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沥青混淆料相位角预估模型

宣布日期：

2024-01-08

摘要

为了给沥青路面质料设计提供科学依据，针对沥青混淆料黏弹性特性，依托简单性能试验(SPT)结果，剖析加载频率与温度耦相助用下相位角的变革特征，基于这一纪律，提取差别温度Ｔ下相位角随加载频率的变革曲线，以拐点温度区为阈值，将整个试验历程划分为T≤25℃、25℃＜T＜30℃、T≥30℃这3个温度段，引入温度、频率、质料级配等参数。

首先接纳控制变量法对各个因子与相位角的相关性进行剖析论证，确定各参变量的引进形式；然后接纳Levenberg-Marquadt 要领结合通用全局优化算法对试验数据进行综合处理，提出包括温度、频率、油石比、空隙率和级配特性等因素的相位角预估模型。研究结果标明：每种混淆料都保存一个拐点温度，拐点温度四周，无论频率如何变革，相位角基本恒定；温度低于拐点温度时，相位角随加载频率的增加而降低，温度高于拐点温度时，相位角随加载频率的增加而增加；中、高温条件下改性剂的作用越来越明显，导致T≤25℃时的预估精度明显高于T≥30℃时的预估精度，因此对高温状态相位角的预估要划分考虑基质沥青和改性沥青2种情况，但在引入油石比、空隙率对预估模型进行修正后，制止了高温状态需针对沥青类型划分预估的问题，提高了预估精度，且模型相关系数较高。

要害词：门路工程 |?预估模型?| 分段预估 | 相位角 | 沥青混淆料

动态模量和相位角是权衡沥青混淆料特性的重要指标，动态模量从弹性角度表征混淆料在荷载作用下恢复变形的能力[1-3]，相位角则从黏性角度表征混淆料在荷载作用下对抗变形的能力[4-6]。假定2种沥青混淆料的动态模量相等，但1�；煜系南辔唤敲飨员�2�；煜闲�，则1�；煜系愿�，卸载后变形更容易恢复，说明仅用动态模量评价沥青混淆料性能是不敷的，须同时考虑相位角，它反应了黏弹性中黏性与弹性身分的比例及影响水平。

近年来，对动态模量的研究有了很大进展[7-11]，但对相位角的探讨却未几。文献[12]中从相位角的角度研究了在差别纤维掺量下沥青的疲劳性能，认为通过相位角的巨细可以判断混凝土质料的黏弹性；文献[13]中在研究动态模量主曲线时，忽视了相位角的性质，获得的动态模量主曲线和相位角主曲线的某些物理意义保存较大偏差；文献[14]~文献[16]中获得了复数剪切模量、相位角随频率变革的主曲线；文献[17]、文献[18]中选取黏弹性模型，研究了沥青混淆料黏弹性参数。已有文献给出的结论大都是：低温状态混淆料呈弹性，频率越低，相位角越大；高温状态，混淆料呈黏弹性，频率越低，相位角越��；温度介于崎岖温之间时，随着频率的降低，相位角先增加后减小[19-21]，也有学者给出了相位角主曲线，但未见进一步剖析和应用[22-24]。陈辉等接纳4种沥青混淆料试件进行单轴压缩动态模量试验，确定基于广义西格摩德模型的动态模量主曲线和存储模量主曲线，然后凭据2种模量主曲线拟合参数盘算获得相位角主曲线模型方程，但并未提出相位角预估模型[25]。

如何进行相位角的预估，如何把相位角预估与动态模量结合起来配合描述质料的黏弹特性，这些问题值得探索。鉴于此，本文接纳简单性能试验(SPT)进行沥青混淆料动态模量试验，剖析相位角在加载频率与温度耦合情况下的变革纪律，凭据沥青混淆料的黏弹特性，对相位角分段预估，提出包括温度、频率、油石比、空隙率、级配特性等因素在内的相位角预估模型。

沥青混淆料相位角预估模型

沥青混淆料相位角预估模型

SPT试验

试验接纳70＃石油沥青，矿粉为石灰石矿粉，性能指标见文献[1]，集料选用花岗片麻岩，性能指标切合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，见表1、表2，混淆料级配见表3。

接纳旋转压实仪成型直径150ｍｍ、高140ｍｍ的预备试件，之后钻芯取样，获得圆周平滑、平行、直径为100ｍｍ的圆柱体试件，对钻芯获得的试件两端进行切割，获得直径100ｍｍ、高130ｍｍ的芯样试件，后凭据实测空隙率调解旋转压实次数及沥青混淆料用量，确保试件的空隙率与目标值偏差不凌驾±0.5％，平行试件3个。

沥青路面要蒙受重复作用的行车动载，因此接纳动态加载模式剖析其在荷载作用下的黏弹特性与受力状况比静态模式下更切合实际。SPT是美国公路相助研究计划(NCHRP)路用性能规范用来测定沥青混淆料在线黏弹性规模内单轴压缩动态模量的仪器，测得的动态模量可用于评价沥青混淆料的质料性能，并作为质料设计、沥青路面设计和评价剖析的参数。本研究接纳SPT在无侧限条件下，按一定的温度和加载频率对沥青混淆料试件施加半正矢波轴向压应力。具体试验参数如下：

①试验温度T为5℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃；

②加载频率f为0.1、0.5、1、5、10、25Hz；

③接纳Haversin波形荷载形式；

④接纳应变控制模式，系统所施加的应力应使试件在笔直偏向爆发的微应变控制为８5×10^-6~115×10^-6，以包管质料在加载规模内应力应变关系为线性；

⑤试验前施加一定的预压荷载，该预压应力为加载应力的5％，连续时间30s，以制止荷载作用下试件端部爆发虚假变形，又能包管试件端部与压头接触良好，为减小试验时所施加的动态波形循环荷载对试件的攻击，且制止卸载时试件与压头脱空，设定接触压力为加载应力的5％。试验收罗最后5个波形的荷载及变形曲线，纪录并盘算相应动态模量及相位角，剔除异常数据后取均值，剖析加载频率与温度耦合情况下相位角的变革纪律，见图1。

沥青混淆料相位角预估模型

由图1可知：中低温情况下(5℃~30℃)，相位角随温度的升高而增加，随频率的增加而减��；温度20℃，频率0.1Hz时的相位角为36.52°，频率25Hz时的相位角为28.17°；温度5℃，频率0.1Hz时的相位角为26.96°，25Hz时的相位角为12.45°；温度越低，相位角随频率的增加降低得越快；较高温情况下(30℃~60℃)，相位角随温度的升高而降低，随频率的增加而增加，50℃和60℃条件下相位角的增加速度基内幕同；差别加载频率下相位角随温度的变革曲线在30℃四周险些相交，即各频率下的相位角在30℃近似相同，为了验证这一特性，另测得3种沥青混淆料SMA-13、AC-20、ATB-30在差别荷载频率下相位角随温度的变革曲线，见下页图2，发明该纪律也基本建立。这3种沥青混淆料的性能指标同AC-16，其级配见文献[1]。

如果称相交处的温度为拐点温度，则每种混淆料都可能保存一个拐点温度，温度低于拐点温度时，相位角随加载频率的增加而降低；温度抵达拐点温度时，任何加载频率下的相位角均趋于一个定值；温度高于拐点温度时，相位角随加载频率的增加而增加。由于操作要领、外界情况因素差别或设备自己原因等，试验结果可能保存一定偏差，因此获得的差别荷载频率下相位角随温度的变革曲线并非交于一点，而是在一个较小温度规模内趋于一致，剖析发明该温度规模为25℃~30℃。

沥青混淆料相位角预估模型

沥青混淆料相位角预估

差别温度下相位角随加载频率的变革标明，相位角预估要针对差别的温度分段考虑，图3是对4种混淆料370组相关试验数据的剖析结果。

沥青混淆料相位角预估模型

剖析图3发明：

①5℃、20℃时，4种混淆料相位角均随频率的增加而减小，5℃时变革更明显；

②40℃时，0.1~5Hz相位角增加很快，5~25Hz相位角增加幅度减小，且40℃时各混淆料相位角变革趋势险些平行，标明随着温度升高混淆料级配特性开始发挥作用；

③50℃、60℃时相位角随频率增加而增加，差别混淆料泛起出纪律变革，标明高温状态下质料级配特性在混淆料性能中已占主导，AC-16、ATB-30混淆料在高温状态下相位角变革较大，SMA-13、AC-20混淆料相位角变革幅度相对平稳，可能因为SMA-13、AC-20接纳改性沥青，温度升高改性剂的作用越来越明显。

沥青混淆料高温稳定性形成机理来源于结合料的黏结性和矿料级配的嵌挤作用，低温高频荷载作用下，主要体现为弹性性能，随着加载频率增加，弹性性能增强，因而相位角减��；高温低频荷载作用下，矿料级配嵌挤作用占主导，相位角不再随频率的增加而减小，而随频率的增加而增加，当温度高于50℃时，混淆料级配的差别、集料嵌挤水平的差别体现得更突出，相位角随频率的变革曲线有一定波动。

目前尚未见关于相位角预估模型的文献，没有经验公式可借鉴。本文通过对差别温度T下相位角随频率变革曲线的剖析，考虑引入温度、频率、混淆料级配以及沥青黏度建立相位角预估模型。为获得便当应用的相位角预估方程，凭据前述图像特征，将整个试验历程划分为T≤25℃、25℃＜T＜30℃、T≥30℃这3个温度段。首先接纳控制变量法对各因子与相位角的相关性进行剖析，确定各参变量的引进形式；然后接纳Levenberg-Marquadt法结合通用全局优化算法对试验数据进行综合处理，具体盘算结果如下

沥青混淆料相位角预估模型

25℃＜T＜30℃时，关于给定的任一混淆料，首先借助式(1)求得25℃对应的相位角，然后借助式(2)盘算30℃时的相位角，25℃~30℃间相位角的预估则用等插值法盘算。

相位角预估模型相关特征值见表4

沥青混淆料相位角预估模型

从表4的R值可以看出，T≤25℃时的预估精度明显高于T≥30℃时的预估精度，剖析认为中、高温条件下改性剂的作用越来越明显，因此对高温状态相位角的预估分为基质沥青和改性沥青2种情况剖析。

沥青混淆料相位角预估模型

T≥30℃时，相位角预估模型相关特征值见表5

沥青混淆料相位角预估模型

可以看出，对基质沥青和改性沥青离开预估后，预估精度均有所提高，这也验证了前述随温度升高改性剂作用对相位角影响越来越明显的结论。为了制止因沥青种类差别而需离开预估的情况，有须要引入表征沥青性质和用量的参数对上述模型进行修正�？悸堑酵恢柿贤患杜涞幕煜弦蛄で嘀掷嗖畋�，其沥青用量和空隙率有明显差别，为此引入油石比、空隙率进行试运算，获得如下修正模型

沥青混淆料相位角预估模型

T≥30℃时，相位角修正预估模型相关特征值见表6

沥青混淆料相位角预估模型

由表6可知，修正模型仍有较高的相关系数，同时又制止了高温状态需针对沥青类型划分预估的麻烦。

结语

(1)针对沥青混淆料的黏弹特性，剖析了加载频率与温度耦合情况下相位角的变革纪律，发明每种混淆料都保存一个拐点温度，拐点温度四周不管频率如何变革，相位角基本恒定，拐点温度前后，相位角随频率的变革趋势相反，这种现象为建立相位角预估模型提供了思路。

(2)以拐点温度区为阈值，剖析各温度段相位角的影响因素，确定参变量的引进形式，分段建立相位角预估模型。发明T≤25℃时的预估精度明显高于T≥30℃时的预估精度，中、高温条件下改性剂的作用越来越明显，因此对高温状态相位角的预估需分为基质沥青和改性沥青2种情况，在引入油石比、空隙率对预估模型进行修正后，制止了高温状态针对沥青类型离开预估的麻烦，提高了预估精度。

(3)本文突破以往相位角相关研究的局限，建立的相位角预估模型可以与动态模量结合起来配合描述质料的黏弹特性，为沥青路面质料设计提供一定参考。但该模型是基于4种沥青混淆料试验结果提出的，后期研究将继续开展更多试验以验证和革新模型。

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全文完宣布于《长安大学学报(自然科学版)》2018年3月

作者简介：张倩(1971-)，女,陕西泾阳人，副教授，工学博士

文章转载于“沥青路面”民众号

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B200 沥青混淆料性能试验仪 (AMPT/SPT)

意大利matest-Pavetest 沥青混淆料性能试验仪AMPT/SPT是一套液压伺服控制试验系统，专为执行 NCHRP 项目 9-19 和 9-29 的三个沥青混淆料试验而设计制造的，三个试验划分是动态模量、流动次数和流动时间试验。

沥青混淆料性能试验仪AMPT/SPT也是 AASHTO TP79-09 规范中描述的使用沥青混淆料性能试验仪（AMPT）确定热拌沥青混淆料（HMA）动态模量和流动次数标准测试要领所要求的设备。同时，也可以执行 AASHTO TP107-17 使用 AMPT 进行连续拉伸疲劳测定沥青混淆料的损伤特征曲线和破坏标准的试验要领。别的，意大利matest-Pavetest AMPT/SPT还可以进行沥青混淆料的直接拉伸疲劳、间接拉伸、动态模量、递增的重复加载yong久变形、半圆弯曲和面层反射裂缝等试验。意大利matest-Pavetest AMPT 配置性能优异的CDAS/CDAS2数字式控制器，TestLab软件和所有配件，实现硬件和软件的统一。

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