基于GTM旋轉壓實參數(shù)的AC-13高溫性能評價指標研究

楊 博

(湖南湘建檢測有限公司，湖南 長沙 410013)

基于GTM旋轉壓實參數(shù)的AC-13高溫性能評價指標研究

楊 博

(湖南湘建檢測有限公司，湖南 長沙 410013)

采用GTM試驗機對工程常用表面層瀝青混合料AC — 13進行成型，并對成型試件進行三軸重復加載蠕變試驗，檢測試件的蠕變勁度模量。蠕變勁度模量能夠表征混合料的高溫穩(wěn)定性。對GTM試驗過程的6個變量參數(shù)與蠕變勁度模量進行回歸分析。分析表明：GSI與高溫穩(wěn)定性不具相關性，GSF、GSF/GSI相關系數(shù)相對較大，旋壓次數(shù)N相關性不顯著；P1與蠕變勁度模量有良好的相關性，P1能夠有效評判AC — 13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,推薦采用其作為瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評判指標。

AC — 13; GTM；壓實曲線；高溫性能；斜率；穩(wěn)定度指數(shù)；GSF

0 引言

目前用于評定(或間接表征)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的試驗方法較多[1，2]，主要有車轍模擬試驗、馬歇爾穩(wěn)定度試驗、蠕變試驗等，但大都具有局限性。如馬歇爾試驗的MS和FL兩個指標，雖在GBJ 92 — 93中規(guī)定采用MS來評價混合料的高溫穩(wěn)定性[3]，但在之后的研究認為MS與路面車轍量之間的相關性不強，MS僅能夠一定程度上間接地反映混合料高溫時的內聚力[4]。

車轍模擬試驗主要有車轍試驗、大型直道、環(huán)道試驗等。小型室內往復式車轍試驗因為其試驗設備簡單，工作原理也比較直觀，因此被許多國家廣泛接受。但車轍試驗主要是模擬車載的重復作用，其評價指標動穩(wěn)定度，僅是一個經(jīng)驗指標，不能用于力學驗算和車轍量化預測。動穩(wěn)定度是基于碾壓至45～60 min過程混合料變形曲線的斜率獲得，不能代表瀝青混合料的整個永久變形過程，如壓實、剪切和流動等。因此，動穩(wěn)定度相同，混合料的永久變形可能相差很大[5]，且試驗條件的波動對動穩(wěn)定度值存在很大影響[6]。環(huán)道試驗、直道試驗等足尺試驗與路面結構及路面實際受力狀態(tài)一致，檢測結果最具代表性，然而足尺試驗成本高且循環(huán)周期長，僅適用于科學研究。

蠕變試驗，如單軸靜態(tài)蠕變試驗、三軸重復加載蠕變試驗等，尤其是動態(tài)三軸壓縮剪切蠕變試驗，與道路受力狀態(tài)十分相似，試驗過程能夠檢測蠕變勁度模量、彈性模量、泊松比以及永久變形與加載頻率間的關系[7]，蠕變勁度模量指標與瀝青混合料高溫性能相關性顯著。理論上采用本實驗評定混合料抗車轍性能可具代表性，但實驗過程對人員以及設備要求較高，難以在全國范圍內使用普及。雖然單軸壓縮蠕變試驗相對簡易，但其力學模型不具備橫向約束條件的模擬。因此，單軸壓縮蠕變試驗僅能夠用來評判懸浮密實型瀝青混合料，其強度貢獻主要依靠瀝青瑪蹄脂的粘附性；而不能夠用來評價強度的形成主要依靠骨架間的嵌擠作用的混合料，如骨架空隙型和骨架密實型瀝青混合料。

因此，以上所述試驗在評定瀝青混合料高溫性能具有其局限性。GTM試驗原理表明其能夠用于評定瀝青混合料的高溫性能，在世界上也是較為前言的評估方法。本文選用工程常用AC — 13表面層瀝青混合料，采用GTM試驗機成型試件，繼而對成型的試件進行三軸重復加載蠕變試驗，測得試件的蠕變勁度模量(表征混合料的高溫穩(wěn)定性)。將GTM成型過程的6個變量參數(shù)與蠕變勁度模量進行回歸分析，與蠕變勁度模量具有良好相關性的參數(shù)，用此評定混合料的高溫性能，為AC — 13瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評價提供一項便捷且具代表性的方法。

1 試驗原材料

為盡可能地模擬路面狀態(tài)，不同級配的瀝青混合料為現(xiàn)場攤鋪過程攤鋪機布料器處取樣。采用抽提、篩分檢測所取混合料的配比，分別將礦料合成級配曲線按從上至下擬定為細級配、中級配和粗級配，如表1所示。不同油石比的瀝青混合料為室內自動拌合機拌制，礦料級配為抽屜篩分的中級配。

瀝青為齊魯70#A級道路石油瀝青(表2)。粗、細集料均為破碎玄武巖，礦粉為石灰?guī)r磨細的礦粉。

表1 細、中和粗級配瀝青混合料礦料篩分結果

表2 #瀝青技術指標

2 試驗方案

2.1 GTM成型

瀝青混合料旋轉壓實剪切性能試驗(GTM)是美國工程兵團60年代發(fā)明的用來解決機場跑道承受重型轟炸機的輪載作用，1978 年被列入美國 ASTM規(guī)范，對試件旋轉揉搓成型的同時測出材料的抗剪強度及剪應力[9]。GTM能夠最大限度地模擬車載對路面的作用，采用了和應力有關的推理方法進行瀝青混合料的力學分析和設計，避免了馬歇爾等經(jīng)驗方法的不足[10]。

試件的成型采用GTM旋轉壓實成型，試件成型以極限平衡狀態(tài)進行控制[9]。GTM試驗機滾軸驅動方式為油壓式，旋轉壓實角為0.8°，豎向壓力0.7 MPa。試件成型溫度150～155 ℃，試件尺寸100 mm×100 mm。在旋壓過程瀝青混合料的瀝青兩個重要力學參數(shù)：穩(wěn)定度指數(shù)(GSI)和抗剪強度安全系數(shù)(GSF)，其中GSI指標表示瀝青混合料旋轉壓實至平衡狀態(tài)(每旋轉壓實100次試件密度變化率不大于0.016 g/cm3)時是否會產(chǎn)生塑性形變；表示瀝青混凝土被壓實到平衡狀態(tài)時的抗剪強度是否能承受行車荷載作用下所產(chǎn)生的剪應力[11]。故GTM適用于設計高溫穩(wěn)定性優(yōu)良瀝青混合料。此外，GTM試驗還能夠得到瀝青混合料壓實至所需抗剪強度的壓實曲線。

2.2 三軸重復加載蠕變試驗

目前評定瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法較多，而蠕變試驗則在世界范圍內廣受認可。在眾多蠕變試驗中，三軸重復加載蠕變試驗是與路面受力狀態(tài)最為接近的方法[12，13]。選用工程常用AC — 13瀝青混合料，以GTM成型的試件進行蠕變試驗，測定其蠕變勁度模量，用以代表瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，蠕變勁度模量大則混合料高溫穩(wěn)定性好，蠕變勁度小則高溫穩(wěn)定性差。

在汽車荷載作用下，瀝青路面的永久變形主要發(fā)生在氣溫高于25 ℃，路表溫度高于40 ℃的高溫情況[14]。在40 ℃以下，瀝青混合料產(chǎn)生的永久變形小，且我國車轍試驗及馬歇爾穩(wěn)定度試驗溫度均選取60 ℃，故試驗溫度選取60 ℃。采用英國生產(chǎn)的Cooper NU — 14試驗系統(tǒng)進行三軸重復加載蠕變試驗，檢測重復加載結束時混合料的蠕變勁度模量，以評定瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。蠕變試驗試驗參數(shù)選取：半正弦波間歇荷載，每次加載和卸載時間分別為0.2 s和0.8 s；豎向壓力為0.7 MPa，圍壓為0.1 MPa。

3 試驗結果及分析

雖然GTM試驗所得GSI和GSF理論上能夠反映混合料高溫剪切變形性能，實際上仍需進一步分析。旋壓過程的壓實曲線包含了很多有用信息，通過對壓實曲線的剖析，很有可能得到能夠反映混合料高溫穩(wěn)定性的參數(shù)。

對旋壓過程試件密度與旋轉次數(shù)進行回歸分析，知二者存在對數(shù)關系，且相關系數(shù)達R2=0.96，表明相關性良好[15]。路面攤鋪現(xiàn)場所得瀝青混合料的密度一般約為GTM旋壓成型試件密度的97%。對壓實曲線進行對數(shù)模型回歸，并考慮將旋壓至極限平衡狀態(tài)的參數(shù)GSI，GSF，GSF/GSI以及P1、P2作為瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評定指標。其中P1為試件初始壓實至97%壓實度過程壓實曲線的平均斜率，P2為試件97%壓實度至壓實至極限平衡狀態(tài)壓實曲線的平均斜率。如本文引言所述，蠕變勁度模量評價瀝青混合料高溫性能最具代表性。故為了能夠將各指標與瀝青混合料高溫性能相聯(lián)系，特對GTM旋壓成型的試件進行三軸重復加載蠕變試驗，檢測試件的蠕變勁度模量。

3.1 試驗結果匯總

分別對油石比為4.4%粗、中、細級配的AC — 13瀝青混合料旋轉壓實成型和三軸重復加載蠕變試驗，旋轉壓實曲線參數(shù)結果見表3，不同油石比AC — 13中級配瀝青混合料旋轉壓實參數(shù)及三軸重復加載蠕變試驗結果表4。

表3 不用級配混合料旋轉壓實參數(shù)以及三軸重復加載蠕變試驗結果

表4 不同油石比混合料旋轉壓實參數(shù)以及三軸重復加載蠕變試驗結果

3.2 試驗結果分析

由表3知，AC — 13不同級配混合料中，粗級配的蠕變勁度模量最大，高溫穩(wěn)定性最好，粗級配混合料比細級配提高43.5%；由表4知，不同油石比的AC — 13中級配混合料，隨著油石比的提高，混合料的蠕變勁度模量降低，油石比由3.8%增加至5.0%，蠕變勁度模量降低51.4%。即隨著油石比的增大，瀝青混合料的高溫性能下降，此趨勢與工程經(jīng)驗相符。

將不同級配(粗、中、細)AC — 13GTM試驗各參數(shù)與蠕變勁度模量進行回歸分析，如圖1所示。

由圖1得不同級配AC — 13混合料壓實曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相關系數(shù)，相關系數(shù)由大到小依次為：P1>P2>旋壓次數(shù)N>GSF/GSI>GSF>GSI。P1與蠕變勁度模量的相關系數(shù)最大，相關系數(shù)為R2=0.986 2，為高度相關；GSI與蠕變勁度模量的相關系數(shù)小于0.3，與蠕變勁度模量不具相關性。

圖1 不同級配各參數(shù)與蠕變勁度模量

將不同油石比AC — 13GTM試驗各參數(shù)與蠕變勁度模量進行回歸分析，見圖2。

由圖2得不同油石比AC — 13混合料壓實曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相關系數(shù)，相關系數(shù)由大到小依次為：P1>GSF/GSI>GSF>P2>GSI>旋壓次數(shù)N。旋壓次數(shù)N與蠕變勁度模量的相關系數(shù)最小，甚至小于0.3，表明旋壓次數(shù)N與蠕變勁度模量不具相關性。與不同級配AC — 13混合料壓實曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相比，P1相關系數(shù)均最大，表明GTM試驗壓實曲線參數(shù)中P1是具瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性代表性的一個重要參數(shù)。

圖2 不同油石比各參數(shù)與蠕變勁度模量

對不同級配和不同油石比壓實曲線參數(shù)與蠕變勁度模量回歸分析相關系數(shù)匯總，如表5所示。

表5 GTM試驗壓實曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相關系數(shù)匯總

表5中不同級配和不同油石比GTM試驗所有參數(shù)與蠕變勁度模量回歸分析相關系數(shù)匯總知，GSI與瀝青混合料蠕變勁度模量的相關系數(shù)R2的平均值最小，表明GSI與高溫穩(wěn)定性不具相關性；GSF、GSF/GSI與瀝青混合料蠕變勁度模量的相關系數(shù)相對較大，接近高度相關；旋壓次數(shù)N與瀝青混合料蠕變勁度模量R2為0.529 1，小于0.800，屬于中度相關范圍。

壓實曲線平均斜率P1與蠕變勁度模量的相關系數(shù)最大，R2平均值為0.967 4，接近1.00，相關性最好；壓實曲線平均斜率P2次之，但相關系數(shù)R2的平均值也超過0.80。進一步表明P1和P2與瀝青混合料高溫穩(wěn)定性具有良好的相關性。

推薦采用壓實曲線平均斜率P1評定AC — 13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，隨著平均斜率P1的減小蠕變勁度模量增大，即混合料高溫穩(wěn)定性增強。平均斜率P1小，表明混合料具有好的高溫穩(wěn)定性；平均斜率P1大，表明混合料的高溫穩(wěn)定性相對較差。

4 結論

1)AC — 13不同級配混合料中，粗級配的蠕變勁度模量最大，高溫穩(wěn)定性最好；隨著油石比的提高，混合料的蠕變勁度模量降低，瀝青混合料的高溫性能下降。

2)不同油石比AC — 13混合料壓實曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相關系數(shù)，相關系數(shù)由大到小依次為：P1>P2>GSF/GSI>GSF>旋壓次數(shù)N>GSI；不同級配則為：P1>GSF/GSI>GSF>P2>GSI>旋壓次數(shù)N。

3)GSI與高溫穩(wěn)定性不具相關性；GSF、GSF/GSI與瀝青混合料蠕變勁度模量接近高度相關；旋壓次數(shù)N與瀝青混合料蠕變勁度模量中度相關。

4)推薦采用壓實曲線平均斜率P1評定AC — 13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，隨著平均斜率P1的減小蠕變勁度模量增大，即混合料高溫穩(wěn)定性增強。平均斜率P1小，表明混合料具有好的高溫穩(wěn)定性；平均斜率P1大，表明混合料的高溫穩(wěn)定性相對較差。

[1] 葉遇春. 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評價指標的試驗研究[J]. 中外公路，2004(3)：87-90.

[2] 姚祖康. 對國外瀝青路面設計指標的評述(續(xù))[J]. 公路，2003(4)：49-56.

[3] 李闖民，李元元，李宏高. 30#瀝青混合料設計及施工監(jiān)控過程灰關聯(lián)分析[J]. 長沙理工大學學報，2015(1)：10-17.

[4] 沈金安. 關于瀝青混合料的均勻性和離析問題[J]. 公路交通科技，2001，18(6)：20-24.

[5] 陳忠達，袁萬杰，薛航，等. 瀝青混合料高溫性能評價指標[J]. 長安大學學報(自然科學版)，2006，26(5)：1-4.

[6] 孟書濤，黃曉明，范要武，等. 瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗的分析[J]. 公路交通科技，2005，22(11)：14-18.

[7] 樊統(tǒng)江，何兆益. 瀝青混合料蠕變勁度模量的靜態(tài)和動態(tài)響應[J]. 建筑材料學報，2008(6)：736-740.

[8] JTG F40 — 2004,公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S] .

[9] 任立鋒. 瀝青混合料設計GTM成型方法的研究[D]. 長春：吉林大學，2006.

[10] JTG E20 — 2011, 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[11] 劉朝暉，沙慶林. 超薄層瀝青混凝土SAC — 10礦料級配比較試驗研究[J]. 中國公路學報，2005，18(1)：7-14.

[12] Williams, C. R.,Prowell B. D. Comparison of Laboratory Wheel-Tracking Test Results to WesTrack Performance. In Transportation Research Record[J]. Transportation Research Board No. 1681 ,TRB , National Research Council , Washington , D.C., 2000.

[13] Brown,E. R. , Kandhal P. S. , Zhang J. Performance Testing for Hot Mix Asphalt[R]. NCAT Report No. 2001-05, Auburn, Ala:2015.

[14] 祁峰. 采用蠕變試驗評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性研究[D]. 西安：長安大學，2009.

[15] 吳傳海. 重載交通瀝青路面車轍成因及混合料組成設計研究[D]. 西安：長安大學，2008.

1008-844X(2017)02-0068-04

U 414

A