基于复合结构的花岗岩沥青混合料力学性能研究

摘要：为评价花岗岩沥青路面结构力学性能，研究采用AC-10上面层加AC-16下面层组合的复合结构，基于一种基质沥青和五种不同抗剥落措施，进行了花岗岩沥青混合料复合结构的蠕变试验和动态模量试验，分析了不同方案不同温度下结构的蠕变规律和混合料结构的动态模量及多种加载频率下混合料的动态模量。对比分析了不同抗剥落措施对花岗岩沥青混合料力学性能的影响，为花岗岩在沥青路面中的应用提供了依据。

关键词：花岗岩沥青混合料抗剥落措施多重蠕变动态模量

中图分类号：U414.75

StudyontheMechanicalPropertiesofGraniteAsphaltMixtureBasedonCompositeStructure

GAOXiangqi1YANGYongfu2*GUOXiaochun1SUIXiubin1JIZhengjun2

1.NingliangExpresswayCo.，Ltd.ofShandongHi-SpeedGroup，Taian，ShandongProvince，271000China;2.ShandongTransportationInstitute，Ji’nan，ShandongProvince，250031China

Abstract：Inordertoevaluatethemechanicalpropertiesofgraniteasphaltpavementstructure，thisstudyusedacompositestructureconsistingofAC-10upperlayerandAC-16lowerlayer.Basedonamatrixasphaltandfivedifferentanti-strippingmeasures，creeptestsanddynamicmodulustestswereconductedonthecompositestructureofgraniteasphaltmixture.Thecreeplawsofthestructureunderdifferentschemesandtemperatures，thedynamicmodulusofthemixturestructure，andthedynamicmodulusofthemixtureundervariousloadingfrequencieswereanalyzed.Theinfluenceofdifferentanti-strippingmeasuresonthemechanicalpropertiesofgraniteasphaltmixturewascomparedandanalyzed，providingabasisfortheapplicationofgraniteinasphaltpavement.

KeyWords：Granite;Asphaltmixture;Anti-strippingmeasures;Multiplecreep;Dynamicmodulus

随着应用于沥青路面的优质的碱性集料不断减少和众多学者对酸性集料应用于沥青混合料的不断深入研究，对沥青混合料的研究已不仅仅局限于某种混合料或某种原材料的单独评价。为了更真实地模拟混合料在服役过程中的受力状态，科研工作者开发出了越来越多的试验方法。本研究采用与实际服役状态相同的层状复合结构，研究不同抗剥落措施下的花岗岩沥青混合料力学性能，从中优选出性能较优抗剥落措施。

1复合结构试件设计

1.1复合结构混合料

复合结构试件模拟沥青路面上、下面层结构，上面层采用AC-10沥青混合料，下面层采用AC-16沥青混合料，首先采用基质沥青按照热拌沥青混合料配合比设计方法对两种混合料进行了配合比设计，最终确定的AC-10和AC-16混合料矿料级配如表1、图1、图2所示。

1.2双层复合结构试件方案

研究采用AC-10上面层+AC-16下面层的双层复合结构，同时为对比几种抗剥落措施的影响，复合结构下面层采用的AC-16混合料，沥青只采用70-A道路石油沥青，填料全为矿粉：消石灰粉（4∶3），而上面层AC-10采用不同的沥青及填料，具体组合方案如表3所示。

1.3复合结构试件成型方法

多重蠕变试验和动态模量试验采用试件尺寸均为φ100mm×150mm，这种尺寸试件无法通过成型直接获得，一般是先用旋转压实仪成型直径为150mm的圆柱形试件，成型高度控制在（170±2）mm，成型时按照上面层与下面层厚度比为3∶5的比例计算各自所需混合料质量，首先在下部装入AC-16所需混合料，采用旋转压实仪进行8次初压，之后按照计算质量装入AC-10混合料，成型好的试件下面层AC-16厚度应为106.25mm，上面层AC-10厚度应为63.75mm。根据蠕变试验与动态模量试验试件φ100mm×150mm尺寸要求，成型φ150mm×170mm后用取芯机钻芯取直径100mm试件，再用切割机切掉上下面多余的高度，切割好的试件上面层厚度应为56.25mm，下面层厚度应为93.75mm，误差应在2mm范围内。试件成型如图3所示。

2力学性能试验

2.1重复加载蠕变试验

为更好地模拟实际路面结构受力状态，研究采用能够反映沥青混合料黏弹塑性的蠕变试验，测定沥青混合料的流变特性。重复加载蠕变试验的荷载作用次数与永久变形的典型关系曲线图如图4所示，由此可以看到，永久变形曲线可以明显分为三个阶段：第一段为迁移期，永久变形迅速增大，增量逐渐减小；第二段为稳定期，永久变形缓慢增大，其增量基本保持不变；第三段为破坏期，永久变形再一次迅速增大，其增量也逐渐增大，材料出现塑性流动破坏，把第二变形段过渡到第三变形段的曲线拐点称为流动数FN，FN为应变随荷载作用次数的变化率最小的点所对应的荷载作用次数，它反映了混合料进入剪切流动阶段的起点。通过对重复荷载蠕变试验曲线的回归分析，可以获得代表混合料永久变形性能的诸多参数[1-3]。

根据国内外重复加载蠕变试验经验，取间歇时间为0.9s，加载频率10Hz，荷载作用时间就为0.1s[4]；依据相关研究夏季高温时节沥青路面可能达到的温度水平，试验温度选择30℃、45℃和60℃这3种温度水平[5]；试验荷载波形采用更能反映路面实际荷载的半正弦波[6]，荷载应力水平采用与常规车辙试验相对应的700kPa压应力[7]。

2.2动态模量试验

动态模量是表征沥青混合料黏弹性能的又一参数，它能够表征沥青混合料的基本的松弛和蠕变特性。美国合作公路研究项目成果表明复合试件的动态模量试验数据能很好地反映沥青混合料的抵抗水变形和疲芳开裂的能力。

对于试验采用周期性波动的动态荷载，混合料的动态模量将由动态荷载的应力振幅与为其应变振幅的比值进行表征。研究对6种结构采用简单性能试验机进行动态模量试验，试验分别在无围压的20℃、35℃、和50℃环境中，对试件加载连续无间歇的半正矢波形荷载，每个试件均从0.1～25Hz间的9个不同荷载频率进行加载，每个频率正式加载前，均进行10次预压，之后进行10次正式加载。通过试验采集的荷载应力、温度、轴向应变和时间等数据，计算获得混合料的动态模量和相位角，并对其随加载频率和试验温度的变化规律进行分析。

3试验结果分析

3.1蠕变试验结果

多重蠕变试验重复加载次数为混合料永久变形达到50000με时对应的加载次数，但SPT简单性能试验机最大重复加载次数为20000次，试验过程会存在以下几种情况：（1）混合料永久变形达到50000με时重复加载次数小于等于20000次，记录变形达到50000με时所对应的加载次数；（2）重复加载20000次时，混合料永久变形仍未到50000με，则记录重复加载20000次时混合料的永久变形量[8]，试验结果汇总如表4所示。

（1）六种结构方案中，混合料永久变形达到50000με时试验结束的，随着温度的升高，混合料重复加载的次数逐渐减小；对于混合料重复加载20000次，混合料永久变形低于50000με的，随着温度的升高，混合料的永久变形逐渐增大。这两种情况说明，温度对混合料结构抵抗永久变形的能力影响甚大。

（2）六种结构方案在3种不同温度条件下，混合料永久变形的变化规律基本相同，均表现出采用偶岩复合改性沥青的方案六最优，不进行任何改性的方案一最差，其他4种方案均介于方案六和方案一之间，表现为方案五（5%岩改沥青）优于方案三（SBS改性沥青）优于方案四（界面联结剂）优于方案二（0.3%硅烷偶联剂），说明偶岩复合改性沥青改善混合料抗永久变形的能力均优于单一改性剂改性沥青或改性剂加消石灰粉的方案。

3.2动态模量实验结果

（1）方案一（70-A）双层沥青混合料动态模量试验结果见表5。

（2）方案二（0.3%硅烷偶联剂）沥青混合料动态模量试验结果见表6。

（3）方案三（SBS改性沥青）沥青混合料动态模量试验结果见表7。

（4）方案四（界面联结剂）沥青混合料动态模量试验结果见表8。

（5）方案五（5%岩改沥青）沥青混合料动态模量试验结果见表9。

（6）方案六（偶岩复合改性沥青）沥青混合料动态模量试验结果见表10。

（1）六种方案沥青混合料的动态模量均随加载频率的增加和试验温度的降低而增大。

（2）各方案沥青混合料在温度相同情况下，动态模量随着加载频率的增加而增大，且增大的变化率逐渐减小，分析原因，是因为在应力加载频率增加过程中，沥青混合料的黏性降低，弹性增强；在相同加载频率情况下，动态模量随试验温度的下降逐渐增大，且增大的速率逐渐变大，究其原因，混合料温度下降时，沥青的劲度模量增大，回弹能力增加，动态模量增大。

（3）6种方案沥青混合料相位角随试验温度的增加先增大后减小，随试验荷载加载频率的减小也是先增大后减小，这与理论分析结果有所不同。据分析，当温度增加或荷载加载频率减小时，混合料的弹性降低、黏性增加，相位角理应表现为增大趋势。经过进一步分析，沥青混合料的性能主要受沥青和矿料级配的影响，当温度较高时，沥青的黏性下降，对混合料性能的影响程度下降，矿料级配对混合料性能的影响程度上升，而矿料分属于弹性材料，其相位角为零，所以混合料的相位角减小；当温度较低时，沥青的黏性增加，沥青对混合料性能的影响程度增加，矿料级配对混合料性能的影响比例相对下降，混合料的相位角增加。

（4）当温度为20℃时，6种方案沥青混合料的动态模量均表现为随荷载频率的减小而减小，且变化的速率逐渐变大，较小的荷载频率符合停车场或者慢速车道等工况下的情况，这就是这种工况下较易形成车辙等病害的原因[8]。当试验荷载频率为5Hz时，6种方案混合料的动态模量均随温度的升高而减小，这是高温季节路面更易形成车辙病害的原因。

4结论

本研究采用两种级配沥青混合料和6种不同抗剥落措施，通过制作复合结构试件模拟路面结构受力状态，采用蠕变试验和动态模量试验研究了花岗岩沥青混合料的力学性能，主要得出以下结论。

（1）从多重蠕变试验结果可以看出，天然岩沥青作为改性剂掺入基质沥青中可以有效改善沥青混合料抵抗重复荷载变形的能力，达到提高混合料高温性能的效果，尤其是高温抗车辙的能力明显得到改善。

（2）沥青混合料的性能受沥青性能和矿料嵌挤作用的双重作用，在高温或低频情况下，沥青的黏性影响降低，矿料骨架的影响升高，混合料相位角下降；在低温或高频情况下则相反，沥青的黏性起主导作用，混合料相位角增大。

参考文献

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