瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變模量與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

1、第 12卷第 6期 2009年 12月建 筑 材 料 學(xué) 報(bào)J OU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL SVol. 12, No. 6Dec. ,2009收稿日期 :2008211212; 修訂日期 :2009203211基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50678183第一作者 :樊統(tǒng)江 (1954 , 男 (土家族 , 重慶人 , 重慶交通大學(xué)教授 , 國(guó)務(wù)院政府津貼獲得者 . 主要從事道 、 橋、 隧等特種鋪裝工程和高性能材料研究 . E 2mail :ftj.163163. com ; Tel 13452088718 文章編號(hào) :

2、100729629(2009 0620667205瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變模量與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系樊統(tǒng)江 , 何兆益(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院 , 重慶 400074摘要 :研究了分別基于 AC13和 AC25優(yōu)化出的 9組級(jí)配 、 SBS 改性中海 70#瀝青和中海 70#瀝青兩種結(jié)合料 、 花崗巖和石灰?guī)r兩種集料以及 50,70mm 兩種車轍試件厚度等條件下的瀝青混合料 動(dòng)穩(wěn)定度 (DS 與車轍模量 (E DS , E DS 與動(dòng)態(tài)蠕變勁度模量 (S dy , S dy 與 DS 這三者的關(guān)系 . 結(jié)果表 明 , 不同瀝青混合料的 S dy 與采用厚度匹配的車轍試件 DS 之間存在良好的相關(guān)性 .

3、 因此可以將 DS 轉(zhuǎn)換為 S dy , 并用其作為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù) .關(guān)鍵詞 :級(jí)配 ; 瀝青混合料 ; 動(dòng)穩(wěn)定度 ; 車轍模量 ; 動(dòng)態(tài)蠕變勁度模量 ; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù) 中圖分類號(hào) :U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :ACorrelation of Dynamic Creep Stiffness Moduluswith Dynamic Stability of MixturesFA N Tong 2j i an H (School of Civil Architecture , 400074,China Abstract :(of ures can better characterize

4、 anti 2rutting behavior of asp halt pavement at ure but can not be used as a design parameter to calculate t he st ruct ure t hickness of asp halt pavement s. However , it can be t ransformed into rutting modulus (E DS to find t he relationship between dynamic creep stiff ness modulus (S dy and DS.

5、The relationship s between DS and E DS , E DS andS dy , S dy and DS of asp halt mixt ures were examined , in which 4set s of gradation AC13using Zhonghai as 2p halt 70#modified wit h SBS and granite aggregate and 5set s of gradation AC25using Zhonghai asp halt 70#and lime stone aggregate were used.

6、The rut specimen s t hickness of 50, 70mm for AC13and AC25were used. The result s show t here exist a good relationship between S dy and DS of asp halt mixt ures for u 2sing matching wheel t racking test specimens and it is concluded t hat DS can be t ransformed into S dy as a de 2sign parameter to

7、calculate t he st ruct ure t hickness of asp halt pavement s.K ey w ords :gradation ; asp halt mixt ure ; dynamic stability (DS ; rutting modulus (E DS ; dynamic creep stiff ness modulus (S dy ; st ruct ure design parameter 輪轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度 (DS 能較好地反映瀝青 路面的高溫抗車轍行為 , 而且試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單 , 設(shè)備費(fèi) 用低 , 是目前國(guó)內(nèi)外普遍用來(lái)研究瀝青混合料高溫

8、穩(wěn)定性能的方法之一 124. 可是 DS 表達(dá)的是瀝青混 凝土單位變形所承受的車輪作用次數(shù) , 雖然能形象 地表達(dá)路面的行車作用行為但不是力學(xué)指標(biāo) , 因此 在瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算時(shí)不能將其作為一個(gè)計(jì)算 參數(shù)輸入 , 通常使用的是瀝青混合料的蠕變勁度模 量 . 曾有研究者基于單軸靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)方法的簡(jiǎn)單 性 , 提出以單軸靜態(tài)蠕變勁度模量作為瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算參數(shù) . 文獻(xiàn) 5嘗試研究了單軸靜態(tài)蠕變 勁度模量與輪轍試驗(yàn)的 DS 之關(guān)系 , 結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩 者的相關(guān)系數(shù)只有 0. 5912, 并不理想 . 隨著研究技 術(shù)的發(fā)展 , 有學(xué)者認(rèn)為動(dòng)態(tài)蠕變勁度模量 (S dy 更能 反映瀝青路面的行車作

9、用行為 . 能否將輪轍試驗(yàn)的 DS 與 S dy 建立起相關(guān)性 ? 為此本文基于文獻(xiàn) 526的試驗(yàn)結(jié)果 , 對(duì) 4組 AC13級(jí)配和 5組 AC25級(jí)配 的瀝青混合料 S dy 與 DS 的關(guān)系進(jìn)行了擬合 , 發(fā)現(xiàn)不 同瀝青混合料的 S dy 與采用厚度匹配的車轍試件的 DS 之間存在著良好的相關(guān)性 , 因此提出將 DS 轉(zhuǎn)換 為 S dy , 并用其作為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù) . 值得注意的是 ,DS 的單位是次 /mm , 而 S dy 的 單位是 M Pa. 因此 , 筆者提出將 DS 轉(zhuǎn)換為車轍模量 (E DS , 然后建立 S dy 與 E DS 的關(guān)系 , 從而將 DS 與 S d

10、y 聯(lián)系起來(lái) , 解決了這兩者度量單位不一致的問(wèn)題 .1 車轍模量 E DS 的定義DS 的計(jì)算公式為 7:DS =N C 1C 2d 60-d 45(1 式中 :d 45, d 60分別為對(duì)應(yīng)于時(shí)間 t 1(45min 和 t 2 min 的變形量 ,mm ; C 1以 0,C 2, 試驗(yàn) 室制備 3001. 0, 從路面切割 150 mm 寬的試件取 0. 8; N 為試驗(yàn)輪往返碾壓速度 , 通 常為 42次 /min.由式 (1 可知 ,DS 是以 t 2與 t 1的變形量之差來(lái) 反映瀝青混合料在試驗(yàn)溫度下承受荷載作用能力的 大小 , 實(shí)際上反映了瀝青混合料的模量在試驗(yàn)溫度 下的變化趨勢(shì)

11、 . 假定在試驗(yàn)溫度下 , 隨著瀝青混合料 的變形 , 其試驗(yàn)輪的接觸面積 A DS 保持不變 , 這時(shí)可 以近似地把瀝青混合料內(nèi)部某一點(diǎn)的平均應(yīng)力看成 為是試驗(yàn)輪所施加的壓強(qiáng) p DS (0. 7M Pa 對(duì)接觸面積 A DS 的積分與 A DS 之比 , 即 DS = A DSp DS d A DS A DS, 并以 此 平 均 應(yīng) 力 與 t 2, t 1時(shí) 的 應(yīng) 變 之 差 (60-45=(d 60-d 45 /h , 其 中 h 為 車 轍 試 件 厚 度 , mm 之比來(lái)描述瀝青混合料在試驗(yàn)溫度下承受荷 載作用能力的大小 , 則該值與 DS 的概念是完全等 效的 , 并將此值定義

12、為車轍模量 E DS , 即 : E DS =60-45=A DSp DS d A DS(d 60-d 45 /h=hA DSp DS d A DS A DS (d 60-d 45 (2或者d 60-d 45=h A DS 0p DS d A DS(3 將式 (3 代入式 (1 得 :DS =E DS A DS N C 1C 2h A DS 0p DS d A DS (4 或者E DS =DS hA DSp DS d A DS(t 2-t 1 A DS N C 1C 2(5 目前我國(guó)的車轍試驗(yàn)機(jī)大多為曲柄連桿驅(qū)動(dòng)行 走方式 , 試驗(yàn)室制備的試件尺寸為 300mm ×300 mm &#

13、215;h mm , 故 C 1, C 2均取為 1. 0; t 2-t 1=15min , N =42次 /min , p DS =0. 7M Pa , 代入式 (5 可得 : E DS =0. 00111DS h (6 假定瀝青混合料的 S dy 與 E DS 有線性關(guān)系 : S dy =K 1E DS +K 2將式 (6 代入 , 則有 :S =0. K h +K 2(7 1, .dy試驗(yàn)材料及方法2. 1 材料本研究使用的材料與文獻(xiàn) 526相同 , 即上面層 用 SBS 改性中海 70#瀝青和花崗巖集料 , 下面層用 中海 70#瀝青和石灰?guī)r集料 , 其性能指標(biāo)均滿足交 通部規(guī)范要求

14、8.2. 2 試驗(yàn)方法AC13型和 AC25型瀝青混合料的級(jí)配和最佳 油石比與文獻(xiàn) 526相同 .AC13型和 AC25型瀝青混合料的車轍試驗(yàn)過(guò) 程見(jiàn)文獻(xiàn) 5.動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn) , 對(duì)于 AC13的 4種級(jí)配和 AC25的 5種級(jí)配 , 主要進(jìn)行 40 , 荷載應(yīng)力水平為 0. 1M Pa 的 S dy 試驗(yàn) . 采用以 輪碾成型的塊狀試件所鉆取的芯樣作為動(dòng)態(tài)蠕變?cè)?件 , 并將其兩端磨平達(dá)到 63. 5mm 厚度 (此厚度為 動(dòng)態(tài)蠕變?cè)嚰暮穸?, 與下面的車轍試件厚度無(wú)關(guān) 再測(cè)定其密度 . 所有試件的空隙率控制為 3. 8% 4. 2%.試驗(yàn)采用正弦波 , 頻率為 0. 5Hz.

15、試驗(yàn)設(shè)備 采用英國(guó) Cooper 公司的 NU 23型氣動(dòng)伺服試驗(yàn)機(jī) , 傳感器的測(cè)量精度為 0. 001%.試驗(yàn)時(shí)在試件的上 、 下表面墊上光滑的聚四氟乙烯塑料薄膜 , 以便消除 接觸面摩擦對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響 . 所有數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī) 采集和處理 .866建 筑 材 料 學(xué) 報(bào) 第 12卷 3 試驗(yàn)結(jié)果AC13,AC25兩種級(jí)配類型下的車轍試件 (厚 度分別為 50,70mm DS 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 1; 這些試件 所對(duì)應(yīng)的最佳級(jí)配的 S dy 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn) 6.4 結(jié)果分析和討論4. 1 級(jí)配的影響由試驗(yàn)結(jié)果可以看出 , 不管是粗級(jí)配 (AC25 還 是細(xì)級(jí)配 (AC13 , 只要級(jí)配有輕微變化

16、, 對(duì)瀝青混 合料的 DS 值和 S dy 值都有較大影響 , 前后相差可達(dá) 數(shù)倍之多 , 且對(duì)粒徑較小的級(jí)配影響更為嚴(yán)重 . 如厚 度同為 50mm 時(shí) ,AC1321試件的 DS 值及 S dy 值 6就分別是 AC1322試件的 8. 3倍和 3. 6倍 ; 厚度同 為 70mm 時(shí) ,AC2525試件的 DS 值和 S dy 值 6則分 別是 AC2521試件的 1. 9倍和 1. 4倍 .4. 2 DS 與 E DS 的關(guān)系圖 2是按式 (6 將不同厚度車轍試件的 DS 試 (a AC13 group (b 圖 1 AC13,AC25DS Fig. 1 DS AC25驗(yàn)數(shù)據(jù)換算為 ,

17、配的影響 , 值與 E DS 值之間仍具有良好的相關(guān)性 (R 2達(dá) 0. 9以上 .圖 2 AC13,AC25級(jí)配類型下厚度不同試件的 DS 值與E DS 值之關(guān)系Fig. 2 Relationship between DS and E DS for the differentstructural thickness (50,70mm of AC13and AC254. 3 E DS 與 S dy 的關(guān)系圖 3為 AC13,AC25兩種級(jí)配類型下 , 不同厚度試件的 E DS 與 S dy 的關(guān)系 . 由圖 3可見(jiàn) , 它們的 E DS值與 S dy 值受試件厚度與集料粒徑不匹配的影響更大 .

18、 小粒徑級(jí)配 (AC13 由于使用的車轍試件厚度都大于集料粒徑的 3倍以上 , 故試件厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小 , 其 E DS 值與 S dy 值的相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0. 8以上 ; 大粒徑級(jí)配 (AC25 的 50mm 厚度試件因其厚圖 3 AC13,AC25級(jí)配類型下厚度不同試件的 E DS 值與 S dy 值之關(guān)系Fig. 3 Relationship between E DS and S dy for the different structural thickness (50,70mm of AC13and AC25度只有集料粒徑的 2倍 , 尺寸效應(yīng)明顯 , 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果 影響較大 ,

19、故其 E DS 值與 S dy 值的相關(guān)系數(shù)只有約 0. 3. 但如果將 AC25級(jí)配瀝青混合料的 50mm 厚 試件及 AC13級(jí)配瀝青混合料的 70mm 厚試件的 E DS 數(shù)據(jù)去掉后 , 則剩余試件的 E DS 值與 S dy 值相關(guān) 系數(shù)即顯著提高 (R 2近 0. 9 , 如圖 4所示 . 表明在瀝 青混合料的集料粒徑與車轍試件厚度相匹配的情況 下 , 瀝青混合料的 E DS 值與 S dy 值相關(guān)性良好 . 4. 4 S dy 與 DS 的關(guān)系圖 5給出了各試件 DS 值與 S dy 值直接相關(guān)的 結(jié) 果 . 由圖 5可見(jiàn) , 無(wú)論哪種級(jí)配類型 , 當(dāng)車轍試件 966 第 6期 樊

20、統(tǒng)江 , 等 :瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變模量與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系 圖 4 AC13級(jí)配車轍試件 (厚 50mm 和 AC25級(jí)配車轍試 件 (厚 70mm 的 E DS 值與 S dy 值之關(guān)系Fig. 4 Relationship between E DS and S dy of AC13(h =50 mm and of AC25(h =70mm 厚度相同時(shí) , 其 DS 值與 S dy 值都表現(xiàn)出良好的相關(guān) 性 . 其中 AC13組的相關(guān)系數(shù)最高可達(dá) 0. 9909, AC25組的相關(guān)性略差 . 如果將 AC13組 70mm 厚 試件和 AC25組 50mm 厚試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)去掉 , 則 剩余試件的

21、 DS 值與 S dy 值相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0. 9265, 表現(xiàn)出非常良好的線性關(guān)系 , 似乎并不受結(jié)合料 、 級(jí) 配和集料等因素的影響 , 如圖 6所示 . 因此可以認(rèn) 為 , 通過(guò)對(duì)不同級(jí)配 、 不同結(jié)合料和不同集料的瀝青 混合料采用匹配的車轍試件厚度進(jìn)行大量車轍試驗(yàn) 和動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)后所建立的 E DS 與 S dy 或 DS 與 S dy 的關(guān)系都是可行的 , 從而可以用 S dy 指標(biāo)來(lái)代替 DS 指標(biāo)并引用到瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算和分析中 . (a AC13 group (b AC25group圖 5S dy 值與 DS 值之關(guān)系5S dy DS for the different st

22、ructural thickness of AC13and AC25圖 6 AC13級(jí)配車轍試件 (厚 50mm 和 AC25級(jí)配車轍試件 (厚 70mm 的 S dy 值與 DS 值之關(guān)系Fig. 6 Relationship between S dy and DS of AC13(h =50mm and of AC25(h =70mm 為此筆者建議 , 在進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)時(shí) , 可參考本文得到的公式 :DS =98. 145S dy -820. 36(7或S dy =0. 0102DS +86. 8106(8利用車轍動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)估瀝青混合料的 S dy值 , 并將其代入相關(guān)瀝

23、青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序中 , 從而初擬出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度 .需要指出的是 , 進(jìn)行瀝青混合料車轍試驗(yàn)時(shí) , 必須考慮集料粒徑與試件厚度的匹配性 . 我國(guó)目前提 出的車轍檢驗(yàn)指標(biāo)無(wú)論是對(duì)粗級(jí)配還是細(xì)級(jí)配 , 都 是在 50mm 厚度試件基礎(chǔ)上制定的 , 并未考慮粒徑 對(duì)結(jié)構(gòu)形成的影響以及由此帶給試驗(yàn)結(jié)果的誤差 . 本研究中 AC25的最大粒徑采用上限值 , 即其最大 粒徑為 26. 5mm , 所以采用 70mm 的試件厚度能基 本滿足厚度應(yīng)為最大粒徑 2. 5倍的要求 .5 結(jié) 語(yǔ)1. 可以將瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度 DS 轉(zhuǎn)換成車 轍模量 E DS , 從而賦予了 DS 明確的力學(xué)概念 . 2. 在適宜

24、的試件厚度下 , 瀝青混合料的 DS 與 動(dòng)態(tài)蠕變勁度模量 S dy 之間具有良好的相關(guān)性 , 其擬 合公式的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá) 0. 9909(AC13 和 0. 9265(級(jí)配不同時(shí) . 因此在工程上可以利用本文 提出的公式和相關(guān)瀝青路面設(shè)計(jì)程序 , 采用與路用 性能相關(guān)性好的車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)初擬瀝青路面的結(jié) 構(gòu)厚度 .3. 本文提出的公式僅限于與本研究類似的條 件下使用 . 通用公式還需要考慮更多瀝青結(jié)合料 、 集 料 、 級(jí)配種類以及每種級(jí)配所對(duì)應(yīng)的最適宜車轍試 076建 筑 材 料 學(xué) 報(bào) 第 12卷 件厚度和動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)的試件高度等影響因素 , 同 時(shí)要考慮到不同試驗(yàn)的重現(xiàn)性 . 因此

25、還需要開(kāi)展進(jìn) 一步的試驗(yàn)研究 .參考文獻(xiàn) :1 NIEV EL T G , T HAMFALD H , 張家 . 用輪轍試驗(yàn)方法評(píng)述 不同路面結(jié)構(gòu)及瀝青混合料的抗變形性能 J.石油瀝青 ,1991 (2 :58263.NIEV EL T G , T HAMFALD H ,ZHAN G Jia 2sheng. Evaluation of anti 2deformation performance for t he different pavement structure and asphalt mixture wit h wheel t racking test J.Pe 2 troleum A

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