基于SPT试验的SMA沥青混合料动态模量研究

栾利强

广东省南粤交通投资建设有限公司（510101）

基于SPT试验的SMA沥青混合料动态模量研究

栾利强

广东省南粤交通投资建设有限公司（510101）

为了研究沥青混合料的动态特性，应用简单性能试验机(SPT)对SMA沥青混合料进行动态模量试验，分析频率和温度对沥青混合料动态特性的影响，结果表明：频率越高，沥青混凝土的动态模量越大；温度越高，沥青混凝土的动态模量越小。

美国seet等将动态模量定义为：对于具有一定周期和波形的动态荷载，其应力振幅与应变振幅的比值，计算公式为：

式中：σ（t）、ε（t）为应力和对应应变的时间函数，σ（0）、ε（0）为应力和应变的振幅。

从动态模量的概念可以看出：静态模量反映弹性条件下应力和应变的比值，忽视瞬态响应，而动态模量考虑了时间的影响，是应力幅值与应变幅值的比值，动态模量不仅能够反映应力与应变的力学性质，还能够反映材料在不同荷载下的响应特征。

1 试验材料

SMA13的集料采用沂水永盛石料厂生产的玄武岩碎石和玄武岩机制砂，级配如表1所示，沥青采用山东华瑞道路材料技术有限公司生产的SBS改性沥青，最佳沥青含量为6.0%，矿粉自制，掺加15%生石灰,含量9%,混合料添加0.3%的木质纤维。

表1 SMA13的集料级配

2 试验方法

参考AASHTO试验规程DESIGNATION TP-62-03，对各种沥青混凝土使用Superpave简单性能试验机（SPT）进行动态模量试验，所用的SPT试验机如图1所示。

2.1 试件制备

首先采用Superpave旋转压实仪成型直径150mm×高170mm的试件，然后用钻芯机对成型好的试件进行钻芯,钻取圆周光滑、平行、直径为100mm的圆柱体试件，如图2所示。

为了消除试验过程中试件的偏心受压和减小端面的摩擦系数，将钻芯得到的试件进行切割，切割后的标准试件尺寸为直径100mm×高150mm，如图3所示。

图1 SPT试验机

图2 钻芯试件

图3 直径100mm×高150mm的标准件

2.2 试验条件

1）加载频率

加载频率是动态模量的一个重要参数，不同加载频率下的动态模量差别很大，SPT试验机可以测定的频率范围为0.01～25 Hz，为了全面测定沥青混凝土在不同加载频率下的动态模量，加载频率范围取为0.01～25 Hz。

2）加载波形

正弦波的波形包括加载与卸载两个阶段，能够描述路面实际受力情况，因此采用正弦波加载。

2.3 试验温度

根据DESIGNATION TP-62-03，试验温度选取21℃、37℃和55℃三个温度，试验步骤：

1）将试验系统调至工作状态，并在试验之前设定为所要求的试验温度。

2）试验前将试件放入温控箱，使其达到试验所要求的温度，利用传感器安装工具在试件上粘贴传感器夹具，在压盘顶部放置减小摩擦的两片橡胶膜并在中间涂抹黄油润滑，在其上放置试件，安装传感器夹具，然后在试件上面放置中间涂抹黄油的两片橡胶膜及顶部压盘和钢球，打开三轴室将准备好的试件放入，并安装传感器。

3）放入试件之后调整、平衡电子测量系统，输入试验温度、不施加围压，选择试验的加载频率，设定加载次数为10次，打开油泵，调节应力，使加载过程中应变的变化幅度在75微应变～125微应变之间。

4）开始试验。

3 试验结果分析

SPT试验机会在试验过程中记录下每个加载循环的轴向应力、三向应变、三向变形与温度等因素，图4和图5是SMA13的一个平行试件在37℃和10 Hz加载频率下的轴向应力和轴向应变随时间变化的结果。

图4 轴向应力随时间变化规律

图5 轴向应变随时间变化规律

通过测量最后5次加载循环的平均荷载和应变，可以计算出轴向应力幅值与应变幅值，应力幅值为：

应变幅值εamp为：

动态模量为：

对试验数据进行提取和处理，得到几种沥青混合料在不同温度和频率下的动态模量，如表2所示。

表2 动态模量试验结果

由表2可见：

1）相同温度条件下，频率越高，沥青混凝土的动态模量越大，即加载持续时间越短，沥青混凝土的动态模量越大，因此车速越快，沥青层的动态模量越大。国内外道路研究者对加载频率与车速的关系的研究成果也表明，车速是路面加载频率的主要影响因素，而深度对路面加载频率的影响要小很多，这是因为沥青层通常离路表较近。

2）相同频率条件下，温度越高，沥青混凝土的动态模量越小。

3）目前，国内外一般用10 Hz的动态模量作为路面在正常车速时的动态模量。0.01 Hz加载频率下的动态模量的加载时间很长,一次加载的时间为100 s，这与《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中静态单轴压缩回弹模量试验的累计加载时间相当甚至更长（不考虑回弹变形时间），可将其等同于静态回弹模量。

4 结论

采用SPT试验机对SMA沥青混合料的动态模量进行了试验研究，试验结果表明：

1）相同温度条件下，频率越高，沥青混凝土的动态模量越大。

2）相同频率条件下，温度越高，沥青混凝土的动态模量越小。

3）0.01 Hz加载频率下的动态模量的加载时间很长，可将其等同于静态回弹模量。