乳化沥青冷再生混合料的动态模量

乳化沥青冷再生混合料的动态模量

胡俊远

云南航天工程物探检测股份有限公司

摘要：水泥乳化沥青砂浆材料属于水硬性复合材料，而沥青混合料属于粘弹性材料，两种材料的动态模量性能有很大的区别。动态模量试验是评价材料力学性能的很好的试验，本文采用几种不同的水泥、乳化沥青含量的混合料，进行不同频率，不同温度，不同围压的动态模量试验，并进行对比分析。

关键词：乳化沥青；冷再生混合料；动态模量

1 动态模量实验设计

复合模量是描述沥青混合料粘弹性性质的一种方法，复合模量用复数表征，其实数部分为弹性劲度，虚数部分表征材料的内部阻尼，动态模量是复合模量的绝对值。美国沥青协会采用的是动态加载实验，实验时，对一圆柱形试件施加动态荷载，测得其应力幅值、应变幅值、应变滞后于应力的相位角等参数来计算材料的动态模量。公式如下所示。

实验采用旋转压实成型试件直径150mm，高度160-170mm的试件，钻芯取样，制成100*150mm的试件。试验中采用的频率从0.1Hz到25Hz共9种频率，温度选取15℃，25℃，40℃三种温度，围压选用0，138，210kpa。实验中水泥含量为1%，2%，3%，乳化沥青含量为3%，4%，5%。实验中水泥，乳化沥青所选取的组合如表1所示。

表1 动态模量实验组合

乳化沥青用量	水泥用量
	1%	2%	3%
3%		√
4%	√	√	√
5%		√

动态模量的影响参数涉及很多方面，材料的组成，温度的不同，加载频率，不同的围压大小都会对动态模量产生影响。但在这些因素中，有的因素对动态模量的影响很大，而有的则对其影响微乎其微，可以忽略。材料的组成包括许多方面，这里主要研究在同一种级配条件下，不同的水泥，沥青含量对动态模量的影响。

2 水泥用量对动态模量的影响

①15℃的影响

表2 15℃不同水泥用量下试件的动态模量（MPa）

水泥用量	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
1%	6238	6128	5652	5176	4566	4117	3690	3140	2739
2%	8780	8577	8019	7473	6741	6190	5625	4900	4299
3%	7641	7395	6950	6308	5702	5204	4803	4010	3506

对于不同频率下不同水泥掺量的15℃动态模量见表2，将其绘制成图1。从图1中可以看到，随着水泥掺入量的增多，动态模量逐渐增大，但在水泥含量增加到2%后，随着水泥含量的增加其动态模量减少。即，在随水泥含量逐渐增大过程中，动态模量存在一个极值。水泥含量较小时，动态模量的差异性比较大。

随着加载频率的增加，动模量也随着增加。开始增加很明显，当频率增加到10Hz时，动态模量的增加成线性，且增加的幅度逐渐减小。

图1 15℃动态模量与水泥含量关系

②25℃条件的影响

表3为不同频率不同水泥掺量下25℃的动态模量，其变化趋势见图2所示。

表3 25℃不同水泥用量下试件的动态模量（MPa）

	荷载频率（Hz）
水泥用量	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
1%	5150	4972	4465	3994	3379	2963	2590	2140	1850
2%	7216	6964	6321	5729	4998	4441	3896	3205	2726
3%	6845	6657	6178	5688	5065	4576	4118	3510	3028

图2 25℃动态模量与水泥含量关系

从图2可以看出，25℃的不同水泥含量的动态模量和15℃不同水泥含量的动态模量规律基本相同。由于温度的增高，其动态模量均比15℃的动态模量小。2%与3%的模量差别小于1%与2%的水泥含量的动态模量差别，可以说明水泥含量的增加，其动态模量对温度的敏感性较小。

③40℃条件的影响

表4  40℃不同水泥用量下试件的动态模量（MPa）

	荷载频率（Hz）
水泥用量	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
1%	2383	2311	1985	1702	1360	1091	840.2	638.7	532.4
2%	3653	3541	3097	2707	2252	1919	1577	1081	841.7
3%	3304	3144	2734	2375	1966	1694	1474	1227	1070

表4为不同频率不同水泥掺量下40℃的动态模量，其变化趋势见图3所示。从图3中可以看到，随着水泥掺入量的增多，动态模量逐渐增大，但在水泥含量增加到2%后，随着水泥含量的增加其动态模量减少。即，在随水泥含量逐渐增大过程中，动态模量存在一个极值。水泥含量较小时，动态模量的变化比较大。

图3 40℃动态模量与水泥含量关系

随着加载频率的增加，动模量的也随着增加。开始增加很明显，当频率增加到10Hz时，动态模量的增加成线性，且增加的幅度逐渐减小。

40℃的动态模量总体比15℃和20℃更小。其规律和15℃，20℃的一样，2%的动态模量最大，其次是3%，最小的是1%。即动态模量存在峰值。水泥掺量越多，其对温度的敏感性越小。

3 乳化沥青用量对动态模量的影响

①15℃的影响

表5 15℃不同乳化沥青用量下试件的动态模量（MPa）

乳化沥青用量	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
3%	9677	9087	8551	7952	7194	6606	5956	5211	4666
4%	8780	8577	8019	7473	6741	6190	5625	4900	4299
5%	12593	11864	10823	9858	8559	7594	6723	5728	5015

图4 15℃动态模量与沥青含量关系

表5为不同频率不同沥青含量的动态模量。从图4中可以看出，在低温条件下，低的沥青掺入量的动态模量差别不大，且较高沥青掺量的动态模量较大。随着频率的增大，动态模量的变化规律是一致的，都是随着频率的增大，动态模量增大。

②25℃的影响

表6 25℃不同乳化沥青用量下试件的动态模量（MPa）

乳化沥青用量	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
3%	5430	5284	4893	4515	4031	3632	3243	2759	3718
4%	7216	6964	6321	5729	4998	4441	3896	3205	2726
5%	6845	6657	6178	5688	5065	4576	4118	3510	3028

图5 25℃动态模量与沥青含量关系

表6为不同频率不同沥青含量的动态模量。从图5中可以看出，无论何种掺量的沥青，随着加载频率的增大，动模量均增大。随着温度的升高，4%沥青含量的混合料动模量相对于5%的有所升高。总体的随着温度升高动模量是下降的。

③40℃的影响

表7 40℃不同乳化沥青用量下试件的动态模量（MPa）

乳化沥青用量	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
3%	2913	2774	2367	2009	1623	1367	1188	977.3	843
4%	3653	3541	3097	2707	2252	1919	1577	1081	841.7
5%	2790	2630	2203	1844	1453	1194	1010	801.2	674.8

图6 40℃动态模量与沥青含量关系

表7为不同频率不同沥青含量的动态模量。从图6中可以看出，40℃的动态模量随着频率的增加而增加。但比较其温度，在40℃时。4%的沥青掺量相对于其他两种沥青掺配比例拥有最高的动态模量。

4 围压对动态模量的影响

为了进一步反映试验条件对试验结果的影响，选用乳化沥青用量为5%，水泥用量为2%的一组试件，测试其在不同围压条件下的动态模量，试验结果如表8所示。

表8 不同围压下试件的动态模量（MPa）

围压（kPa）	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
0	2773	2647	2213	1854	1447	1188	995	798.6	660.6
138	2790	2630	2203	1844	1453	1194	1010	801.2	674.8
210	2744	2600	2178	1825	1434	1175	995.4	789.4	669.1

表8为不同围压的动态模量。围压选取了0，138，210kpa，进行不同荷载频率的加载，温度选取40℃。从加载曲线（图7）中可以看出，围压对动态模量的影响极小，可以到忽略的地步。从细微的数值可以发现，随着围压的增大，动态模量略微变小。

图7 围压对动态模量的影响

为了进一步验证上述试验结果，另选用乳化沥青用量为3%，水泥用量为2%的试件，测试围压对其动态模量的影响，试验温度仍为40℃，试验结果如表9和图8所示。

表9不同围压下试件的动态模量（MPa）

围压（kPa）	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
0	2955	2812	2409	2054	1636	1363	1136	929.7	794.1
138	2913	2774	2367	2009	1623	1367	1188	977.3	843
210	2866	2720	2338	1987	1601	1338	1131	915.1	776.6

图8 围压对动态模量的影响

可以看出，除了动态模量的数值有所降低外，其规律完全一致。

5 温度对动态模量的影响

作为一种沥青基材料，试验温度对混合料的动态模量有较明显的影响，为此对不同配比试件在不同温度下的动态模量进行了测试，试验结果如表10所示。

表10 不同配比试件在不同温度下的动态模量

配比	乳化沥青用量3%，水泥用量2%
试验温度（℃）	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
15	8207	7984	7534	7088	6533	6071	5590	4956	4447
25	5430	5284	4893	4515	4031	3632	3243	2759	3718
40	2913	2774	2367	2009	1623	1367	1188	977.3	843
配比	乳化沥青用量4%，水泥用量2%
试验温度（℃）	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
15	8780	8577	8019	7473	6741	6190	5625	4900	4299
25	7216	6964	6321	5729	4998	4441	3896	3205	2726
40	3653	3541	3097	2707	2252	1919	1577	1081	841.7
配比	乳化沥青用量5%，水泥用量2%
试验温度（℃）	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
15	12593	11864	10823	9858	8559	7594	6723	5728	5015
25	6577	6321	5704	5131	4433	3925	3429	2821	2363
40	2790	2630	2203	1844	1453	1194	1010	801.2	674.8
配比	乳化沥青用量4%，水泥用量1%
试验温度（℃）	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
15	6238	6128	5652	5176	4566	4117	3690	3140	2739
25	5150	4972	4465	3994	3379	2963	2590	2140	1850
40	2383	2311	1985	1702	1360	1091	840.2	638.7	532.4
配比	乳化沥青用量4%，水泥用量3%
试验温度（℃）	荷载频率（Hz）
	25	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1
15	7641	7395	6950	6308	5702	5204	4803	4010	3506
25	6845	6657	6178	5688	5065	4576	4118	3510	3028
40	3304	3144	2734	2375	1966	1694	1474	1227	1070

将表10中，乳化沥青用量为3%，水泥用量为2%的一组试验结果绘制成图9，可以看出，温度对混合料的动态模量有明显影响，随着温度的升高，试件的动态模量明显降低。对其他配比的试件进行上述分析，所得的结论都是一致的。

图9 温度对动态模量的影响

为了进一步反应，不同配比试件的动态模量对温度的敏感性，取不同试件较为温度的25Hz时的试件动态模量，分别计算不同温度下动态模量的衰减情况，如表11所示。

表11 不同温度下的动态模量（MPa）及相对比例

乳化沥青用量	水泥用量	试验温度
		15℃	25℃	40℃
3%	2%	8207 （100%）	5430 （66.2%）	2913 （35.5%）
4%	2%	8780 （100%）	7216 （82.2%）	3653 （41.6%）
5%	2%	12593 （100%）	6577 （52.2%）	2790 （22.2）
4%	1%	6238 （100%）	5150 （82.6%）	2383 （38.2%）
4%	3%	7641 （100%）	6845 （89.6%）	3304 （43.2%）

由表11中的试验结果可以看出，在不同温度下，试件的动态模量的相对比例又明显不同，随着温度的增加，动态模量呈明显下降趋势；而试件的配比又对下降比例又明显影响，随着乳化沥青掺量的增加，动态模量对温度的敏感性有所提高，而随着水泥用量的增加，试件动态模量对温度的敏感性有所降低。

6.结论

本文采用几种不同的水泥、乳化沥青含量的混合料，进行不同频率，不同温度，不同围压的室内动态模量试验研究了乳化沥青冷再生混合料的动态模量，试验结果表明：①水泥剂量的增加可提高乳化沥青冷再生混合料的动态模量，但随着水泥剂量的增加乳化沥青冷再生混合料的动态模量趋于平缓，表现的不再敏感，说明不能一味的提高水泥剂量来提高乳化沥青冷再生混合料的动态模量。②低掺量的乳化沥青对冷再生混合料动态模量的影响不大，高掺量的乳化沥青对冷再生混合料动态模量的较大。③围压对乳化沥青对冷再生混合料动态模量的影响极小，可以忽略不计。④随着温度的升高，乳化沥青对冷再生混合料动态模量有下降趋势。