冷拌冷铺沥青混合料动态模量及其主曲线研究

刘伟胜 ，李思童 ，黄玉颖 ，刘然 ，李林涛

（1.江西省高速公路投资集团，江西 南昌 330025；2.北京建筑大学 未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3.北京市交通委员会路政局房山公路分局，北京 102488；4.河南中原高速公路股份有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

冷拌冷铺沥青混合料是一种新型的绿色路面材料，其具有排放低、施工简便的优点，是未来道路材料主要的发展方向之一。在沥青混合料实际使用过程中，主要承受的是反复的动态荷载，而沥青混合料是一种黏弹塑性材料。其模量值与荷载作用时间、荷载和温度等因素都有密切的关系。动、静态模量可以较全面地评价冷拌冷铺沥青混合料的路用性能。本文选择AC-13混合料级配类型，使用自主研发的溶剂型沥青和SBS改性乳化型沥青作为结合料配制2种冷拌冷铺沥青混合料，并对2种沥青混合料的动、静态模量及其主曲线进行了试验与分析。

1 试 验

1.1 原材料

结合料：自制的SBS改性乳化型沥青和溶剂型沥青，其主要性能如表1、2所示。

表1 SBS改性乳化型沥青的主要性能

表2 溶剂型沥青的主要性能

1.2 混合料级配

采用AC-13型冷拌冷铺沥青混合料，其级配[2]见表3。

表3 AC-13沥青混合料的合成级配

SBS改性乳化型沥青混合料的油石比为10%，拌和用水量为3%，水泥用量为1%；溶剂型沥青混合料的油石比为7.5%。

2 冷拌冷铺沥青混合料动、静态模量试验

采用动态伺服液压多功能材料试验系统UTM-25（IPC）对2种冷拌冷铺沥青混合料的动态模量进行测试。根据时温等效原理，对冷拌冷铺沥青混合料的动态模量进行拟合得到主曲线，该曲线可全面反映沥青混合料对温度和加载频率的响应特性。

试验中使用旋转压实方式成型圆柱体试件，使用钻芯切割获得直径为（100±2）mm、高（150±2.5）mm 的动态模量试件。试验温度为15、30、45、60℃。各试验温度分别采用25.0、20.0、10.0、5.0、2.0、1.0、0.5、0.2、0.1Hz共 9 个加载频率，得到相位角和动态模量。为了确保试件在加载范围内具有呈线性关系的应力应变，通常使用常应变控制方法进行动态模量试验。采用正弦荷载，应变范围为85～115 με。此外，由于条件限制，本试验没有对试件施加围压。

乳化型和溶剂型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量测试结果分别见图1、图2。

图1 不同加载频率、不同温度下的乳化型冷拌冷铺沥青混合料动态模量

图2 不同加载频率、不同温度下的溶剂型冷拌冷铺沥青混合料动态模量

由图1和图2可知：

（1）随着加载频率的增大，2种冷拌冷铺沥青混合料的动态模量呈现相同变化趋势。影响冷拌冷铺沥青混合料动态模量的主要因素是温度和频率[3]。冷拌冷铺沥青混合料的动态模量随温度的升高而减小，随加载频率的降低而减小。

（2）频率相同时，2种冷拌冷铺沥青混合料的动态模量均随工作温度升高而减小。这一情况解释了夏季路面容易形成车辙；当试验温度相同时，加载频率降低，动态模量减小，这与停车场、慢速车道等易形成车辙的情况相符。溶剂型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量变化率较大，当加载频率为0.1 Hz，工作温度从5℃升高到50℃时，其动态模量减小93.2%；乳化型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量变化率较小，当加载频率为25 Hz，工作温度从5℃升高到50℃时，其动态模量仅减小为70.4%。

（3）温度相同时，加载频率越大，2种冷拌冷铺沥青混合料的动态模量也越高。工作温度为20℃时，加载频率从25 Hz到0.1 Hz，2种冷拌冷铺沥青混合料的动态模量值变化最大。

（4）相同温度与加载频率条件下，乳化型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量大于溶剂型冷拌冷铺沥青混合料。当温度为5℃，频率为25 Hz时，乳化型的最高动态模量达到18 917 MPa。这是由于乳化型冷拌冷铺沥青混合料中加入了水泥[4]，导致其动态模量高于溶剂型冷拌冷铺沥青混合料，具有较强的高温稳定性。

3 冷拌冷铺沥青混合料动态模量主曲线的建立与应用

沥青混合料具有粘弹性材料的特性，因此温度和荷载作用时间对其影响较大。动态模量试验中，在方法和设备的限制下，延长观测时间和扩大温度区间并不现实，并且延长观测时间与扩大温度区间将造成试验难以得出比较准确的结果。因此，可以通过实验设备测试不同温度条件下的动态模量。再根据时温等效原理，平移曲线，得到参考温度下的平滑曲线，即主曲线。沥青路面的工作温度区分为3种：当温度低于5℃时是低温区；温度在5～45℃时是中温区；温度在45～85℃时是高温区。参考主曲线可以得出不同服役温度区内沥青混合料的性能特点。

冷拌冷铺沥青混合料的主曲线通过Sigmoidal函数得到，Sigmoidal函数如式（1）所示：

式中：|E*|——动态模量，MPa；ωγ——参考温度下的荷载频率，也称为缩减频率，Hz；δ、α、β、γ——回归系数，其中 δ代表动态模量的最小值，δ+α代表动态模量的最大值，β、γ为描述西格摩德函数形状的参数，取决于沥青混合料的特性和δ、α的大小，拟合参数δ、α与集料级配、混合料组成、孔隙率有关。

运用时温等效的关键在于求出移位因子α（T），式（2）为缩减频率和时间-温度平移因子的关系：

式中：ω——试验时的加载频率，Hz；T——荷载周期的温度，℃；α（T）——移位因子，是温度T的函数，可通过式（3）估算：

式中：a、b、c——无量纲常数，表征温度与移位因子之间的关系。

由式（2）和式（3）可知，沥青混合料高频与低频时的动态模量分别与低温与高温时相对应。高温情况下动态模量较高，因此可降低混合料的压、剪应变，抗车辙能力相应提高。低温情况变形能力相对较弱，低温病害频发。乳化型冷拌冷铺沥青混合料的高温性能和低温性能较溶剂型冷拌冷铺沥青混合料较为优越。

使用规划求解得出20℃时Sigmoidal函数的各参数，并得出不同温度下的移位因子，结果见表4。

表4 沥青混合料的Sigmoidal函数拟合结果及移位因子

移位因子绝对值主要反映温度对冷拌冷铺沥青混合料的影响。由表4可知，与溶剂型冷拌冷铺沥青混合料相比，乳化型冷拌冷铺沥青混合料受温度影响更大。

溶剂型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量主曲线方程为：

乳化型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量主曲线方程为：

根据主曲线方程绘制动态模量主曲线，如图3和图4所示。

由图3和图4可见，当温度为30℃时，乳化型冷拌冷铺沥青混合料较溶剂型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量有明显提升。据此表明，乳化型冷拌冷铺沥青混合料与溶剂型冷拌冷铺沥青混合料相比，其抗永久变形能力较强[5]。

图3 溶剂型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量主曲线

图4 乳化型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量主曲线

4 冷拌冷铺沥青混合料的静态模量与动态模量对比分析

静态模量可表征沥青混和料的抵抗可恢复能力[6]。冷拌冷铺沥青混合料的静态模量见表5。

表5 AC-13冷拌冷铺沥青混合料静态模量测试结果

由表5可知，15℃和20℃时，乳化型沥青混合料的静态模量均大于溶剂型沥青混合料。

在模拟行车荷载的过程中，经常采用10 Hz作为加载频率[7]。通过2种冷拌冷铺沥青混合料动态模量的主曲线方程，计算得到15℃时2种冷拌冷铺沥青混合料的动态模量。抗压回弹模量对应于频率较低时（0.01～0.1 Hz）的动态模量，因此计算0.01 Hz和0.1 Hz的动态模量，结果见表6。

表6 15℃不同频率下AC-13冷拌冷铺沥青混合料的动态模量

由表6可见，根据主曲线计算出的动态模量，不同频率下乳化型沥青混合料的动态模量均高于溶剂型沥青混合料，即乳化型沥青混合料具有良好的高温性能。

通过表5和表6对比可知：

（1）与实际的受力情况相比，在静态模量的试验过程中，其荷载是缓慢增加并且在一定加载级位下维持一段时间[8]。这与实际受力情况不同，实际路面结构各层持续受动态荷载的作用，由于应力依赖性的存在，材料模量的测试结果受到一定程度影响。

（2）一般认为，静态模量对应的是加载频率为（0.01～0.1 Hz）的动态模量[3]。工作温度为15℃时，温拌沥青混合料的动态模量均大于静态模量。

（3）静态模量试验过程中，冷拌冷铺沥青混合料非线性变形时常发生，试件有破坏情况，这对模量值产生了影响。

在进行路面结构设计和沥青混合料性能评价的过程中应选用动态模量作为评价指标。因为其试验过程中加载方式与路面实际受力情况相近，能客观地反映路面材料的实际响应特性。故动态模量可较为准确地表征沥青混合料的黏弹性性质。

5 结论

（1）冷拌冷铺沥青混合料的动态模量随着工作温度的提高或加载荷载降低而降低。

（2）乳化型冷拌冷铺沥青混合料的动态模量高于溶剂型冷拌冷铺沥青混合料，动态模量越高高温性能越好。因此，乳化型冷拌冷铺沥青混合料在高温抗车辙性以及低温抗变形能力方面与溶剂型冷拌冷铺沥青混合料相比更为优越。

（3）工作温度为15℃时，2种冷拌冷铺沥青混合料的动态模量较静态模量高。

（4）动态模量能更好地体现冷拌冷铺沥青混合料的粘弹性特性，采用其作为冷拌冷铺沥青混合料的设计指标，能够充分考虑到温度和荷载频率对沥青混合料的影响。