劉惠兵

（山西路橋第三工程有限公司，山西 忻州 034000）

0 引言

細集料瀝青混合料可作為超薄罩面層和下封層，廣泛應用于路面預防性養(yǎng)護。細集料瀝青混合料按集料粒徑大小可分為：粗的細集料瀝青混合料，細集料瀝青混合料和超細的細集料瀝青混合料[1]，選擇最大粒徑為4.75 mm的細集料瀝青混合料作為主要研究對象。

細集料瀝青混合料黏彈特性顯著，其動態(tài)力學性能更加不容忽視。瀝青混合料的動態(tài)力學性能是指材料在外界交替變化的應力作用下的力學響應，主要包括：動態(tài)模量、動穩(wěn)定度、疲勞壽命等。其中混合料動態(tài)模量是路面設計的基本依據(jù)，為路面結構有限元分析提供了基礎數(shù)據(jù)。瀝青混合料動態(tài)模量作為混合料工程應用的基礎數(shù)據(jù)，其重要性不言而喻。南京林業(yè)大學周鍵煒[2]利用時間-溫度置換原理確定了瀝青混合料動態(tài)模量主曲線，并分析了瀝青混合料黏溫特性。長沙理工大學羊明[3]從影響瀝青混合料動態(tài)模量的眾多因素出發(fā)，研究了各因素對瀝青混合料黏彈特性的影響和動態(tài)模量的回歸方程。東南大學馬翔等[4]利用簡單的力學儀器測試了多種瀝青混合料的動態(tài)模量，并分析了頻率和溫度對混合料動態(tài)模量的影響，結合規(guī)劃求解得出動態(tài)模量主曲線。南京林業(yè)大學李強[5]采用不同受力模式對3種瀝青混合料進行動態(tài)模量試驗，分析圍壓、應力水平、受力模式等因素對動態(tài)模量主曲線的影響，并通過模型分析各因素對移位因子的影響，認為二次擬合可以消除主曲線上動態(tài)模量的極值對移位因子的影響。江蘇省交通科學研究院趙延慶[6]對瀝青混合料動態(tài)模量季節(jié)性變化規(guī)律進行了研究，認為混合料動態(tài)模量呈現(xiàn)出季節(jié)性變化規(guī)律，最大、最小日平均動態(tài)模量可相差14倍以上，隨著路面深度的增加，動態(tài)模量的季節(jié)性變化規(guī)律逐漸減弱。目前，國內(nèi)外有大量學者通過萬能材料測試系統(tǒng)研究瀝青混合料的動態(tài)模量，但是大多停留在大粒徑級配混合料，如 AC-13、SMA-13、AC-20、AC-25 等[7-8]；利用彎曲梁流變儀研究低溫勁度模量，評價低溫抗裂性[9-11]。對細集料瀝青混合料的研究主要集中在橋面防水層、下封層、抗滑磨耗層、路面坑槽修補等實際應用方面。美國德克薩斯大學Pedro[12]在論文中完整地論述了最大粒徑為1.18 mm的細集料瀝青混合料動態(tài)熱機械儀圓柱形試件的制備方法。Fabiola等[13]利用動態(tài)熱機械儀測試了細集料瀝青混合料的復合剪切模量G*，并通過多種模型分析其主曲線之間的差異。但是利用正交試驗方法研究細集料瀝青混合料的動態(tài)模量，分析不同測試方法對動態(tài)模量的影響卻鮮有報道。

正交試驗方法是一種利用正交表來對試驗進行整體設計、綜合比較、統(tǒng)計分析，實現(xiàn)通過少數(shù)的試驗次數(shù)找到較好的生產(chǎn)條件，以達到最佳效果的統(tǒng)計學方法。吉林大學董偉智[14]利用正交試驗設計方法對瀝青混合料級配曲線、體積指標及路用性能進行了分析，最終確定了瀝青混合料礦料級配的最優(yōu)級配范圍和最佳目標級配。長安大學吳傳海[15]通過正交試驗設計方法確定了瀝青混合料的級配檢驗、優(yōu)化準則及合理體積參數(shù)。正交試驗設計方法的種種優(yōu)點表明，利用正交試驗設計方法對瀝青混合料動態(tài)力學性能進行研究是一個不錯的選擇。

細集料瀝青混合料的動態(tài)力學性能受集料類型、加載頻率、溫度和環(huán)境的影響較大，因此選擇不同集料類型、加載頻率、溫度、環(huán)境條件下細集料瀝青混合料的動態(tài)模量作為研究重點，利用正交試驗方法分析上述因素對動態(tài)模量的影響程度。結合間接拉伸和三點彎曲測試方法分析動態(tài)模量，并評價其相關性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

選用盤錦北方瀝青股份有限公司70號道路石油瀝青、玄武巖集料、安山巖集料、鋼渣等為原材料，具體的性能如表1～表4所示。

表2 玄武巖的基本性能指標

表3 安山巖的基本性能指標

表4 鋼渣的基本性能指標

所用填料為石灰石礦粉，無團聚結塊現(xiàn)象，親水系數(shù)為0.8，塑性指數(shù)為2.5%，具體性能指標見表5。

表5 填料試驗結果

1.2 試驗方法

細集料瀝青混合料級配設計分別選取最大粒徑為4.75 mm的玄武巖、鋼渣和安山巖3種不同類型集料。為了試驗結果的可比性，玄武巖、鋼渣和安山巖的合成級配一致。合成級配曲線如圖1。采用馬歇爾電動雙面擊實75次，制備玄武巖、鋼渣和安山巖3種砂粒式瀝青混合料樣品。玄武巖和安山巖瀝青混合料的油石比確定為7.5；鋼渣瀝青混合料油石比確定為8.5，主要原因是鋼渣表面多孔，凹凸不平，比表面積較大，極易吸收瀝青。

圖1 細集料瀝青混合料的級配曲線

利用動態(tài)熱機械儀（DMA）測試細集料瀝青混合料的動態(tài)模量。DMA測試用混凝土樣品包括圓柱體和長方體兩種試樣。圓柱體試樣直徑為16 mm，高度為25 mm；長方體試樣長為30 mm，寬為10 mm，高為5 mm。圓柱體試樣是利用馬歇爾試件經(jīng)過切割，然后鉆芯取樣獲得的。長方體試樣是通過切割機切成條狀試樣，然后用砂輪磨磨到相應尺寸，最后拋光，使樣品表面光滑平整。紫外老化瀝青混合料的制備：把瀝青混合料放入紫外老化箱（箱內(nèi)溫度60℃，輻照強度73 w/m2），經(jīng)過7 d的紫外光照射所得到的瀝青混合料（武漢一個季度的紫外輻照量）。水損害瀝青混合料的制備：參照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)范中T0729—2000，用容器裝入一定量的混合料，在飽水情況下抽真空15 min，低溫-18℃貯存16 h，再放入60℃溫水中恒溫24 h，再將試樣放入25℃恒溫水槽中恒溫2 h，得到水損害瀝青混合料。

2 結果與討論

2.1 正交試驗設計

正交試驗設計是用部分試驗代替全面試驗，通過對部分試驗的結果進行分析，了解全面試驗的情況。研究工作中，很多情況下不止存在一個因素影響試驗結果，通常會出現(xiàn)多因素。如若進行全面試驗會浪費大量人力和財力。此時可以利用正交試驗設計，并運用極差和方差對數(shù)據(jù)進行分析，尋找最佳試驗條件。

針對本研究工作中可能出現(xiàn)的主要影響因素進行匯總并擇優(yōu)選取：選擇溫度、頻率、環(huán)境和集料類型作為細集料瀝青混合料動態(tài)模量的影響因素。

針對選定因素所處的條件或狀態(tài)即因素水平：溫度（5 ℃，15 ℃，25 ℃）；頻率（0.5 Hz，1.0 Hz，2.0 Hz）；環(huán)境（未處理，紫外老化，水損害）；集料類型（玄武巖，鋼渣，安山巖）。分析過程中以動態(tài)模量為基本指標。正交實驗表L9（34）正好滿足本試驗要求，因此，只需要進行9次試驗即可完成試驗。馬歇爾試樣的動態(tài)模量測試按照我國的規(guī)范進行平行重復試驗，以確保試驗數(shù)據(jù)準確、可靠。按照影響因素和因素水平可得到表6所示的正交試驗表。

表6 細集料瀝青混合料動態(tài)模量分析正交試驗表

按照上述多因素試驗方案表進行試驗，結果如表7所示。

表7 細集料瀝青混合料動態(tài)模量正交試驗結果 MPa

為分析各影響因素對瀝青混合料間接拉伸動態(tài)模量的影響，利用極差分析對數(shù)據(jù)進行分析，判定各因素的影響因素主次順序。由表8可知，環(huán)境條件下砂粒式瀝青混合的極差最大，為3 858 MPa；溫度和頻率條件下細集料瀝青混合料的極差居中，分別為3 202 MPa和2 832 MPa；集料類型條件下細集料瀝青混合料的極差最小，為863 MPa。結果表明：溫度、頻率、環(huán)境和集料類型對細集料瀝青混合料間接拉伸動態(tài)模量的影響順序為：環(huán)境＞溫度＞頻率＞集料類型。

表8 極差分析表 MPa

2.2 溫度和集料類型對動態(tài)模量的影響

由圖2可知，隨著溫度的升高，瀝青混合料的動態(tài)模量不斷減少，當溫度由5℃～15℃時，安山巖和鋼渣瀝青混合料動態(tài)模量變化不大，而玄武巖瀝青混合料動態(tài)模量變化較大；當溫度由15℃～25℃時，玄武巖和安山巖瀝青混合料的動態(tài)模量變化較大，而鋼渣瀝青混合料的動態(tài)模量變化較小，這表明不同類型的細集料瀝青混合料動態(tài)模量具有溫度選擇性。在3種不同集料類型的瀝青混合料中，鋼渣瀝青混合料的動態(tài)模量最大，安山巖瀝青混合料其次，玄武巖瀝青混合料的最小。

圖2 3種不同集料類型瀝青混合料的間接拉伸動態(tài)模量

2.3 頻率和環(huán)境對動態(tài)模量的影響

由表9～表11可知，低的溫度和高的頻率都會使瀝青混合料動態(tài)模量增加，紫外老化會提高細集料瀝青混合料的動態(tài)模量，而水損害則會降低細集料瀝青混合料的動態(tài)模量。低溫下，細集料瀝青混合料的動態(tài)模量增加；高溫下，細集料瀝青混合料的動態(tài)模量降低。低頻下，細集料瀝青混合料的動態(tài)模量降低；高頻下，細集料瀝青混合料的動態(tài)模量增加。同時，水損害對玄武巖瀝青混合料的動態(tài)模量損害程度較強，紫外老化對玄武巖瀝青混合料的動態(tài)模量損害程度較弱，在低溫時，甚至還能提高玄武巖瀝青混合料的動態(tài)模量。

表9 玄武巖瀝青混合料的動態(tài)模量 MPa

表10 紫外老化玄武巖瀝青混合料的動態(tài)模量 MPa

表11 水損害玄武巖瀝青混合料的動態(tài)模量 MPa

2.4 間接拉伸和三點彎曲動態(tài)模量對比分析

動態(tài)模量是評價道路材料動態(tài)應力與應變響應的重要指標，可以真實地反映瀝青路面的實時工況，而且可以作為預測路面結構響應和路面性能的重要輔助參數(shù)。采用間接拉伸和三點彎曲兩種受力模式對細集料瀝青混合料動態(tài)模量進行對比試驗，分析受力模式對細集料瀝青混合料動態(tài)模量的影響，研究間接拉伸和三點彎曲受力模式下動態(tài)模量數(shù)值之間的相互轉換關系。間接拉伸和三點彎曲動態(tài)模量測試方法的區(qū)別在于：三點彎曲試驗其受力狀態(tài)為單軸應力，而間接拉伸試驗受力狀態(tài)為雙軸應力。由圖3可知，5℃時三點彎曲動態(tài)模量對應較低溫度（小于5℃）時間接拉伸動態(tài)模量，2.0 Hz時三點彎曲動態(tài)模量對應較低頻率（小于0.5 Hz），以上結論表明：相同條件下，三點彎曲動態(tài)模量對應于溫度較低時的間接拉伸動態(tài)模量；相同條件下，三點彎曲動態(tài)模量對應于頻率較低的間接拉伸動態(tài)模量。

圖3 間接拉伸和三點彎曲動態(tài)模量對比

利用統(tǒng)計學方法分析間接拉伸和三點彎曲動態(tài)模量，結果如表12所示。由表可知，2種不同加載方式的細集料瀝青混合料t檢驗的P值都小于0.005，其中間接拉伸動態(tài)模量t統(tǒng)計量為3.84，大于2.26；三點彎曲動態(tài)模量t統(tǒng)計量為3.90，大于2.26。F檢驗的F值均大于Fcritical，表明在95%的置信度條件下，兩種不同加載方式的細集料瀝青混合料的間接拉伸和三點彎曲動態(tài)模量均存在顯著相關。

表12 統(tǒng)計學分析結果

3 結論

采用正交試驗設計方法研究細集料瀝青混合料動態(tài)模量得出以下結論：

a）不同類型的細集料瀝青混合料動態(tài)模量具有溫度選擇性；低的溫度和高的頻率都會使瀝青混合料動態(tài)模量增加。

b）正交設計方法分析結果顯示，各因素對細集料瀝青混合料間接拉伸動態(tài)模量的影響順序為：環(huán)境＞溫度＞頻率＞集料類型。

c）相同條件下，低溫三點彎曲動態(tài)模量對應于低溫間接拉伸動態(tài)模量；相同條件下，高頻三點彎曲動態(tài)模量對應于低頻間接拉伸動態(tài)模量。

d）在95%的置信度條件下，兩種不同加載方式的細集料瀝青混合料的間接拉伸和三點彎曲動態(tài)模量均存在顯著相關。