不同加載階段的AC-13瀝青混合料高溫指標(biāo)對(duì)比研究

楊 雷

(廣東省交通集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510623)

0 引言

瀝青混合料屬于黏彈性材料，故其各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果均會(huì)受到所處溫度的影響[1-2]。瀝青路面在太陽(yáng)的輻射下積聚能量，溫度不斷上升，在我國(guó)南方地區(qū)的夏季尤為顯著，路面溫度?？筛哌_(dá)60～70 ℃，加之重載車輛的反復(fù)碾壓作用下，常會(huì)導(dǎo)致不同程度的車轍類病害，對(duì)行車的舒適性和出行人員的安全形成較嚴(yán)重的威脅[3-4]。

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范主要采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)的混合料進(jìn)行抗車轍變形能力驗(yàn)證[5]。一方面，以往采用的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)表示碾壓作用45～60 min時(shí)的車轍變形速率，即傳統(tǒng)車轍試驗(yàn)僅關(guān)注車轍變化達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的變形情況，卻忽略了車轍發(fā)展過(guò)程中的變形速率，不能代表整個(gè)變形過(guò)程[6-8]；另一方面，眾多研究學(xué)者認(rèn)為采用車轍變形量、車轍變形曲線累積面積可以更好地表征瀝青混合料的高溫性能[9]，但各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系研究較少。

三軸蠕變?cè)囼?yàn)的試件力學(xué)狀況與路面實(shí)體工程的力學(xué)狀況最為相似[10-11]，采用該試驗(yàn)方法測(cè)得的蠕變應(yīng)變、勁度模量、累積應(yīng)變面積等幾項(xiàng)主要評(píng)價(jià)參數(shù)，可以較好地判斷瀝青混合料在高溫環(huán)境下的抗車轍水平[12-13]，得到研究學(xué)者的廣泛認(rèn)可，但是由于該試驗(yàn)對(duì)操作人員以及試驗(yàn)設(shè)備的要求較高，極大限制了其大范圍的推廣應(yīng)用[14]。

為對(duì)比瀝青混合料不同使用階段的高溫性能差異，優(yōu)化高溫性能評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，現(xiàn)基于AC-13瀝青混合料開(kāi)展車轍試驗(yàn)和三軸蠕變?cè)囼?yàn)，并進(jìn)行全過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，將獲得的試驗(yàn)曲線劃分為4個(gè)加載區(qū)間，分別計(jì)算和分析各加載階段的高溫性能測(cè)試結(jié)果，選取與三軸蠕變?cè)囼?yàn)所測(cè)得結(jié)果相關(guān)性最好的車轍試驗(yàn)指標(biāo)，將其作為推薦為備選方案，以便為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料與級(jí)配

粗集料采用變質(zhì)砂巖碎石，瀝青采用殼牌SBS改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。細(xì)集料選取石灰石機(jī)制砂，礦粉由石灰?guī)r研磨而成，其各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求[15]。

表1 粗集料主要技術(shù)指標(biāo)

表2 改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范中給出的級(jí)配范圍，采用單一粒徑配料的方式，設(shè)計(jì)粗、中、細(xì)3種級(jí)配的AC-13瀝青混合料，級(jí)配曲線見(jiàn)表3。

表3 AC-13瀝青混合料級(jí)配

2 試驗(yàn)方案

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，單軸壓縮試驗(yàn)所用試件可采用靜壓法、輪碾成型試件鉆取芯樣的方式獲取，也可采用振動(dòng)壓實(shí)或搓揉法成型。已有研究表明，采用搓揉法(GTM)成型的瀝青混合料試件與實(shí)際路面工程成型模式更為吻合[16-17]，故本研究中的三軸蠕變?cè)囼?yàn)采取旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的模式制備瀝青混合料試件。但考慮到車轍試驗(yàn)的應(yīng)用情況，其試件成型方式仍采用廣泛采用的輪碾成型方式。

2.1 車轍試驗(yàn)

(1)按照設(shè)計(jì)好的3種級(jí)配分別成型300 mm×300 mm×50 mm的試件，混合料油石比均為4.5%。

(2)將板狀試件置于60 ℃環(huán)境中5 h后，采用車轍試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行車轍試驗(yàn)并記錄變形曲線。試驗(yàn)輪與試件的接觸壓強(qiáng)設(shè)置為(0.7±0.05)MPa。

(3)根據(jù)車轍變形曲線，提取相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：車轍變形量、動(dòng)穩(wěn)定度(車轍變形速率)、車轍變形曲線累積面積等。

2.2 三軸蠕變?cè)囼?yàn)

三軸蠕變?cè)囼?yàn)與單軸蠕變?cè)囼?yàn)的主要區(qū)別在于是否存在圍壓。為更好地模擬路面實(shí)際受壓狀態(tài)，本研究將試件采用橡膠膜包裹后，通過(guò)持續(xù)抽真空使試件承受固定圍壓作用，再通過(guò)軸向施加垂直壓力的方式進(jìn)行三軸蠕變?cè)囼?yàn)。

(1)按照設(shè)計(jì)好的3種級(jí)配，采用GTM試驗(yàn)機(jī)成型Φ=101.6 mm、h=101.6 mm的試件，混合料油石比均為4.5%。GTM試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)設(shè)置：油壓法，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)角為0.8°，豎向壓力為0.8 MPa，成型控制為極限平衡狀態(tài)。

(2)將試件置于60 ℃環(huán)境中3 h后，采用橡膠膜密封，并留小孔與真空抽氣裝置相接，設(shè)置負(fù)壓為0.1 MPa，并開(kāi)啟抽真空模式。

(3)將試件放在Cooper試驗(yàn)機(jī)上，頂面放置圓形鋼板保證試件均勻受壓，開(kāi)啟加載卸載模式(加載0.2 s、卸載0.8 s為一個(gè)周期)，豎向壓強(qiáng)設(shè)置為0.7 MPa，記錄蠕變曲線。其中，試驗(yàn)溫度60 ℃；加載次數(shù)設(shè)置為600次。

(4)根據(jù)蠕變曲線，提取相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：蠕變應(yīng)變、累積應(yīng)變面積、曲線斜率、勁度模量等。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)對(duì)3種不同級(jí)配的AC-13瀝青混合料開(kāi)展60 ℃車轍試驗(yàn)，并采用式(1)中給出的對(duì)數(shù)模型對(duì)變形量隨碾壓時(shí)間的變化進(jìn)行擬合，測(cè)試及擬合結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 車轍變形曲線

y=A×ln(x+B)+C，

(1)

式中，y為變形量；x為碾壓時(shí)間；A，B，C為擬合參數(shù)。

根據(jù)圖1的車轍變形曲線擬合結(jié)果，將碾壓過(guò)程分為4個(gè)階段(0～15 min，15～30 min，30～45 min，45～60 min)，分別代表實(shí)際路面的4個(gè)不同應(yīng)用時(shí)期；對(duì)不同碾壓階段的車轍變形量、動(dòng)穩(wěn)定度(車轍變形速率)、車轍變形曲線累積面積等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。其中，車轍變形量是將碾壓時(shí)間代入擬合公式計(jì)算得到；動(dòng)穩(wěn)定度(車轍變形速率)的計(jì)算是通過(guò)公式：動(dòng)穩(wěn)定度DS=[(最終時(shí)間-起始時(shí)間)×碾壓速度]/(最終變形-起始變形)=630/(最終變形-起始變形)計(jì)算得到；車轍變形曲線累積面積通過(guò)車轍變形量對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分的方式計(jì)算得到。

由圖1和表4可以看出：

表4 車轍變形曲線指標(biāo)

(1)采用對(duì)數(shù)模型可以較好地模擬AC-13瀝青混合料在車轍試驗(yàn)過(guò)程中的車轍變形隨加載時(shí)間的變化規(guī)律，擬合系數(shù)均可達(dá)到0.99以上。

(2)隨著碾壓時(shí)間的增長(zhǎng)，車轍變形量和車轍曲線累積面積均逐漸增大、增長(zhǎng)速率逐漸減小，動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算值逐漸增大，這是由于試樣被不斷擠密所致?；诖耍ㄗh采取不同加載階段的車轍試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果對(duì)不同變形階段的高溫性能進(jìn)行區(qū)分評(píng)價(jià)，以便對(duì)整個(gè)變形過(guò)程開(kāi)展綜合評(píng)價(jià)。

(3)隨著級(jí)配由細(xì)變粗，車轍變形量和車轍變形曲線累積面積逐漸減小；動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)較輕微的波動(dòng)，這可能是由于瀝青混合料試件具有變異性所致，但其總體呈增大趨勢(shì)。

3.2 三軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)對(duì)3種不同級(jí)配的AC-13瀝青混合料開(kāi)展60 ℃三軸蠕變?cè)囼?yàn)，并采用式(1)中給出的對(duì)數(shù)模型對(duì)應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化進(jìn)行擬合，測(cè)試及擬合結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 蠕變曲線

根據(jù)圖2的蠕變曲線擬合結(jié)果，將加載過(guò)程分為4個(gè)階段(0～150 s，150～300 s，300～450 s，450～600 s)，分別代表實(shí)際路面的4個(gè)不同應(yīng)用時(shí)期；對(duì)不同加載階段的蠕變應(yīng)變、累積應(yīng)變面積、曲線斜率、勁度模量等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。其中，蠕變應(yīng)變的計(jì)算通過(guò)將加載時(shí)間代入擬合曲線的方式計(jì)算得到；累積應(yīng)變面積通過(guò)應(yīng)變對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分的方式計(jì)算得到；曲線斜率為某時(shí)間段內(nèi)應(yīng)變值變化速率的平均值；勁度模量采用加載采用的垂直壓應(yīng)力與應(yīng)變的比值計(jì)算得到。由圖2和表5可以看出：

表5 蠕變曲線指標(biāo)

(1)采用對(duì)數(shù)模型可以較好地模擬AC-13瀝青混合料的蠕變應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化過(guò)程，擬合系數(shù)均可達(dá)到0.99以上。

(2)隨著加載時(shí)間的增長(zhǎng)，蠕變應(yīng)變和累積應(yīng)變面積逐漸增大，曲線斜率和勁度模量逐漸減小，變化速率均逐漸變緩，這主要是由于試樣被逐漸擠密所致?；诖耍ㄗh采取不同加載階段的三軸蠕變?cè)囼?yàn)計(jì)算結(jié)果對(duì)不同變形階段的高溫性能進(jìn)行區(qū)分評(píng)價(jià)，以便對(duì)整個(gè)變形過(guò)程開(kāi)展綜合評(píng)價(jià)。

(3)隨著級(jí)配由細(xì)變粗，AC-13瀝青混合料的最終蠕變應(yīng)變、累積應(yīng)變面積、曲線斜率均逐漸減小，蠕變末期勁度模量逐漸增大。蠕變應(yīng)變、累積應(yīng)變面積、曲線斜率越小，蠕變末期勁度模量越大，則瀝青混合料的高溫性能越好；反之，高溫性能越差。隨著級(jí)配由細(xì)變粗，AC-13瀝青混合料的高溫性能逐漸提高，試驗(yàn)結(jié)果與理論相吻合，表明三軸蠕變?cè)囼?yàn)可以較真實(shí)地反映瀝青混合料的高溫性能。

3.3 高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析

(1)三軸蠕變?cè)囼?yàn)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

由于3種級(jí)配的AC-13瀝青混合料的蠕變應(yīng)變、累積應(yīng)變面積、曲線斜率、勁度模量4個(gè)指標(biāo)間具有較好的一致性，為便于開(kāi)展對(duì)比分析，本研究對(duì)4個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表6～表9。

由表6～表9可見(jiàn)：

表6 蠕變指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)(加載時(shí)間150 s)

表7 蠕變指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)(加載時(shí)間300 s)

表8 蠕變指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)(加載時(shí)間450 s)

表9 蠕變指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)(加載時(shí)間600 s)

在不同的加載階段，三軸蠕變?cè)囼?yàn)的各指標(biāo)間具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均達(dá)到0.99以上，即蠕變應(yīng)變、累積應(yīng)變面積、曲線斜率、勁度模量均可作為瀝青混合料高溫性能的有效評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，蠕變勁度模量的定義明確，且眾多研究學(xué)者認(rèn)為其與路面抗車轍能力具有良好的相關(guān)關(guān)系[18]。因此，本研究將蠕變勁度模量作為高溫評(píng)價(jià)的代表性指標(biāo)，即：蠕變勁度模量越大，表示混合料的高溫性能越好。

(2)三軸蠕變?cè)囼?yàn)與車轍試驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性分析

雖然三軸蠕變?cè)囼?yàn)可以較好地判斷瀝青混合料在高溫環(huán)境下的抗車轍水平，但是由于其對(duì)操作人員、儀器設(shè)備等要求嚴(yán)格，不便于進(jìn)行推廣應(yīng)用，導(dǎo)致其應(yīng)用受限。而車轍試驗(yàn)雖然有一定弊端，但是其操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍極為廣泛?；诖?，本研究對(duì)三軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果與車轍試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，提取出合適的車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

車轍試驗(yàn)總加載時(shí)間為60 min，每次碾壓距離為230 mm，輪胎0.7 MPa下與試件的接觸長(zhǎng)度約為20 mm，將其作為加載單元，則在試驗(yàn)過(guò)程中，該加載單元的受壓時(shí)間約為60 min×(20 mm/230 mm)=5.2 min。三軸蠕變?cè)囼?yàn)總加載時(shí)間為600 s(即加載卸載600次)，加載卸載過(guò)程為：0.2 s加載、0.8 s卸載，其受壓時(shí)間為600次×0.2 s/次=120 s=2 min。因此，以三軸蠕變?cè)囼?yàn)600 s分成的4個(gè)階段為依據(jù)，對(duì)應(yīng)將相同加載時(shí)間(即加載時(shí)間分別為0.5，1，1.5，2 min，試驗(yàn)時(shí)間分別為5.8，11.5，17.3，23 min)的車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取出來(lái)，以便進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 對(duì)應(yīng)加載時(shí)間的車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)4個(gè)加載階段的蠕變勁度模量指標(biāo)和車轍變形量、動(dòng)穩(wěn)定度(車轍變形速率)、車轍變形曲線累積面積3個(gè)高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表11。

由表11可見(jiàn)：

表11 車轍試驗(yàn)指標(biāo)與蠕變勁度模量的相關(guān)系數(shù)

在不同的加載階段，AC-13瀝青混合料的蠕變勁度模量與車轍試驗(yàn)測(cè)得的車轍變形量、車轍變形速率、車轍變形曲線累積面積均具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值達(dá)0.86以上。其中，動(dòng)穩(wěn)定度(車轍變形速率)與蠕變勁度模量的相關(guān)性最好，其次為車轍變形曲線累積面積，最后為車轍變形量。因此，在不具備開(kāi)展三軸蠕變?cè)囼?yàn)的條件時(shí)，采用車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)為最優(yōu)選擇。

此外，雖然車轍試件和三軸蠕變?cè)囼?yàn)試件采用不同的成型方式，但是2種方法測(cè)得的瀝青混合料的高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)仍具有較好的相關(guān)性，說(shuō)明2種方式制備的瀝青混合料試件均形成了較好的密實(shí)結(jié)構(gòu)，其高溫性能均較優(yōu)。

4 結(jié)論

(1)采用對(duì)數(shù)模型可以較好地模擬AC-13瀝青混合料車轍變形和蠕變應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化規(guī)律，擬合系數(shù)均可達(dá)到0.99以上。

(2)蠕變應(yīng)變、累積應(yīng)變面積、曲線斜率及勁度模量間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系，均可作為瀝青混合料高溫性能的有效評(píng)價(jià)指標(biāo)；動(dòng)穩(wěn)定度與蠕變勁度模量間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系，在不具備開(kāi)展三軸蠕變?cè)囼?yàn)的條件時(shí)，采用車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)為最優(yōu)選擇。

(3)為體現(xiàn)瀝青混合料整個(gè)變形過(guò)程，建議采用不同加載階段的三軸蠕變?cè)囼?yàn)指標(biāo)或動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行高溫性能綜合評(píng)價(jià)，但具體指標(biāo)要求需通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐確定。