瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗(yàn)條件分析

謝玲兒 楊建華 李 偉 張爭(zhēng)奇

(寧波市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司1) 寧波 315121) (長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院2) 西安 710064) (南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院3) 南昌 330038)

瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗(yàn)條件分析

謝玲兒1)楊建華2)李 偉3)張爭(zhēng)奇2)

(寧波市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司1)寧波 315121) (長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院2)西安 710064) (南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院3)南昌 330038)

為了保證瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使不同類型的混合料圓柱體試件用于國(guó)標(biāo)車轍儀時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果具有較高的重復(fù)性.通過(guò)設(shè)計(jì)瀝青混合料圓柱體試件模具，分析確定了圓柱體試件車轍試驗(yàn)溫度、試件成型后適宜的放置時(shí)間及試件拼接縫的最大寬度.結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青混合料與改性瀝青混合料圓柱體試件國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)溫度分別為60 ℃和70 ℃；試件放置時(shí)間與拼接縫的寬度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，基質(zhì)瀝青混合料試件成型后需放置1 d且在15 d內(nèi)進(jìn)行車轍試驗(yàn)，改性瀝青混合料試件在成型后需放置至少2 d再進(jìn)行車轍試驗(yàn)；拼接縫的寬度不能大于8 mm，否則可認(rèn)為試件是無(wú)效的，試驗(yàn)結(jié)果不能真實(shí)地反映瀝青混合料的高溫抗車轍性能.

瀝青混合料；圓柱體試件；車轍試驗(yàn)溫度；試件放置時(shí)間；拼接縫寬度

0 引 言

目前，世界各國(guó)普遍采用車轍試驗(yàn)衡量瀝青混合料的高溫抗車轍性能，我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用尺寸為30 cm×30 cm×5 cm的板式試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，且指出可在路面上切割獲取規(guī)則的板狀體進(jìn)行檢測(cè)實(shí)體路面的抗車轍性能[1-2].但是，實(shí)際工程竣工驗(yàn)收及道路養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于缺乏具體的檢測(cè)方案且板式試件難以在實(shí)體路面上切割獲得，實(shí)體路面的抗車轍性能并未得到檢測(cè).

板式試件難以在實(shí)體路面上取樣，且即使取樣成功，會(huì)對(duì)路面造成較大的損害，這些損害會(huì)成為路面產(chǎn)生諸如裂縫、坑槽等其他病害的源頭.鑒于此，王輝等[3-5]提出利用路面芯樣檢測(cè)實(shí)體路面的高溫抗車轍性能，該方法對(duì)路面的損傷程度小且可利用為檢測(cè)路面的壓實(shí)度而獲取的路面芯樣，沒(méi)有必要專門(mén)為檢測(cè)路面的高溫抗車轍性能而在路面上鉆取芯樣.趙春花[6]提出利用柔性約束代替剛性約束進(jìn)行車轍試驗(yàn)，且利用有限元工具分析得出柔性約束與剛性約束所受到的剪應(yīng)力和橫向應(yīng)力的變化規(guī)律具有相似性，這為柔性約束的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)；王新剛[7]通過(guò)試驗(yàn)得出瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度與板式試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度間有顯著的線形相關(guān)性，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了瀝青混合料圓柱體試件用于國(guó)標(biāo)車轍儀而衡量其高溫抗車轍能力的可行性，且指出了基質(zhì)瀝青混合料與改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)溫度的確定方法，這為圓柱體試件車轍試驗(yàn)的應(yīng)用奠定了實(shí)踐基礎(chǔ).

本文研究確定了瀝青混合料圓柱體試件在國(guó)標(biāo)車轍儀上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的溫度、試件放置時(shí)間及拼接縫的最大寬度，這在保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性方面有重要意義.同時(shí)，可將室內(nèi)圓柱體試件的車轍試驗(yàn)過(guò)渡到實(shí)體路面抗車轍性能檢測(cè)中，使實(shí)體路面抗車轍性能的檢測(cè)成為可能，這在保證路面的施工質(zhì)量，從而延長(zhǎng)路面使用壽命方面具有重要作用.

1 試驗(yàn)原材料

1.1 試驗(yàn)?zāi)z結(jié)料及集料

試驗(yàn)?zāi)z結(jié)料選用A級(jí)70#基質(zhì)瀝青及成品的SBS改性瀝青，AC-13級(jí)配采用玄武巖集料，粗集料為9.5～16,4.75～9.5 mm的碎石，細(xì)集料為9.5～16 mm的碎石加工的機(jī)制砂，填料為9.5～16 mm的碎石加工的礦粉.AC-20級(jí)配的集料礦物組成為石灰?guī)r，且粗集料為19～26.5,9.5～19,4.75～9.5,2.36～4.75 mm的石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為9.5～19 mm的碎石加工的機(jī)制砂，填料采用9.5～19 mm碎石加工的礦粉.為保證室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前先對(duì)原材料進(jìn)行優(yōu)選，即對(duì)兩種瀝青及集料的各項(xiàng)技術(shù)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范的要求[8-9]，其中玄武巖集料基本性能見(jiàn)表1～2.

表1 玄武巖粗集料基本性能

表2 玄武巖細(xì)集料和填料基本性能

1.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用實(shí)際工程中常用的AC-13和AC-20級(jí)配、兩種瀝青(70#和SBS改性瀝青)共四種類型的瀝青混合料，分別記為AC-13-70#、AC-13-SBS、AC-20-70#和AC-20-SBS.配合比設(shè)計(jì)采用Superpave方法，最終得AC-13-70#混合料的瀝青用量為4.3%，AC-13-SBS混合料的瀝青用量為4.8%，AC-20-70#混合料的瀝青用量為4.1%，AC-20-SBS混合料的瀝青用量為4.3%.AC-13和AC-20合成級(jí)配見(jiàn)表3.

表3 AC-13和AC-20合成級(jí)配

2 車轍試驗(yàn)?zāi)＞?/h2>

結(jié)合我國(guó)車轍試驗(yàn)儀碾壓輪寬50 mm、碾壓長(zhǎng)度(230±10) mm及SGC所能夠成型的瀝青混合料圓柱體試件的直徑(150 mm或100 mm)，設(shè)計(jì)的對(duì)圓柱體試件呈柔性約束的模具，見(jiàn)圖1.這樣設(shè)置能夠保證碾壓輪寬小于兩試件相切部分的寬度(90 mm)及碾壓長(zhǎng)度小于兩試件拼接后的總長(zhǎng)度(270 mm)，在保證這兩者條件下試件應(yīng)盡可能大，以減小邊界約束的影響，若邊界約束程度過(guò)大，則試驗(yàn)產(chǎn)生的車轍變形量過(guò)小，由于我國(guó)車轍試驗(yàn)儀上的位移傳感器靈敏度較小，則會(huì)發(fā)生位移傳感器對(duì)過(guò)小的變形檢測(cè)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，從而使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差.

模具具有耐高溫、耐腐蝕且抗壓強(qiáng)度高的特性，其厚度為5 cm.模具由兩部分對(duì)稱拼接而成，該兩部分由合頁(yè)相連接，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需將該模

圖1 圓柱體試件模具(單位：mm)

具放入板式試件對(duì)應(yīng)的鋼模中，以保證試驗(yàn)時(shí)模具的穩(wěn)定性.

3 車轍試驗(yàn)條件分析

3.1 試驗(yàn)溫度

本次試驗(yàn)以相關(guān)性和可區(qū)分性為原則，確定圓柱體試件國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)溫度.分別利用輪碾成型儀和SGC成型上述不同類型的混合料板式試件和直徑為150 mm的圓柱體試件，且對(duì)圓柱體試件進(jìn)行切割修整，在溫度為50，60和70 ℃的條件下對(duì)圓柱體試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，且在規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度60 ℃條件下對(duì)板式試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，平行試驗(yàn)均為四組，分別建立50，60和70 ℃條件下圓柱體試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度與60 ℃條件下板式試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度間的相關(guān)關(guān)系(aCT=bS60 ℃+c.式中：a，b，c均為常數(shù)).試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～6.

表4 60 ℃條件下試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度 次/mm

表5 50 ℃和70 ℃條件下圓柱體試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度 次/mm

表6 線形相關(guān)系數(shù)

注：C50 ℃，C60 ℃，C70 ℃分別為50，60和70 ℃時(shí)的圓柱體試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度；S60 ℃為60 ℃時(shí)的板式試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度.

由表4～5可知，無(wú)論是基質(zhì)瀝青混合料還是改性瀝青混合料，在某一試驗(yàn)溫度下，公稱粒徑較大級(jí)配的混合料其抗車轍性能明顯優(yōu)于公稱粒徑較小級(jí)配的混合料.同時(shí)，由于圓柱體試件的試模約束更強(qiáng)，則圓柱體試件產(chǎn)生單位變形量所承受的平均作用次數(shù)顯著高于板式試件.由表6可知，三種溫度下，基質(zhì)瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度均與標(biāo)準(zhǔn)溫度(60 ℃)下板式試件車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度間有良好的線形相關(guān)性，且改性瀝青混合料具有同樣的規(guī)律，則從理論上，基質(zhì)與改性瀝青混合料圓柱體試件均可在這三種溫度下進(jìn)行車轍試驗(yàn).但實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在50 ℃條件下，圓柱體試件的變形量普遍小于1 mm，由于變形量的變化區(qū)間小，不能有效地區(qū)分抗車轍性能的優(yōu)劣，因此，不能將50 ℃設(shè)定為基質(zhì)或改性瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗(yàn)溫度.同時(shí)，在70 ℃條件下，基質(zhì)瀝青混合料圓柱體試件在進(jìn)行車轍試驗(yàn)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)松散剝落的現(xiàn)象，同樣不能將70 ℃設(shè)定為基質(zhì)瀝青混合料圓柱體試件的車轍試驗(yàn)溫度，而將60 ℃設(shè)定為基質(zhì)瀝青混合料的車轍試驗(yàn)溫度.對(duì)于改性瀝青混合料，其在70 ℃條件下具有良好的區(qū)分度且試件保持完整，因此，可將改性瀝青混合料的試驗(yàn)溫度設(shè)定為70 ℃.

3.2 試件放置時(shí)間

為了確定試件的放置時(shí)間，試驗(yàn)選擇上文所述的AC-20-70#和AC-20-SBS兩種瀝青混合料，按照試模尺寸，利用SGC分別成型直徑均為150 mm、厚度為5cm的兩種混合料圓柱體試件各六個(gè)，對(duì)試件進(jìn)行切割修整，使每種混合料具有三組試件.在室溫下放置不同時(shí)間后在國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)儀上進(jìn)行車轍試驗(yàn)，從而得三組平行試驗(yàn)結(jié)果的均值.其中SBS改性瀝青混合料試件試驗(yàn)溫度為70 ℃，基質(zhì)瀝青混合料試件試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 圓柱體試件放置不同天數(shù)的車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖2a)可知，基質(zhì)瀝青混合料90 d的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差，動(dòng)穩(wěn)定度急劇減小，車轍深度迅速增大，而放置1，7，15和30 d的試驗(yàn)結(jié)果比較接近，這表明試件養(yǎng)生1 d且放置在30 d時(shí)間內(nèi)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不明顯，但試驗(yàn)是在室內(nèi)溫度不高的情況下進(jìn)行，如果室內(nèi)溫度較高，則放置30 d可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果產(chǎn)生較大影響.因此，試件成型后需養(yǎng)生1 d且在15 d內(nèi)進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

由圖2b)可知，SBS改性瀝青混合料可能由于其成型后有一個(gè)較長(zhǎng)的冷卻固化過(guò)程，當(dāng)固化完成后，在溫度不高的條件下試件放置時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不明顯.因此，成型2 d進(jìn)行圓柱體試件車轍試驗(yàn)，其動(dòng)穩(wěn)定度較小，但第8 d動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)了60%，而放置8，15，30和90 d的試驗(yàn)結(jié)果比較接近.

綜上，試驗(yàn)過(guò)程中要注意控制試驗(yàn)時(shí)間的安排，以減少試驗(yàn)結(jié)果誤差.為此，在外界環(huán)境溫度不高的條件下，基質(zhì)瀝青混合料試件成型后需養(yǎng)生1 d且在15d之內(nèi)完成車轍試驗(yàn)，改性瀝青混合料試件在成型后需放置至少2 d再進(jìn)行車轍試驗(yàn).

3.3 試件拼接縫寬度

由于圓柱體車轍試驗(yàn)方法中，試件是將兩個(gè)圓柱體試件切割修整后拼接而成.因此，試模中的兩個(gè)圓柱體試件并不能完全吻合，試件放入試模后往往會(huì)產(chǎn)生1～8 mm的縫隙，此縫隙對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大影響.本文采用上述兩種類型的混合料試件進(jìn)行研究，將8 mm寬縫隙與1 mm窄縫隙圓柱體試件的動(dòng)穩(wěn)定度和車轍變形量進(jìn)行對(duì)比，研究縫隙對(duì)車轍試驗(yàn)的影響，從而確定試件拼接縫的最大寬度.

為了使差異更明顯，試驗(yàn)在較高溫度70℃下進(jìn)行，圖3～4分別為車轍試驗(yàn)前的試件和試驗(yàn)后的變形試件.由圖4可知，兩組試件的變形存在顯著差異，具體是：寬縫隙組的混合料流動(dòng)變形比較大，混合料向中間和兩側(cè)流動(dòng)，試件表面呈明顯的“W”形.窄縫隙組的試件變形小，只有輪跡作用下的混合料向中間流動(dòng)，且試件表面車轍深度小，呈輕微的“U”形.

圖3 車轍試驗(yàn)前的試件

圖4 車轍試驗(yàn)后縫隙處的變形

表7為兩種類型瀝青混合料寬縫隙與窄縫隙條件下的試驗(yàn)結(jié)果.從表7可知，由于縫隙的擴(kuò)大，AC-13基質(zhì)瀝青和改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別減小19%和17%，車轍深度分別增加65%和60%，這表明縫隙的寬度對(duì)圓柱形車轍試驗(yàn)結(jié)果的影響很大.因此，試件制備時(shí)應(yīng)盡量縮小拼接縫的寬度，以提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，由于試件拼接過(guò)程中橫縫無(wú)法避免，建議當(dāng)橫縫寬度大于2 mm時(shí)可在橫縫中灌入石膏或水泥，待冷卻凝固后進(jìn)行車轍試驗(yàn).當(dāng)橫縫寬度大于8 mm時(shí)，可以認(rèn)為該試件是無(wú)效的，車轍試驗(yàn)所得到的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)無(wú)法真實(shí)反映圓柱體試件的抗車轍性能.

表7 不同縫隙試件的車轍深度

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)相關(guān)性和可區(qū)分性，基質(zhì)與改性瀝青混合料圓柱體試件國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)溫度分別確定為60 ℃和70 ℃.

2) 在溫度不高的環(huán)境下，基質(zhì)瀝青混合料試件成型后需養(yǎng)生1 d且在15 d內(nèi)進(jìn)行車轍試驗(yàn)，改性瀝青混合料試件在成型后需至少放置2 d，待改性瀝青充分固化后再進(jìn)行車轍試驗(yàn)，否則會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

3) 試件拼接過(guò)程中的橫縫無(wú)法避免，當(dāng)拼接后的橫縫在1～8 mm時(shí)，可在拼接縫中灌入石膏或水泥來(lái)增強(qiáng)約束；當(dāng)拼接縫寬度大于8 mm時(shí)，則該組試件是無(wú)效的，需要重新成型且切割修整試件，否則試驗(yàn)所得到的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)無(wú)法客觀真實(shí)地反映該瀝青混合料的高溫抗車轍性能.

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Condition Analysis of Rutting Test Based on Cylindrical Specimens of Asphalt Mixture

XIE Ling’er1)YANG Jianhua2)LI Wei3)ZHANG Zhengqi2)

(NingBoCommunicationConstructionEngineeringTestingCenterCo.Ltd.,Ningbo315121,China)1)(HighwayCollegeofChang’anUniversity,Xi’an710064,China)2)(NanchangAcademyofUrbanPlanningandDesign,Nanchang330038,China)3)

In order to ensure the accuracy of the rutting test results of the asphalt mixture’s cylindrical specimens and make the results higher repeatability, different types of mixtures of cylindrical specimens are used to measure the rutting resistance of asphalt mixture at high temperature. Based on the mould designed for cylindrical specimens of asphalt mixture, the rutting test temperature of cylindrical specimens is determined, and the appropriate time that the specimens is placed after forming and maximum width of the seam-line are analyzed and determined. The results show that the cylindrical specimens’ rutting test temperature of matrix and modified asphalt mixture’s are 60 ℃ and 70 ℃, respectively, under the rutting tester of slab specimens. Besides, the time of specimens’ placement and the width of seam-line have a significant effect on the test results, and the specimens of matrix asphalt mixture are required to place at least one day until the rutting test is made, but the placing time is also less than fifteen days. The specimens of modified asphalt mixture are supposed to place at least two days after forming before the rutting test begins. Besides, the width of the seam-line cannot be more than 8 mm, otherwise it will be considered as invalidity and the test results cannot truly reflect the rutting resistance of asphalt mixture at high temperature.

asphalt mixture; cylindrical specimens; rutting test temperature; placing time of specimens; width of seam-line

2017-06-19

U416.03

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.020

謝玲兒(1973—)：女,高級(jí)工程師,主要研究領(lǐng)域?yàn)槁坊访鏅z測(cè)技術(shù)