再生沥青混合料动态模量试验研究

苏 杰，刘忠根

（吉林建筑大学，吉林 长春 130118）

0 引言

随着我国公路建设不断发展，沥青路面的铣刨物再利用问题一直是我国公路行业的研究热点[1]。我国早期铺筑的SBS改性沥青路面遭受长时间紫外光照、氧气、雨水等自然因素和不同的交通荷载作用的影响，因此发生严重老化，并且伴随着路面结构的损伤出现大量坑槽、裂缝等病害，需要进行回收再利用[2-3]。然而，这些回收的废旧混合料通常会被认为是低性能并且重新利用危害大，因而采用简单的堆积处置。基于这一现象，国内外专家和学者纷纷对沥青路面可持续发展的相关研究和工程应用进行探索，并取得了丰富的理论与实践经验[4]。笔者通过阅读、参考大量相关文献对这些理论和经验进行学习，对再生沥青混合料进行更深刻的分析和阐述。

截至2020年底，我国公路总里程达到519.81万km，并且在不断增长，沥青路面的应用也越来越广泛，作为道路铺设材料的沥青混合料是一类粘弹性材料，在路面使用过程中，实际道路结构遭受车辆荷载影响时荷载频率和静态时有显著的不同[5]。因此静态模量指标对沥青路面的力学性能表征是有缺陷的[6]。所以，为了研究再生沥青混合料在动态载荷作用下的力学性能，通过AASHTO法研究再生沥青混合料的动态模量，并比较分析了不同旧料掺入量的再生沥青混合料的动态模量，进一步对再生沥青混合料的动态模量试验进行深入的研究[7]。

1 混合料设计

本文依据Superpave沥青混合料设计方法，得到了旧料掺入率分别为10%，20%及30%的再生沥青混合料。在对试验结果分析的基础上，进一步分析可再生沥青混合料的荷载频率、试验温度及其对动态模量和相位角变化的影响。

1.1 设计概述

Superpave沥青混合料设计，包含Ⅰ水平设计、Ⅱ水平设计和Ⅲ水平设计。Ⅰ水平设计是指根据沥青混合料体积指标：沥青填充比、矿料间隙率等指标对热拌沥青混合料进行设计[8]。Ⅱ水平设计也包括主要的路面性能测试和体积设计，通过测试和设计的参数还可以对道路特性进行预报。Ⅲ水平设计包括更全面的道路性能测试及其体积设计，从而可以比较严格的对道路性能作出预测。在3个设计水平中，Ⅱ水平、Ⅲ水平又统称为混合料分析[9]。本文选择I水平进行设计，即沥青混合料的体积设计。选择Superpave—19再生沥青混合料进行动态模量试验。同一旧料不同掺量的沥青混合料级配见表1。

表1 Superpave-19再生沥青混合料级配 %

1.2 设计要求

Superpave—19是粗型密级配的沥青混合料，关键筛孔尺寸通过率符合Superpave的相应最大公称粒径混合料级配设计条件。本试验中所用粗集料颗粒的棱角性为99.9%，以便确保粗集料具有更多的内摩擦力。细集料颗粒的棱角性〉45%，并对粗集料颗粒间隙加以适当补充。扁平细长颗粒含量〈10%且砂当量要求〉60%。试验所用集料为石灰岩，沥青为SBS改性沥青及不同掺量的旧沥青混合料，其中旧混合料是从已服务吉林省10年经过铣刨旧路面得到的沥青混合料[10]。各材料性能均满足规范要求。

4种同一类型旧料不同掺入程度的再生沥青混合料的集料，其各指标参数见表2。

表2 沥青混合料设计组成及体积指标

2 试验方案

2.1 试件成型

本次试验通过旋转压仪（SCG）压实成型高为16.5 cm~17.5 cm的原始试件，用取芯机从试件中取出Φ100 mm的芯样，再用双侧刨切削出高为150 mm的小圆柱体试件，但试件空隙率必须保持控制在4%±0.5%范围内（见图1）。

图1 取芯切割后的试件

2.2 试验步骤

本试验规范符合AASHTO TP62—07，试验的环境温度依次选择-10℃，5℃和20℃；加载频率为：25.00 Hz，10.00 Hz，5.00 Hz，1.00 Hz，0.50 Hz，0.10 Hz，0.01 Hz，以此来计算动态模量和相位角。采取线性应变控制方式，利用DTS万能试验机对试件施加荷载（见图2），同时控制应变值为50×10-6~100×10-6，从而确定测试为无损试验。根据上述方法完成试验并分别记下试验原始数据。

图2 动态模量试验

3 动态模量试验结果

旧料掺入量为10%，20%，30%和不掺的沥青混合料的动态模量及其相位角测试结果见表3。由表3可看出，动态模量随着试验温度的提高和荷载频率的下降而减小，反之亦然。也就是说动态模量与荷载频率成正相关，与试验温度成负相关。相位角的变化规律：相位角随着试验温度的提高而逐步上升；随着荷载频率的提高，逐渐下降。

表3 动态模量试验结果

在常温或更低时，沥青混合料结构强度受胶结料的影响很大，但随着荷载频率降低，其粘滞力便更加明显。在工作温度较高时，由于荷载频率的降低，矿料结构骨架的相互嵌挤对沥青混合料劲度系数的影响显著，使相位角降低，动态模量增大。不同于动态模量，相位角首先伴随加载频次的提高而上升至顶点逐渐趋于平缓进而下降。即在工作温度较低状态时，沥青混合料受沥青胶结料正向影响，伴随工作温度的提高粘性加强，而相位角也提高；在高温条件下，沥青混合料结构失稳，不同粒径矿料的相互作用对混合料整体结构强度影响加强，相位角降低。

4 构建动态模量主曲线

沥青混合料动态模量是加载时间和环境温度的函数。由于沥青混合料属于粘弹性材料,因此形成沥青混合料动态模量主曲线的主要理论依据是粘弹性材料的时间-温度等效机理，不同加载时间和温度的动态模量之间能够相互代替，将沥青混合料在不同工作温度和加载频率的动态模量原始数据点形成的曲线平移至参考环境温度，产生一个平滑的动态模量曲线。此方法能够为已经确定的参考温度建立独立的动态模量-时间通用曲线。

4.1 函数拟合

根据动态模量主曲线,可以拓展并预测更为广阔的某些温度、频率下的动态模量，通过有限的试验数据便可得知，其他区域或某些地区未知环境条件下的沥青混合料的动力学特性[11]。

已知建立沥青混合料动态模量通用曲线的关键在于确定位移因子。粘弹性材料的动态模量通用曲线一般根据Sigmoidal函数进行拟合[12]。函数模型为：

4.2 结果分析

根据用Sigmoidal函数拟合动态模量试验结论，以5℃为参照温度绘制动态模量主曲线，并利用相对误差及位移因子中的形状参数进行规划求解，同时利用判定系数总误差R2评价广义西格摩德函数模型的拟合优越程度。表4为模型的各参数值，其中：Se为动态模量预测值的标准差，Sy为动态模量实测值的标准差，Se/Sy为预测值相对实测值的大小，其数字越小，代表建模的整体拟合程度越好[13-14]。

表4 Sigmoidal函数模型各参数值

通过图3可以发现，主曲线的趋势基本一致，然而旧料掺量大的再生沥青混合料的主曲线比掺量小的有略微升高，不掺再生的沥青混合料主曲线处于最低，通过曲线斜率可知，各主曲线的增幅分别是：旧料掺量为10%最大，其次是20%，最小的是30%。因此可以看出合理的旧料掺量能够更有效地改善沥青混合料的动态模量，进而提升沥青混合料的力学特性。

图3 沥青混合料动态模量主曲线（5℃）

5 结论

1）利用（DTS）万能试验机对成型试件进行3个试验温度、6个荷载频率的测试，试验结果发现采用Superpave沥青混合料Ⅰ水平设计方法设计的0，10%，20%，30%同一旧料的4种掺量的再生沥青混合料动态模量变化幅度均不一致，相比于不掺旧料的沥青混合料掺加旧料的再生沥青混合料的动态模量要略高。

2）通过试验得出相位角的改变具有一定的活动范围，当试验工作温度较低甚至常温时，相位角随着荷载频率的提高而降低，但当试验环境温度提高时，相位角的改变斜率则是逐渐降低的，逐渐趋于一个临界点。这也是由于再生沥青混合料是一种粘弹性材料决定的。

3）根据Sigmoidal函数及原始试验数据求得的未知参数，计算出不同荷载频率下的再生沥青混合料的动态模量与原始数据进行误差比对和分析。采用规划求解函数使不同加载频率下的再生沥青混合料动态模量与原始数据进行拟合缩减误差，求解新的位移因子和参数。通过构建动态模量主曲线，进而更好的表征再生沥青混合料的力学性能。