骨架密实型应力吸收层SAC10动态复模量试验分析
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作者:黄新生
摘要：针对现有关于骨架密实型应力吸收层研究工作中缺少动态模量试验、路面结构计算参数取值不合理等问题，文章对桂柳高速公路路面改造工程中使用的应力吸收层，基于SPT试验系统研究了不同应变水平、围压荷载、频率和温度下，骨架密实型应力吸收层SAC10的动态复模量变化规律。结果表明：应力吸收层SAC10的动态复模量数值随着试验的应变水平和围压荷载的增加而逐渐增大，不同试验温度下均存在这种相同的单调递增变化趋势，在温度较高时模量数值的增幅较大；为了保证试验结果的准确性和可对比性，试验的应变水平建议为60～80 με、围压荷载建议为0.1～0.15 MPa；根据现行设计规范中的要求，骨架密实型应力吸收层的动态复模量取值范围建议为8 000～9 000 MPa。
关键词：应力吸收层；骨架密实型；动态复模量；围压
中图分类号：U416.03-A-07-019-3
0 引言
桂林至柳州高速公路（僚田至鹿寨北互通）于2015年开始实施旧水泥路面加铺沥青面层的“白加黑”改造工程，项目于2018年1月通过交工验收，2022年1月通过竣工验收。由于桂柳高速公路原有路面为水泥混凝土路面，为了避免旧路反射裂缝的大规模出现、保证路面耐久性，将沥青路面加铺层的最下层设计为厚度2 cm的改性沥青应力吸收层。在混合料设计时，参考广西区内已完成全线改造的柳南高速公路的工程建设经验，将这层沥青混合料设计为骨架密实型应力吸收层SAC10，并根据性能均衡的设计思想，采用“四控制点”法进行最佳油石比的确定［1］，之后结合工程所在地的地方性材料，通过系统的路用性能分析和对比验证，最终设计出适用于桂柳高速公路的骨架密实型应力吸收层SAC10混合料。
虽然应力吸收层是一种功能性材料，但由于本工程中的结构厚度设计为2 cm，在路面结构计算和分析中影响不可忽略，需要参与受力分析和计算。此时，需要考虑该层材料的动态复模量取值问题。由于此前对于骨架密实型应力吸收层的研究主要集中在高温、低温、水稳定性、施工和易性等常规的路用性能评价上［2-3］，而对于其动态复模量等动态特性的研究尚未开展，在路面结构计算时，相关材料的参数取值只能参考其他材料，导致结构计算结果不合理。因此，为了获得骨架密实型应力吸收层SAC10混合料的动态复模量试验结果，并分析其影响因素，本文以桂柳高速公路实体工程为依托，针对该项目所使用的应力吸收层材料开展动态复模量等相关试验，为路面结构设计提供必要的材料参数。
1 桂柳高速公路骨架密实型应力吸收层的材料组成设计
1.1 骨架密实型应力吸收层设计原理
桂柳高速公路路面改造工程中使用的应力吸收层SAC10，借鉴柳南高速公路路面改造工程应力吸收层材料设计的相关经验并做进一步优化，采用基于路用性能均衡的应力吸收层材料“四控制点”设计方法开展应力吸收层AC-10的目标配合比设计工作［4］。该方法的主要原理是：（1）选择最紧密嵌挤状态下的油石比作为确定最佳油石比的第一控制点，以协调抗变形能力和抗车辙能力；（2）选择析漏试验损失率拐点处的油石比作为确定最佳油石比的第二控制点，控制应力吸收层沥青混合料的最大沥青用量以保证施工和易性；（3）在第一、第二控制点之间，开展0 ℃低温小梁弯曲试验、60 ℃车辙试验，分别获得满足弯曲应变要求的第三控制点和满足高温稳定性要求的第四控制点；（4）综合混合料的体积指标、紧密状态、变形适应性、高温稳定性以及施工和易性，最终确定应力吸收层适用的最佳油石比，并据此开展路用性能验证。
1.2 桂柳高速公路应力吸收层目标配合比设计结果
根据上述原理，针对桂柳高速公路路面2标所使用的原材料开展目标配合比的相关设计工作，设计级配曲线如表1所示［5-6］。所确定的各档冷料仓比例为5～10 mm碎石∶0～3 mm机制砂∶矿粉=65∶28.5∶6.5，最佳油石比为6.2%。体积指标和路用性能验证结果如下页表2和表3所示。从设计结果来看，桂柳高速公路路面2标的应力吸收层SAC10能够满足相关的设计要求。
2 动态复模量试验方法
为了全面评价骨架密实型应力吸收层SAC10的动态复模量特性及其影响因素，本文选择桂柳高速公路路面2标中使用的骨架密实型应力吸收层SAC10，采用SPT试验设备开展相应的动态特性试验，研究不同试验条件对应力吸收层混合料动态复模量的影响规律［7］。
SPT试件制备时，使用桂柳高速公路2标的设计成果，采用SGC旋转压实仪成型圆柱体试件，再通过钻芯取样切割的方式制备得到。为了对比分析不同试验条件下的动态复模量结果，本文研究不同应变水平、围压荷载、试验频率、试验温度下的动态特性试验。其中应变水平为20～100 με，围压荷载为0～0.2 MPa，试验l率为0.01～25 Hz，试验温度为0 ℃～55 ℃。
3 不同影响因素下应力吸收层SAC10的动态复模量试验结果分析
已有研究中，常常是固定一种应变水平，开展不同温度和不同频率下沥青混合料的动态特性试验，据此构造动态复模量主曲线。而实际上，应变水平、围压荷载水平的大小对于沥青混合料的动态特性也存在着较大影响。因此，本研究主要针对这两种试验条件下应力吸收层SAC10的动态特性开展研究，以分析不同应变水平对动态复模量的影响规律。由于试验温度、荷载、频率等试验条件对沥青混合料的动态特性影响研究较多，本文虽然开展了相关试验工作，但不再将其作为研究和讨论的重点。
3.1 不同应变水平下的动态复模量试验结果分析
表4为不同应变水平下的动态复模量试验结果，试验频率为10 Hz、围压荷载为0 MPa。由表4可以看出，应力吸收层SAC10的动态复模量数值随着试验的应变水平增加而逐渐增大，不同试验温度下均存在这种相同的单调递增变化趋势。只是在温度较低时，随着应变水平的增加，动态复模量数值的增量较小，如在0 ℃时，最大应变下的模量数值与最小应变下的模量数值相比，增幅仅为1.7%；而在温度较高时，随着应变水平的增加，动态复模量的增量变大，如在55 ℃时，最大应变下的模量数值与最小应变下的模量数值相比，增幅已达23%，变化十分明显。
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这种现象表明，应力吸收层SAC10的动态复模量数值受试验的应变水平影响较大，沥青混合料存在显著的荷载依赖特性，这与传统意义上认为的沥青混合料为线性粘弹性材料，动态复模量不受应变水平影响的认识有一定差别，应将应力吸收层SAC10视作一种非线性粘弹性材料来看待。这主要是由于本文所研究的桂柳高速公路骨架密实型应力吸收层SAC10是一种富沥青含量的沥青混合料，因沥青含量较高使得沥青混合料具有更显著的粘弹性材料性质，其动态特性受外力荷载的影响更加显著，从而表现出动态复模量随着荷载（应变水平）的增大而逐渐增大的试验规律。当温度较低时，这种非线性粘弹性特征不太显著，即最大应变下的模量数值与最小应变下的模量数值相比增幅^小；而当温度较高时，这种非线性粘弹性特征就变得十分显著，即表现为最大应变下的模量数值与最小应变下的模量数值相比增幅较大的试验现象。由于这种动态复模量的非线性荷载依赖性现象的存在，因此在开展应力吸收层混合料的动态特性试验时，应保证试件处在合理的受力状态范围内，使用合理的荷载水平开展相关试验，以保证试验结果的准确性和可对比性。综合本文的相关试验结果，试验的应变水平建议为60～80 με。
3.2 不同围压荷载下的动态复模量试验结果分析
应力吸收层在路面结构内部实际上处于一种三向受压的受力状态，上述研究是在无围压条件下开展的动态特性试验，而为了与应力吸收层在路面结构中的实际服役状态相匹配，研究含有围压荷载条件的动态复模量才更具有工程意义。为此，本文开展了不同围压荷载下的应力吸收层混合料动态特性试验，分析围压荷载对SAC10沥青混合动态复模量的影响规律。详见表5。
表5为不同温度围压荷载下的动态复模量试验结果，荷载频率为10 Hz、应变水平为60 με。由表5可以看出，当温度较低时，应力吸收层SAC10的动态复模量数值基本不受围压的影响，数值相差不大；而随着温度的升高，动态复模量数值随着围压荷载的增加而逐渐变大。如在0 ℃～20 ℃时，围压荷载为0.2 MPa下的动态复模量数值与0 MPa围压荷载下的数值基本相同；而在55 ℃时，围压荷载为0.2 MPa下的动态复模量数值与0 MPa围压荷载下的数值相比增大许多，增幅达到100%以上。这种现象表明，当温度较高时，试验的围压荷载对应力吸收层SAC10的动态复模量数值存在较大影响，当温度较低时影响不大。考虑到应力吸收层在路面结构中服役时，要经历一年四季的温度变化，当夏季温度较高时，如果不考虑围压荷载，则应力吸收层的模量数值较低，这时按此开展路面结构计算和力学分析，受力结果会十分不利。但实际上，由于实体路面结构处于一种三向受力状态，为了保证路面结构计算更加符合实际情况，应按照应力吸收层所处的真实受力环境，考虑其所承受的围压荷载条件进行材料动态复模量的参数取值，之后再进行路面力学计算才更加合理。综合本文的相关试验结果，当温度＞20 ℃时，试验的围压荷载水平建议为0.1～0.15 MPa。
3.3 现行设计规范条件下的骨架密实型应力吸收层复模量推荐数值
2017年我国颁布了新版的《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017），其中对路面结构计算中沥青混合料的动态模量取值条件进行了规定。按照规范中的要求，对于本文所使用的骨架密实型应力吸收层SAC10混合料而言，其动态复模量应取试验温度为20 ℃、加载频率为10 Hz下的试验结果，结合前文的分析结论，动态复模量试验的应变水平取60 με，由于温度为20 ℃，围压荷载取0.1 MPa。按此条件，结合本文的试验结果，桂柳高速公路使用的骨架密实型应力吸收层SAC10在进行路面结构计算时，动态复模量数值为8 642 MPa。考虑到试验的可靠性和复现性，对于国内采用同类型骨架密实型应力吸收层混合料时，动态复模量取值范围建议为8 000～9 000 MPa。
4 结语
为了获得骨架密实型应力吸收层SAC10混合料的动态复模量，本文以桂柳高速公路路面2标使用的应力吸收层为研究对象，通过不同试验条件下的动态特性试验，研究了应变水平和围压对应力吸收层动态复模量的影响，结合现行设计规范给出了适用于骨架密实型应力吸收层材料的动态模量取值范围，为路面结构分析和设计提供了相应的计算参数。
参考文献
［1］刘小滔.基于路用性能的应力吸收层沥青混合料设计方法研究［D］.重庆：重庆交通大学，2011.
［2］刘小滔，王旭东，周兴业，等.用于应力吸收层使用的沥青混合料配合比设计方法研究［J］.路基工程.2012（1）：62-65.
［3］马 进.骨架密实型沥青混凝土应力吸收层设计方法研究［J］.西部交通科技，2011（3）：16-19.
［4］蒋 鑫.湿热地区旧水泥混凝土路面病害处治与沥青加铺层材料研究［D］.西安：长安大学，2017.
［5］王小华.广西水泥路面加铺沥青面层反射裂缝防治技术研究［D］.西安：长安大学，2017.
［6］王强林.桂北地区水泥路面沥青加铺层高温性能研究［D］.西安：长安大学，2018.
［7］周兴业，蒋 勇，王旭东，等.基于温度与应变参数的沥青混合料动态模量依赖模型研究［J］.公路交通科技，2019，36（3）：7-13.
作者简介：
黄新生（1981―），工程师，主要从事高速公路养护、路基、路面、桥梁、隧道加固等工作。
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