端部效应对沥青混合料粘弹力学特性测试结果的影响

马华宝 李浩天

(河北省道路结构与材料工程技术研究中心1) 石家庄 050091)

端部效应对沥青混合料粘弹力学特性测试结果的影响

马华宝1,2)李浩天1,2)

(河北省道路结构与材料工程技术研究中心1)石家庄 050091)

(河北省交通规划设计院2)石家庄 050091)

端部效应会影响沥青混合料粘弹力学特性测试的结果.开展了聚四氟乙烯膜、橡胶膜涂硅油、双层PP膜夹滑石粉层共3种端部效应消减措施下动态模量试验和重复剪切流动试验，分析不同消减措施对动态模量和流动剪切速率数据影响；使用0.25，0.5，1.5 mm共3种厚度聚四氟乙烯膜进行动态模量测试，分析聚四氟乙烯膜厚度对动态模量的影响.结论显示，消减措施的施加会在总体上减小动态模量测试值，且频率越小，减幅越高；聚四氟乙烯膜厚度越大，动态模量试验结果变异系数越小.采用端部效应消减措施，会使试件剪切流动速率变大.

沥青混合料；端部效应；动态模量；剪切流动速率；变异系数

0 引 言

动态模量和重复荷载剪切流动在所有沥青混合料粘弹力学特性测试试验中受关注度最高[1].2种试验均采取单轴压缩的荷载施加方式，在这种加载方式下，荷载盘与测试试件接触处的端部摩擦会对测试结果产生影响[2-4]，因此，研究端部效应对动态模量和重复荷载剪切流动测试结果的影响具有十分重要的价值.

目前关于沥青混合料单轴压缩类试验中端部效应影响的文献较少，端部效应影响未能引起足够的重视.Ramon[5]在NHRCPReport629中给出了端部效应的存在会造成重复荷载剪切流动度测试结果偏高的结论，但并未对偏高的程度予以量化，仅仅建议做该试验时需消除端部效应影响，这也是很多标准试验方法所采取的观点[6-7].常见的消除端部效应的方法有聚四氟乙烯膜和橡胶膜涂润滑剂2种.Adam等[8]对比分析了上述2种方法的优劣，指出使用聚四氟乙烯膜的试件破坏特征不符合重复荷载剪切流动试验原理(试件等体积剪切破坏)，同时通过比较测试结果的离散情况，提出了橡胶膜涂润滑剂的推荐最佳用量.而对于不同种类方法消减程度的深入对比研究则很少.在目前采用聚四氟乙烯膜的方法中，一般采用的聚四氟乙烯膜的厚度多为0.25 mm，鲜有不同厚度优劣选择的研究.

鉴于此，文中开展了聚四氟乙烯膜特氟龙、橡胶膜涂硅油、双层PP膜夹滑石粉层共3种方法的消减程度的动态模量试验和重复剪切流动试验，以文献[6]规定所使用的聚四氟乙烯膜的测试结果为对照，分析其他2种消减措施对试验结果的影响；开展了0.25，0.5，1.5 mm共3种厚度聚四氟乙烯膜对动态模量测试结果影响的对比，分析了聚四氟乙烯膜厚度对测试结果的影响，分析结果可为沥青混合料粘弹性力学特性测试精度的提高提供参考.

1 试验情况

选取SBS沥青AC13/SMA 、橡胶沥青ARHM20、70号沥青ATB25、70号沥青AC25共5种河北省常用沥青混合料类型，进行动态模量和重复荷载剪切流动试验.所有混合料所使用集料、沥青指标均符合文献[6]要求，具体测试结果参见文献[9].

端部效应消除方式分别采用聚四氟乙烯膜、双层橡胶膜涂硅油、双层PP膜夹滑石粉层.其中，聚四氟乙烯膜厚度选取了0.25，0.5，1.5 mm共3种；橡胶膜所涂硅油用量参考Adam研究成果选为0.15 g/cm2；双层PP膜所使用滑石粉的用量以目测滑石粉均匀满布PP膜面为原则，选定为0.1 g/cm2.

按照文献[6]要求，成型、制备用于动态模量测试的试件，平行试件不少于3个，测试值取平均值.在20 ℃条件下共进行5个频率(25，10，5，1，0.1 Hz)的动态模量测试.考虑到动态模量测试是在线弹性范围内，认为一次试验未对试件形成损伤，因此依次使用不同消减端部效应方式对同一试件进行动态模量测试.

同时，按照文献[6]要求，另成型、制备用于重复剪切流动试验的试件，平行试件不少于3个，在55 ℃条件下进行重复荷载剪切流动测试.

2 结果与讨论

每种级配制备动态模量试件3个，重复剪切流动试件3个，总计制备30个试件，对试件进行体积指标测试，将平行试件测试参数取平均并列于表1和表2中.对比分析不同消减方式、聚四氟乙烯膜厚度对动态模量测试结果的影响，以及不同消减方式对重复荷载剪切流动测试结果的影响.

表1 动态模量试件体积指标 %

表2 重复剪切流动试件体积指标 %

2.1 不同端部效应消减方式对动态模量测试结果的影响

将5种混合料在不同端部效应消减方式下进行不同频率动态模量测试的对比，同时将无消减措施下的动态模量值作为参考组，绘制见图1.限于篇幅，图中仅给出10 Hz下动态模量测试结果，AC25混合料未能测得橡胶膜涂硅油消减措施下的动态模量.分析图中的数据以及其他荷载频率的模量值，与无任何措施相比，端部效应消减措施的施加造成动态模量测试结果有增有减，浮动比例范围在-20.2%～7.0%.总体上看，减少的情况居多，且频率越低，减少的幅度越大.说明端部效应的存在会造成试验结果偏小，这与文献[5]的结论相符.动态模量试验过程中必须施加端部效应消减措施.

图1 不同消减措施对动态模量的影响

分析图1中的数据以及其他荷载频率的模量值，与规范中规定使用的聚四氟乙烯膜相比，采用PP膜夹滑石粉层和橡胶膜涂硅油措施下的动态模量测试结果均出现增大的现象.且频率越大，增加的幅度越大.因此，规范中推荐使用聚四氟乙烯的端部效应消减方式所取得的动态模量偏保守.

测试过程中发现，对于橡胶膜涂硅油的方式，由于硅油的摩擦系数极小，若混合料本身的模量较高，当施加高频率的动态压缩荷载时，荷载盘会与试件产生相对滑动，进而造成试件偏心承载，影响测试结果，更有可能造成试件从荷载台跌落而造成设备损伤.因此，不建议使用橡胶膜涂硅油的方式来消减端部效应.

对不同消减措施下动态模量测试结果的变异性进行分析，计算其变异系数，限于篇幅，这里仅给出10 Hz下的计算结果，见表3.端部效应的施加，会降低试验结果的变异波动.由于硅油本身极小的摩擦系数，直接导致测试结果的变异性最小，但与PP膜夹滑石粉层相比，聚四氟乙烯的变异性略高.端部效应的存在是造成单轴压缩类试验结果波动的肇因之一.

表3 不同消减措施下动态模量变异系数 %

2.2 聚四氟乙烯膜厚度对动态模量测试结果的影响

考虑到聚四氟乙烯是诸多标准试验方法所推荐的端部效应消减方式，因此以其为主要对象，对比研究了其厚度对动态模量测试结果的影响.3种厚度聚四氟乙烯(单层)下动态模量测试结果见图2.限于篇幅，图中仅给出10 Hz下动态模量测试结果.分析图2中的数据以及其他荷载频率的模量值，通过比较可以发现，聚四氟乙烯膜的厚度对测试结果存在影响，但对于不同种类的混合料所体现出的规律不尽相同.不同厚度下的动态模量的测试结果的差异会随着荷载频率的增加而出现增大.

图2 聚四氟乙烯膜厚度对动态模量的影响

计算不同厚度聚四氟乙烯膜消减措施下动态模量的变异系数，见表4.限于篇幅，表中仅列出10 Hz下的计算结果，从中可以看出，在相同试验条件下，1.5 mm厚聚四氟乙烯膜测试组的测试结果变异性最小，即随着聚四氟乙烯膜厚度的增加，试验结果将更趋均匀.从总体上看，不同聚四氟乙烯膜厚度下的测试结果变异系数均小于2.8%，测试结果的精度均可接受.

表4 不同厚度聚四氟乙烯措施下动态模量变异系数

值得一提的是，聚四氟乙烯本身属于高分子材料，其自身在荷载作用下会呈现流变特性，可能会对沥青混合料的动态模量测试结果造成影响，厚度越厚影响的程度可能会越大.因此，规范中所规定的0.25 mm聚四氟乙烯作为端部效应消减措施更加合理.

2.3 不同消减方式对重复剪切流动测试结果的影响

重复剪切流动试验最广为人知的是流动度指标.流动度点对应于塑性变形速率值最小点，通过对测试曲线进行5点移动平均的平滑化处理[10-13]，得到1条相对平滑的曲线后，找到塑性变形率最小值所对应的点，即流动度点.实测的类即塑性变形曲线为1条锯齿状波动的曲线，按照极值函数理论，曲线自身存在众多拐点，即最小值的点很多，这时便取第1次出现最低点的点位为流动度点，很显然，这样的取点方法偏于保守.此外，流动点位的确定过程中还存在另外一个棘手的困难——累积塑性变形率不出现快速流动(塑性变形的第3阶段)，尤其是在试验过程中施加围压的情况下，即使加大偏应力，试件也几乎很难出现塑性变形快速发展的现象，直至设备荷载作用次数达到终止条件20 000次，一直处于塑性变形发展的第2阶段，根本无法找到流动度点.见图3.

文中在开展试验过程中发现，凡是在施加围压的情况下，无论何种级配类型的混合料，均不发生剪切流动，即使是在55 ℃高温情况下也不例外，这给寻找流动度点带来了无法解决的困难.借鉴文献[14]中的方法，使用累积塑性变形第2阶段的数据，在双对数坐标中使用线性回归得到回归系数a(截距)和b(斜率)，并将b命名为剪切流动速率(简称“流动速率”)，确认为塑性变形发展的速率，作为重复剪切流动试验的关键评价指标.剪切流动速率越大，则混合料本身可能面临着更大的永久变形风险.

图3 重复剪切流动试验剪切变形

对表2中所示试件进行重复剪切流动试验，试验条件和试验结果见表5.对比表5中的数据，可以看出：

1) 端部效应消减方式的施加，会使试件剪切流动速率增大，即试件在有端部效应消减措施的情况下，承受更大的剪切荷载，从而引起更快的剪切变形，这种规律适用于任何一种混合料.

2) 施加围压前，试件剪切流动速率因采取端部效应消减措施而带来的最大增幅为178.4%，而施加围压后，最大增幅下降为62.1%.围压的施加减小了端部效应带来的试验误差.

表5 不同消减措施下剪切流动斜率

对比表5中PP膜夹滑石粉层和橡胶膜涂硅油方式的测试结果，发现两者的区别不明显，效果基本一致.然而，重复剪切流动试验本身试验时间较长，1次试验试件需经受约10 000次的剪切荷载作用，而使用橡胶膜涂硅油的方式，会造成硅油从橡胶膜边缘渍出的现象，硅油会在试件的表面形成油斑，如图4，也一定程度上影响了端部效应消减的效果.

图4 重复剪切流动试验试件油污

3 结 论

1) 与无任何措施相比，采取端部效应消减措施，使动态模量测试结果有增有减，浮动比例范围-20.2%～7.0%.总体上看，减少的情况居多，且频率越低，减少的幅度越大.

2) 使用聚四氟乙烯膜时动态模量的测试结果最小，而PP膜夹滑石粉层和橡胶膜涂硅油的动态模量测试结果相当.聚四氟乙烯膜与PP膜夹滑石粉层相比，前者的试验结果变异系数更大.

3) 聚四氟乙烯膜的厚度对动态模量测试结果存在影响.从测试结果变异系数来看，随着聚四氟乙烯膜厚度的增加，试验结果将更趋均匀.

4) 端部效应消减方式的施加，会使试件剪切流动速率增大.而围压的施加减小了端部效应带来的试验误差.

[1]WITCZAK M W, KALOUSH K, PELLINEN T, et al. Simple performance test for superpave mix design[R]. NCHRP Report 465, National Cooperative Highway Research Program, Washington D C,2002.

[2]汪水银,王旭东.考虑尺寸效应和端部效应下的水泥稳定材料的强度试验[J].公路,2007(3)：119-124.

[3]何浩宇,石露,白冰.端部摩擦对不同加载方式真三轴试验的影响[J].交通科学与工程,2014,30(3)：1-5.

[4]董建军,邵龙潭.考虑端部效应影响的非饱和压实土三轴试验研究[J].岩土力学与工程学报,2010,29(9)：1937-1944.

[5]RAMON B. Ruggedness testing of the dynamic modulus and flow number tests with the simple performance tester[R]. NCHRP Report 629，National Cooperative Highway Research Program, Washington D C,2008.

[6]中华人民共和国交通部公路科学研究所.沥青及沥青混合料试验规程:JTG E20-2011 T[S].北京:人民交通出版社,2011.

[7]American Association of State Highway of Transportation Officials. Determining the dynamic modulus and flow number for hot mix asphalt using the asphalt mixture performance tester: TP79-11[S]. AASHTO,2009.

[8]ADAM T, NAM T. Comparing friction reducers for use in ampt testing[R]. NCAT Report 15-01，2015.

[9]河北省交通规划设计院.基于AMPT的沥青路面结构设计参数及沥青混合料性能评价研究[R].石家庄：河北省交通运输厅,2016.

[10]BONAQUIST R F, CHRISTENSEN D W, WILLIAM S. Simple performance tester for superpave mix design: first-article development and evaluation[R]. NCHRP Report513, National Cooperative Highway Research Program, Washington D C,2003.

[11]RAMON B. Evaluation of flow number (fn) as a discriminating hma mixture property[R]. WHRP Report 12-01, Wisconsin Department of Tansportation, Madison, WI, June,2012.

[12]ADRIAN R A, LUIS G D, SAMUEL H C. Proposed method to determine the flow number from laboratory axial repeated loading tests in bituminous mixtures[C]. Transportation Research Board 86thAnnual Meeting, Report Number: 07-1901, Washington D C,2007.

[13]ALEX K A. Flow number predictive models from volumetric and binder properties[J]. Construction and Building Materials,2014，64：240-245.

[14]HAROLD L V Q, JAGANNATH M, RAMON B,et al. Calibration of rutting models for structural and mix design[R]. NCHRP Report 719, National Cooperative Highway Research Program, Washington D C,2012.

Effects of End Friction on Asphalt Mixture Viscoelastic Mechanical Properties Testing

MA Huabao1,2)LI Haotian1,2)

(RoadStructureandMaterialTechnologyResearchCenterofHebeiProvince,Shijiazhuang050091,China)1)(HebeiProvincialCommunicationsPlanningandDesignInstitute,Shijiazhuang050091,China)2)

Asphalt mixture viscoelastic mechanical properties testing results depend on the effects of end friction. Dynamic modulus tests and repeated shearing flow tests are conducted for three types of end friction reducers that are Teflon, latex membranes pasted by silicone oil and PP membranes pasted by tale powder. The effects of different reducers on dynamic modulus tests and repeated shearing flow tests are analyzed. The effects of Teflon thickness on dynamic modulus are investigated for three thicknesses: 0.25 mm, 0.5 mm and 1.5 mm. Results show that the application of reducer reduces the dynamic modulus testing results and this effect enhances as loading frequencies become lower. In addition, lower coefficient of variation (COV) results can be achieved for thicker Teflon. Besides, the application of end friction reducer could increase the shearing flow slope.

asphalt mixture; end friction; dynamic modulus; shearing flow slope; COV

2016-10-20

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.031

马华宝(1988—)：男，硕士生，主要研究领域为路基路面工程