浅谈沥青混合料动态模量的研究现状

浅谈沥青混合料动态模量的研究现状

刘超

山东建筑大学济南

我国旧沥青路面设计规范把静态模量作为路面结构设计的一个重要参数，众所周知，静态模量是指荷载作用非常慢时，试件产生的应力与荷载作用下产生的应变之间的比值，不受温度和加载频率等因素的影响，理论上是一个固定不变的值。所以静态模量不能充分描述沥青路面在受到行车荷载时的力学响应。沥青混合料作为一种典型的粘弹性材料，在受到动态的行车荷载时会产生一种动态的力学响应，我们把这种力学响应成为动态模量。

上世纪60年代Seet等人在路面结构设计和研究中引入了动态模量这一概念。他针对动态三轴试验，将材料的动态模量定义为轴向应力的振幅与相应轴向应变振幅的比值。公式如下：

1、动态模量国外研究现状

国外对沥青混合料动态模量的研究起步较早，20世纪60年代初期国外多家科研机构和院校已经开始对沥青混合料动态模量进行科学的试验研究，1962年Seet等人在路面结构设计和研究中引入了动态模量这一概念。他针对动态三轴试验，将材料的动态模量定义为轴向应力的振幅与相应轴向应变振幅的比值。

这一概念的提出被广大公路学者所认可，此后，各国的学者们对于路面材料的动态力学参数和动态特性展开了大量的研究，在长达几十年的动态力学性能研究过程中，由于路面材料的复杂性，各国学者从原材料特性、混合料配比、试件的尺寸、加载频率、试验温度以及试验方法等方面对路面材料动态模量的影响进行了大量的研究[1]。

AASHTO设计指南经历了1972、1986年等多个版本，但是由于设计方法落后，考虑因素不全很难适应现代设计工作。最新的AASHTO（200X修订版）以力学经验为设计基础，能够提供各地不同设计条件下的沥青路面设计方法，对各种沥青路面提供一个通用的设计方法。AASHTO（200X修订版）反映了气候环境、交通、路基、可靠性等的共同的设计要求。设计方法采用参数输入，包括交通量、材料、气候，其中材料的输入参数采用实测或按经验公式得到的沥青混合料动态模量以及路基与基层的弹性模量。在永久变形（车辙）预测模型、疲劳开裂预测模型和温度开裂预测模型中，沥青混合料动态模量都是作为基本的输入参数使用的[2]。

SHRP（美国公路战略研究计划）由美国国家科学研究院（NRC）、联邦公路局（FHWA）和美国公路和运输工作者协会（AASHTO）耗时五年、耗资一亿五千万共同合作于1993年完成，在计划实施过程中研发了SPT试验方法，其中动态模量测试采用动态重复荷载的方法，此法中荷载波形为Haversine波，荷载频率为10Hz，加载间歇时间为0.9秒[3]。

比利时通过梁式试件弯曲试验获得材料的劲度模量，通过分析加载频率、温度、粒料体积和混合料的空隙率对试验结果的影响，对于不同温度，选取不同的沥青层厚度，以此来确定沥青混合料的设计动态模量值[4]。1987年英国运输部所采用的动态模量也充分考虑了加载频率和温度的影响[5]。

2、动态模量在我国的研究现状

我国在沥青混合料动态模量研究方面起步较晚，在较长的时间内我国的路面设计体系一直是由静态理论来支撑，随着国内众多科研机构和学者在沥青路面材料动态模量试验方法、动态特性、路面结构动态力学响应以及动态模量反算等方面的不断深入研究，我国的路面设计体系已经成功的由静态理论设计向动态理论设计转变。

2008年韦金城，王林，马士杰[6]分析研究了温度和加载频率对多空隙大碎石沥青混合料动态模量的影响，并根据时温置换原理绘制了动态模量和相位角主曲线，通过试验结果与Witczak模型预估值的比较，指出了Witczak模型对多空隙大碎石沥青混合料动态模量预估得不适用性。2009年张慧昕[7]利用分段平均处理法对室内外沥青混合料动态模量试验数据进行线性回归分析，得到其相关系数为0.7。2010年马士杰等人[8]针对Witczak预估模型对多空隙大碎石沥青混合料动态模量的不适用性的情况，开展了多水平、多因素的动态模量试验，并对试验结果进行回归分析，建立了适用于多空隙大碎石沥青混合料动态模量的预估模型。任瑞波等人[9]在2011年研究了稳定型橡胶改性沥青混合料的动态模量，通过动态模量实测值与利用修正后的Witczak预估模型的预测值比较分析得出修正后的Witczak预估模型对稳定型橡胶改性沥青混合料动态模量具有较好的适用性。

2012年万成，张肖宁等人[10]利用工业CT技术与数值模拟技术相结合的方式，进行不同温度和频率下的沥青混合料间接拉伸动态模量数值模拟，通过比较发现模拟值与实测值吻合较好，得出了基于三维细观尺度预测沥青混合料动态模量的方法切实可行。胡家波等人[11]利用简单性能试验机（SPT）对热再生沥青混合料和普通热拌沥青混合料进行动态模量试验，分析了两种沥青混合料动态模量影响因素的一致性，并根据时温转换原理借助西格摩德函数拟合两种混合料的动态模量主曲线，发现热再生沥青混合料动态模量与普通热拌沥青混合料基本相当。2015年谭忆秋等人[12]为了解决路面取芯试件尺寸无法满足动态模量试验要求的问题，提出了一种快速、无损的试验方法——无约束共振法，适用于高径比小于0.5的沥青混合料圆柱体试件，通过试验分析得到传感器位置以及试件尺寸对试验结果造成的影响较小，并验证了无约束共振法与传统试验方法的相关性较好。黄优，刘朝辉等[13]选取70#基质沥青和SBS改性沥青两种沥青材料、两种级配类型组成四种沥青混合料，分别对四种混合料进行SPT动态模量试验和梯形梁动态模量试验，分析试验数据得到SPT试验和梯形梁试验的动态模量主曲线变化趋势一致，但存在明显不同；通过回归分析软件对两种试验方法的试验结果进行二阶多项式回归，相关系数均在0.999以上。

3、动态模量研究存在的问题

近年来国内对动态模量的研究取得了不少成果，但如何将动态模量指标明确引入沥青路面设计和评价分析中还需要进一步的研究。建立适应不同温度条件，不同路面结构的动态模量预估模型还需对不同地区，不同特征的路面沥青混合料进行不断的试验和研究。由于动态模量还和混合料的疲劳，低温开裂有关，在混合料设计时如何选择一个适当的代表温度显得至关重要。沥青混合料动态模量试验过程繁杂，是否可以在试件制备和尺寸选取上采用简单易操作经济合理的形式还有待进一步的研究。沥青用量、空隙率、结合料类型、集料级配和类型等因素对动态模量的敏感度分析还需要深入分析。

参考文献

[1]黄优.沥青混合料梯形梁动态模量试验研究[D].长沙：长沙理工大学硕士学位论文，2015.04.

[2]AASHTOTP62-03，StandardMethodofTestforDeterminingDynamicModulusofHot-MixAsphaltConcreteMixture[S].

[3]曾梦澜，刘涛，AaronD.Mwanza.沥青路面JTJ014与AASHTO设计方法比较[J].中南公路工程，2004（04）：14-19.

[4]崔德荣.温度及加载频率对沥青混合料模量的影响研究[D].重庆交通大学，2017.

[5]王旭东，沙爱民，许志鸿.沥青路面材料动力特性与动态参数[M].北京：人民交通出版社，2002.

[6]韦金城，王林，马士杰.多孔隙大碎石沥青混合料动态模量试验研究[J].石油沥青，2008，22（1）：15-19.

[7]张慧昕.沥青混合料室内外动态模量相关性研究[J].公路，2009，（7）：345-349.

[8]马士杰，付建村，韦金城等大粒径透水性沥青混合料动态模量预估模型研究[J].公路交通科技，2010，27（5）：36-40，46.

[9]任瑞波，王立志，耿立涛。稳定型橡胶改性沥青混合料动态模量试验与预估[C].第五届（2011）国际路面养护技术论坛论文集.山东建筑大学，2011：115-119.

[10]万成，张肖宁，贺玲凤，等.沥青混合料动态模量数值预测方法[J].中国公路学报，2012，25（4）：16-21，28.

[11]胡家波，樊亮，武剑峰.热再生沥青混合料动态模量试验研究[J].公路工程2014，（5）：122-125，130.

[12]谭忆秋，傅锡光，马韶军，等.基于无约束共振法沥青混合料动态模量试验研究[J].土木工程学报，2015，48（12）：116-122.

[13]黄优，刘朝晖，王旭东等.沥青混合料动态模量梯形梁与SPT试验比较研究[J].中南大学学报（自然科学版），2017，48（11）：3092-3099.