基于实测与预测的沥青混合料回弹模量与温度的关系

(东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

温度是影响沥青混合料高低温性能的主要因素之一，我国地域辽阔，南北方不同地区沥青路面实际工作环境相差较大。目前，我国沥青路面采用20 ℃抗压回弹模量和15 ℃劈裂模量作为设计标准，不能够准确反应温度变化对沥青混合料性能的影响。虽然即将颁布的沥青路面设计新规范采用了动态回弹模量，但仍然是采用20 ℃模量值[1-2]。因此，本研究通过采用不同型号沥青(70#、90#、SBS改性70#、SBS改性90#)及不同集料级配(AC-13、AC-16、AC-20)组成12种不同型号沥青混合料，采用击实法制备Mashall试件，并采用静压法测试在不同温度(±60 ℃)下的沥青混合料抗压回弹模量，建立沥青混合料回弹模量与温度的回归关系。通过与其它方法得到的沥青混合料回弹模量预测结果对比分析，评价不同预测方法的技术特点。

我国现行沥青路面设计规范是以沥青混合料20 ℃抗压回弹模量作为沥青结构层的设计指标，但沥青路面在使用过程中受到各种因素的影响，其中温度对沥青材料影响最大[3-4]。沥青是一种典型的粘弹性材料，低温时表现为弹性，其变形可完全恢复，在高温时表现为粘性，变形后有一部分不能恢复。沥青作为沥青混合料重要组成部分，其性能对沥青混合料的性能影响很大。因此，当温度变化很大时沥青混合料性能也随之产生很大变化。我国不同地区的气温差异较大，即使同一个地区的沥青路面，在一年四季或一天中，其路面结构内部温度变化也较大。而20 ℃抗压回弹模量不能完全反映路面结构内部复杂的温度变化对沥青混合料产生的影响。因此，需要进一步研究沥青混合料抗压回弹模量随温度的变化，进而借鉴美国PGm-n技术，对沥青路面进行分区，根据沥青路面的最高温度m和最低温度-n，建立沥青混合料路用性能的评价方法及指标。在多个试验温度下来确定一个标准，与沥青胶结料PG试验相同，为各个地区的沥青路面提供一套符合要求的设计标准。

1 沥青混合料组成设计

1.1 沥青

试验选用了4种类型的沥青(70#、90#、SBS改性70#、SBS改性90#)，沥青技术指标如表1所示。

表1 沥青技术指标Table1 Indexesofasphalt沥青25℃针入度/0.1mm针入度指数PI延度5℃15℃软化点/℃135℃粘度/(Pa·s)70#66-1.3 8.713246.50.403SBS改性70#48 1.0 30.5126.52.22678.990#93-0.77916544.50.328SBS改性90#68-0.29358672.81.895

1.2 集料

试验选用了3种集料级配(AC-13、AC-16、AC-20)，集料级配如表2所示。

表2 集料级配Table2Gradationsofaggregates混合料类型通过筛孔(mm)的质量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-1310097.57550352720148.56AC-16100958575504025181312.59.5AC-201009582.571624837272015106

1.3 配合比设计

组成12种不同的沥青混合料，通过Mashall配合比设计，得到最佳沥青用量(如表3所示)，在不同温度(±60℃)下测试沥青混合料的回弹模量[5-9]。

表3 最佳沥青用量Table3 Optimumasphaltcontent沥青种类级配类型最佳沥青用量/%AC-135.370#基质/改性AC-164.4AC-204.1AC-135.690#基质/改性AC-164.7AC-204.4

2 沥青混合料回弹模量与温度的关系

2.1 沥青混合料回弹模量试验结果

采用逐级加载、卸载的方法测定沥青混合料的抗压强度、位移、抗压回弹模量。试验结果见表4。

2.2 回弹模量与温度的关系

沥青混合料回弹模量与温度的关系如图1所示。

从图1可以得到以下结论：

a.温度方面，沥青混合料回弹模量随着温度的升高而逐渐降低，且模量变化幅度较大，-30℃时的模量已经是+60 ℃时模量的10倍多，可见温度对其影响之大。以20 ℃为分界线，低于20 ℃时模量变化较快，高于20 ℃时模量变化较为

表4 沥青混合料回弹模量的试验结果Table4 TestresultsofHMAresilientmodulusMPa温度/℃70#SBS改性70#AC-13AC-16AC-20AC-13AC-16AC-20-3012509.511205.89535.414017.012467.514017.0-209110.67615.66406.19477.28580.27333.1-106273.55300.74281.86385.85741.34991.004117.83446.13289.74266.13828.53381.2102989.12535.72178.13074.22693.52296.7201881.61553.31387.01921.41756.01542.130992.51069.71273.41149.41188.11324.240725.9817.6855.1747.0824.6889.250525.4546.7621.2545.2564.3630.560382.7368.9365.2395.4383.8400.2温度/℃90#SBS改性90#AC-13AC-16AC-20AC-13AC-16AC-20-30-11289.69300.29414.413788.213441.312530.8-208550.26366.95812.69359.88466.88367.6-106001.05095.94025.76038.05400.44810.504016.23109.03090.74072.13485.43142.4102904.22265.41860.73059.62516.31978.4201750.31334.01188.41821.51690.11441.030964.3996.21025.81132.51154.31185.640703.4792.6833.1741.5725.9857.650516.5531.9604.3528.2814.2616.560378.5367.2361.3382.7539.5384.7

图1 沥青混合料回弹模量与温度的关系Figure 1 Relationship between HMA resilient modulus and temperature

缓慢。试验结果进一步论证了采用不同地区的高低温表征沥青混合料的性能是科学合理的。

b.级配方面，对比同一温度下相同沥青时不同级配的沥青混合料回弹模量可以看出，低温时细级配的沥青混合料回弹模量相对较大，高温时细级配的沥青混合料回弹模量相对较小，这是因为细级配的沥青混合料的沥青用量多，低温时沥青是粘弹性，沥青混合料的强度来源主要是沥青的胶结力，所以低温时细级配的沥青混合料回弹模量大，而当处于高温时沥青处于粘弹性或粘塑性，沥青混合料的强度来源主要靠集料间的嵌挤力，所以高温时粗级配的沥青混合料回弹模量更大一些。

c.沥青方面，采用改性沥青的混合料比采用基质沥青的混合料回弹模量大，因为改性沥青的高低温稳定性好于基质沥青。

对比分析几种因素对沥青混合料回弹模量的影响，可以看出，集料级配和沥青种类对沥青混合料回弹模量的影响不大，而温度对沥青混合料回弹模量影响最大，因此，不同温度的沥青胶结料粘弹性变化是影响沥青混合料回弹模量的主要因素。沥青混合料回弹模量随温度的变化规律可以用流变学理论解释。沥青混合料的强度是由集料间的内摩阻力和沥青的粘结力组成，当采取相同类型的沥青和相同级配的集料时，随着温度的上升，沥青逐渐由弹性转为粘弹性进而转化为粘塑性，沥青的流变性能逐渐提高，导致沥青混合料的回弹模量随温度升高而降低，并且减小的速度也逐渐降低。

3 实测结果与其它预测结果对比分析

沥青混合料回弹模量与温度的关系除了实测方法外，还可以通过其它方法进行预测。综合相关的预测方法，几种主要的预测结果如表5、图2所示。

表5 沥青混合料回弹模量的预测结果Table5 PredictingresultsofHMAresilientmodulus MPa温度/℃回弹模量公式法1公式法2BP神经网络法-305.95119007.02140408.1516300-204.9699204.7595007.3614720-103.9779403.2264405.561112002.9859602.1843603.366720101.9939801.4729401.79358020120001200012000300.01200.6713400.65130040-0.98-19600.459000.4896050-1.97-39400.316200.3672060-2.96-59200.214200.24480注:公式法1:K1=Et/E20=2.980-0.099t;公式法2:K2=Et/E20=100.01693(20-t);BP神经网络法:K3=Et/E20=-3.1928arctan(0.0779t+0.4395)+4.6090。

图2 实测结果与预测结果的对比Figure 2 Comparison betwwen test results and predicting results

从表5、图2可以得到以下结论：

a.公式法1与公式法2比较，在-20～20 ℃之间二者数值比较接近，但在小于-20 ℃时指数曲线速度增加较快，当温度大于20 ℃时，直线出现小于0的情况，明显不合理。数据表明公式法1与公式法2均不能准确地反映沥青混合料回弹模量随温度变化的关系。

b.实测结果与BP神经网络预测结果比较，以20 ℃为分界，在-30～20 ℃范围内预测数据明显大于实测数据，二者相差很大，当高于20 ℃时二者基本重合，数值十分接近。数据表明BP神经网络预测结果也只是在一定的温度范围内较为准确。

综上所述，3种预测方法得到的沥青混合料回弹模量都是在一定的温度范围内与实测数据比较贴合，实测结果较为准确但测试工作量较大，预测结果不够准确但较为方便快速。如果根据实测结果对预测结果做进一步回归分析，可以通过相应的预测方法快速预测沥青混合料回弹模量。

4 结论

a.在沥青混合料回弹模量与温度关系的研究基础上，本研究扩大了测试温度范围(-30～60 ℃)，且针对不同类型的沥青混合料，通过测试不同温度条件下的沥青混合料回弹模量，并将实测数据与预测数据进行对比分析。结果表明，沥青混合料回弹模量与温度有一定的回归关系。

b.实测结果表明，沥青混合料回弹模量随着温度的升高而减小，但在低于+20 ℃时回弹模量随温度变化幅度较大，高于+20 ℃后模量随温度变化缓慢。而且在-30 ℃时的回弹模量值是+60 ℃时模量值的10倍多，说明温度对沥青混合料回弹模量影响较大。

c.对比同一温度的不同沥青及不同集料级配组成的混合料回弹模量，使用改性沥青的混合料比使用基质沥青的混合料回弹模量更大。低温时，采用同一沥青的集料细级配的混合料回弹模量大。

d.不同预测方法得到的沥青混合料回弹模量预测数据准确度也不相同，比较准确的是BP神经网络的预测方法，该方法方便快捷，但存在的问题是预测结果仅在一定温度范围内较为准确。根据实测结果对预测结果做进一步回归分析，可以通过相应的预测方法快速预测沥青混合料回弹模量。

5 设计建议

基于PGm-n技术的沥青路面设计方法较我国沥青路面设计方法更贴近道路所处的实际环境，我国沥青路面设计方法只采用20 ℃下所对应的沥青混合料回弹模量作为设计参数，有一定的局限性。PGm-n技术通过详细的气候分区建立每个地区在m与-n值对应下的沥青路面设计参数，作为参数输入进行路面设计和验算。利用《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)所配套的沥青路面结构分析软件APAD进行路面结构组合和验算。哈尔滨地区PG等级确定的参数进行路面结构厚度验算，发现满足层底拉应力和弯沉要求的石灰土层厚度较以弹性层状体系理论下确定的石灰土层厚度要大，但是实际弯沉值却变小。这说明以PG技术建立的参数进行设计的道路更加符合哈尔滨地区实际环境，路面产生的弯沉值更小，高温性能提高。

以黑龙江省沥青路面设计为例，先确定PGm-n，按高低温m-n得到沥青混合料回弹模量，设计中，对不同设计指标采用不同温度的沥青混合料回弹模量，例如，永久变形量采用高温m回弹模量，低温开裂采用低温n回弹模量进行设计，这样采用高低温m-n回弹模量可以准确反应一年不同季节对沥青路面的影响。