z h a n g Xi a o c h u n ( I n t e l l i g e n t T r a n s p o r t a t i o n S y s t e m R e s e a r c h C e n t e r o fS o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 8 ) Abs t r a c t ： Th e d y n a mi c mo d u l u s o f c a s t a s p h a l t c o n c r e t e wa s t e s t e d b y S up e r pa v e s i mp l e p e r f o r ma n c e t e s t m a c h i n e( S P r r )u n d e r d i ff e r e n t t e mp e r a t u r e a n d d i ff e r e n t l o a d i n g f r e q u e n c y T h e i n fl u e n c e o f t h e t e m p e r a t u r e a n d l o a d i n g f r e q u e n c y O i l d y n a mi c mo d u l u s a n d p h a s e a n g l e w a s s t u d i e d i n thi s p a p e r Th e d y n a mi c mo d u l u s ma s t e r c u r v e s o f c a s t a s p h a h c o n c r e t e w a s c o n s t r u c t e d thr o u g h the n o n l i n e a r l e a s t s q u a r e me tho d b a s e d o n t i me t e mp e r a t u r e e q u i v a l e n c e p ri n c i p l e T h e d y n a mi c mo d u l u s o f c a s t a s p h a l t c o n c r e t e c o u l d b e d e t e r mi n e d throu g h t h e ma s t e r c u r v e s u n d e r a n y t e mp e r a t u r e a n d f r e q u e n c y t h a t e x c e e d e d the s c o p e o f l a b o r a t o r y e q u i p me n t c o n d i t i o n，a n d t h e ma t e ri a l p a r a me t e r s w o u l d b e p r o v i d e d f o r t h e d e s i g n o f the c a s t a s p h a h c o n c r e t e p a v e me n t Ke y wo r ds： d y n a mi c mo d ul us ；ma s t e r c u r v e s ；S P T；p ha s e a n g l e；t i me t e mpe r a t u r e e q ui v a l e n c e p r i n c i p i e 短讯 “ 西部地区沥青路面应用 T i O 治理机动车尾气氮氧合物 技术研究通过验收 近期 ，交通运输部交通建设科技项 目 “ 西部地区沥 青路面应用 T i O 治理机动车尾气氮氧合物技术研究” 通过验收，项 目提出利用沥青路面负载 T i O ： 光催化材料 降解机动车尾气的新思路并解决关键技术问题。项目由 东北林业大学、交通运输部公路科学研究院共同承担。 解决的关键技术问题有：纳米T i O 光催化材料的拓展研 究、纳米 T i 0 ： 沥青路面表层处治技术、降解效果监测评 价和掺入 T i O 沥青混合料性能研究。项目成果在哈尔滨 市哈南开发区城市次干路、东北林业大学校园道路得到 应用，通过试验分析数据，降解率达到 4 o 至 5 7 ，降 解效果达到预期目标。研究成果不仅可以在公路沥青路 面上应用，也可推广到城市道路及道路附属设施上。成 果对改善大气环境质量，减少空气污染对人体的影响具 有重要意义。同时，纳米T i O 和涂料吸收太阳光中的紫 外线，减缓沥青路面表层混合料中沥青的老化，延缓沥 青路面使用寿命 2 a 左右。 ( 沥青情报站供稿)