橡膠顆粒瀝青混合料修正的動(dòng)穩(wěn)定度研究

王國忠， 張巖， 馮曉波， 李海軍

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古路橋集團(tuán)有限責(zé)任公司 第六工程處)

1 前言

瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是用于判斷瀝青混合料的抗車轍性能，評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)之一。瀝青混合料的抗車轍性能并不能完全表征瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，因此動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)在評價(jià)高溫穩(wěn)定性方面還存在缺陷，如未考慮車轍的累積變形量以及不同時(shí)間段的變形速率等。

目前，針對動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)的討論與修正諸多，岳學(xué)軍、黃曉明等分析了動(dòng)穩(wěn)定度評價(jià)高溫穩(wěn)定性的局限性，建議考慮車轍試驗(yàn)的相對變形評價(jià);S L Weissman進(jìn)行車轍試驗(yàn)的研究，提出應(yīng)考慮尺寸效應(yīng)影響;杜順成提出動(dòng)穩(wěn)定度未考慮車轍前期的累積變形量，將動(dòng)穩(wěn)定度公式修改為綜合穩(wěn)定指數(shù)作為高溫穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo);朱緯等指出動(dòng)穩(wěn)定度未考慮交通量及路面結(jié)構(gòu)的影響，通過對瀝青路面永久變形量驗(yàn)算方法進(jìn)行反算得到動(dòng)穩(wěn)定度的合理確定方法。然而，不同材料的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度至今并沒有統(tǒng)一的修正理論。該文通過標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)，對橡膠顆粒瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行研究，考慮橡膠顆粒受溫度的影響大于集料受溫度的影響，通過修改試驗(yàn)溫度，采用非標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)，對橡膠顆粒瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行修正，找出滿足橡膠顆粒瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的合理評價(jià)方法。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)材料

集料采用內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)產(chǎn)石灰?guī)r，礦粉采用的是石灰?guī)r細(xì)粉。根據(jù)相關(guān)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證集料的性質(zhì)均滿足規(guī)范要求。

橡膠顆粒的大小全部采用4目，橡膠顆粒采用內(nèi)摻的形式添加在瀝青混合料中，即將一部分集料替換為橡膠顆粒。橡膠顆粒的摻量根據(jù)體積法計(jì)算取試件總體積的2%，因此試驗(yàn)采用2%的橡膠顆粒替代一部分等體積的集料，并且替代的集料粒徑應(yīng)與橡膠顆粒的大小相近，所以，橡膠顆粒替代4.75～2.36 mm粒徑范圍的集料。橡膠顆粒的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。

瀝青采用韓國A-90#瀝青，該瀝青具有較大的稠度、塑性和較好的溫度穩(wěn)定性。按照規(guī)范中規(guī)定的方法測定瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 A90#瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.2 級配

瀝青混合料采用密級配AC-20型，級配如表3所示。最佳油石比通過馬歇爾試驗(yàn)確定為4.3%，空隙率確定為4%。由于橡膠顆粒采用內(nèi)摻法摻加，為了更好地對比摻加橡膠顆粒后，橡膠顆粒瀝青混合料與普通瀝青混合料之間的區(qū)別，排除額外因素的影響，橡膠顆粒瀝青混合料的瀝青用量與空隙率依然按普通瀝青混合料的大小計(jì)算，以橡膠顆粒瀝青混合料高溫評價(jià)方法研究為主，暫不考慮其最佳瀝青用量。

表3 AC-20 型瀝青混合料級配

3 理論依據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)是將成型的車轍板在溫度為60 ℃的試驗(yàn)條件下進(jìn)行輪碾碾壓60 min，通過計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度(DS)來判定瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。計(jì)算式如下：

(1)

式中:t1、t2為碾壓時(shí)間；d1、d2為t1、t2時(shí)刻對應(yīng)的碾壓深度；N為加載次數(shù)，一般取42；c1、c2為試樣修正系數(shù)，均取1。

其中t1、t2一般分別取45 min和60 min，因?yàn)樵诖藭r(shí)間內(nèi)試件受碾壓后的變形較為穩(wěn)定。而橡膠顆粒作為一種外摻骨料，其強(qiáng)度、剛度等受溫度的影響要遠(yuǎn)大于集料,尤其不同溫度范圍內(nèi)，橡膠顆粒具有較好的柔韌性和高彈性,且變形能力強(qiáng)，能起到抗車轍的作用。所以，45～60 min是否依然符合橡膠顆粒瀝青混合料計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度的要求，需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)過程

4.1 標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)流程，對橡膠顆粒瀝青混合料及普通瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由于橡膠顆粒在持續(xù)的高溫加熱下容易發(fā)生老化，在橡膠顆粒瀝青混合料的試件制備過程中，橡膠顆粒不可以與集料放置在一起進(jìn)行加熱，只需將橡膠顆粒放置在室溫環(huán)境下，待集料加熱完成時(shí)，隨加熱好的集料一同倒入拌鍋內(nèi)進(jìn)行拌和。由于橡膠顆粒的摻量相對較少，溫度升高得較快，不會(huì)對拌和溫度產(chǎn)生較大的影響。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)下位移-時(shí)間曲線

從圖1可以看出：橡膠顆粒瀝青混合料在60 min的總變形量要大于普通瀝青混合料，說明此級配下的橡膠顆粒瀝青混合料抗車轍性比普通瀝青混合料差，原因在于橡膠顆粒并不是按最佳摻量摻加，在一定程度上減小了原混合料的剛度；又因?yàn)樵囼?yàn)中的橡膠顆粒瀝青混合料并未采用最佳瀝青用量，而是沿用了普通瀝青混合料的瀝青用量，導(dǎo)致其碾壓深度增加，但該試驗(yàn)僅以動(dòng)穩(wěn)定度評價(jià)指標(biāo)的修正方法為主，這一點(diǎn)并不影響試驗(yàn)的分析及最終的研究結(jié)果。

為了判斷45～60 min是否符合橡膠顆粒瀝青混合料計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度的要求，按照原有動(dòng)穩(wěn)定度公式中的15 min時(shí)間間隔，將時(shí)間t1、t2也同樣更改為間隔15 min的其他時(shí)間段代入，這樣設(shè)置的目的在于不僅與原有的動(dòng)穩(wěn)定度時(shí)間段形成較好的對比，也能直觀地判斷45～60 min時(shí)間段的合理性。為了較為全面地分析比較兩種材料的車轍曲線，暫將碾壓時(shí)間延長至90 min，位移-時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 不同混合料加載90 min的位移-時(shí)間曲線

計(jì)算兩種材料在不同時(shí)間的動(dòng)穩(wěn)定度值，結(jié)果見表4。從表4可以看出：普通瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度在60 min后相差不大，45～60 min的動(dòng)穩(wěn)定度與60 min之后的動(dòng)穩(wěn)定度接近，所以，這段時(shí)間是處于曲線的壓密穩(wěn)定初期階段。這與標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)中動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算取t1為45 min、t2為60 min是一致的。而橡膠顆粒瀝青混合料在60 min內(nèi)的動(dòng)穩(wěn)定度并未穩(wěn)定，顯然碾壓時(shí)間取45～60 min在理論上不符合要求，不能作為計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度所選取的時(shí)間段。需對此時(shí)間段進(jìn)行修改，同時(shí)考慮在不同溫度下t1、t2的取值。

表4 不同t1、t2下兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

4.2 動(dòng)穩(wěn)定度在不同溫度下的修正

4.2.1 試驗(yàn)溫度

車轍試驗(yàn)的最高溫度不大于80 ℃，標(biāo)準(zhǔn)溫度為60 ℃，北方寒冷地區(qū)的最高氣溫基本在35 ℃以下。所以試驗(yàn)以60 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，取試驗(yàn)最低溫度為40 ℃，最高溫度為70 ℃，間隔為10 ℃進(jìn)行不同溫度下橡膠顆粒瀝青混合料的車轍試驗(yàn)。為了得到完整的位移-時(shí)間曲線，將碾壓時(shí)間統(tǒng)一延長到120 min,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出：40～70 ℃的變形曲線均符合正常的曲線發(fā)展規(guī)律，且隨著溫度的升高，位移逐漸增大，位移的增長幅度也隨之增大。

4.2.2 溫度敏感性

在不同的碾壓時(shí)間段內(nèi)，瀝青混合料的車轍變形量也不同，由表4可看出：普通瀝青混合料在每段時(shí)間內(nèi)的動(dòng)穩(wěn)定度都比橡膠顆粒瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大，說明此級配下的橡膠顆粒瀝青混合料的溫度敏感性較高，所以壓密穩(wěn)定階段的位置也會(huì)發(fā)生變化。由圖3可看出：橡膠顆粒瀝青混合料在進(jìn)入壓密穩(wěn)定階段之前，曲線的形變接近于對數(shù)增長，相對變形較大，隨著溫度的不斷升高，相對變形也不斷增大。由于不同溫度下的車轍曲線直線發(fā)展期的范圍難以確定，需要進(jìn)行大量的重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證，而標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)穩(wěn)定度公式所選用的時(shí)間段范圍也是通過大量的重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證得到的。所以，參考標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算公式，在不同溫度下，從0時(shí)刻開始，選取每段時(shí)間間隔為15 min的時(shí)間段，計(jì)算各段的動(dòng)穩(wěn)定度，如圖4所示。

圖3 瀝青混合料在不同溫度下的位移-時(shí)間曲線

圖4 橡膠顆粒瀝青混合料在不同溫度和碾壓

由圖4可以看出：溫度越低，時(shí)間段越靠后，動(dòng)穩(wěn)定度越大，表現(xiàn)出混合料溫度敏感性越小。由于不同溫度下動(dòng)穩(wěn)定度變化的曲線不相同，壓密穩(wěn)定階段的位置也不同，則對應(yīng)的t1、t2的取值也就不同。

4.2.3 變形速率的比較分析

為了確定不同溫度下t1、t2對應(yīng)的時(shí)間段取值，需要對曲線進(jìn)行深入分析。由于曲線的相對變形越小，動(dòng)穩(wěn)定度值越大，不能直接反映曲線的變形情況，而曲線的變形速率在公式上可近似看做動(dòng)穩(wěn)定度的倒數(shù)，計(jì)算更為簡便，更能直觀地反映曲線在某一段時(shí)間內(nèi)的變化情況。所以以下均采用變形速率進(jìn)行分析。變形速率公式如下：

(2)

參照溫度敏感性的分析方法，從0時(shí)刻起，每間隔15 min取一點(diǎn)，按照式(2)計(jì)算每兩點(diǎn)間的平均變形速率。

由于0～15 min的變形速率過大，不存在處于壓密穩(wěn)定階段的可能。所以15 min后的不同加載時(shí)間段的變形速率如圖5所示。

圖5 橡膠顆粒瀝青混合料在不同溫度下的變形速率

由圖5可以看出：在40 ℃時(shí)，30 min之前的變形速率較大，45 min之后的變形速率雖然逐漸減小，但減小值很小，可認(rèn)為曲線在此時(shí)的變形穩(wěn)定，處于壓密穩(wěn)定階段，曲線可以近似看作一條直線。而30～45 min的變形速率較之前和之后的時(shí)間段均有較大的減小，則30～45 min這段時(shí)間為曲線的直線發(fā)展期，可作為計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度所選取的時(shí)間段。同理，在50和60 ℃的條件下，可分別選取45～60、60～75 min的曲線段作為計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度的時(shí)間段。當(dāng)溫度為70 ℃時(shí)，曲線在105 min之前的變形速率過大，計(jì)算出的動(dòng)穩(wěn)定度值較小，不符合路面最小動(dòng)穩(wěn)定度要求，而在120 min內(nèi)的圖像也無法合理判別時(shí)間段。將試驗(yàn)?zāi)雺簳r(shí)間進(jìn)一步延長，發(fā)現(xiàn)120 min之后的變形速率雖有減小，但減小值很小，可以認(rèn)為105 min之后屬于壓密穩(wěn)定階段。則可取105～120 min的曲線段作為計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度的時(shí)間段。將所選不同溫度下的時(shí)間段列于表5中。

表5 動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算的修正時(shí)間段

高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料在高溫情況下的一種屬性，不應(yīng)由外部因素的影響而改變了其屬性的特征。將修改后的動(dòng)穩(wěn)定度與45～60 min的時(shí)間段所計(jì)算的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行比較，如表6所示。

表6 不同溫度下不同時(shí)間段橡膠顆粒瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

由表5可以看出：未修正的動(dòng)穩(wěn)定度在不同溫度下的數(shù)值相差較大，在40 ℃時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度較大，而在70 ℃的情況下，動(dòng)穩(wěn)定度過小不滿足規(guī)范要求。所以不能合理地表征混合料的高溫穩(wěn)定性特點(diǎn)。而經(jīng)過修正的動(dòng)穩(wěn)定度，在不同溫度下的數(shù)值較為接近，與未修正的動(dòng)穩(wěn)定度相比，能夠合理地表征橡膠顆粒瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的本質(zhì)屬性，同時(shí)在理論上也符合動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算要求。

由表5可以看出：時(shí)間段的選取隨溫度的升高而逐漸增加，修正的時(shí)間段在總的碾壓時(shí)間內(nèi)逐漸后移，說明溫度是影響位移-時(shí)間曲線中壓密階段與壓密穩(wěn)定階段的主要因素之一，溫度越高，壓密階段時(shí)間越長，壓密穩(wěn)定階段越靠后。而瀝青混合料的抗車轍能力隨著溫度的升高逐漸下降。所以可以得出，壓密穩(wěn)定階段越靠后，瀝青混合料的抗車轍性能越弱。

5 結(jié)論

(1) 通過對普通瀝青混合料與橡膠顆粒瀝青混合料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)，對比分析得出45～60 min的位移曲線不符合橡膠顆粒瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算的理論時(shí)間段。

(2) 通過對不同溫度下的橡膠顆粒瀝青混合料溫度敏感性進(jìn)行分析，得出不同溫度下橡膠顆粒瀝青混合料的壓密穩(wěn)定階段所在曲線的位置不同，則對應(yīng)t1和t2的取值不同。

(3) 改變車轍試驗(yàn)的溫度與碾壓時(shí)間，對橡膠顆粒瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行修正，得出溫度為40、50、60、70 ℃時(shí)，t1和t2的合理取值分別為30～45、45～60、60～75、105～120 min。

(4) 位移-時(shí)間曲線中壓密穩(wěn)定階段隨溫度的升高逐漸后移，且壓密階段時(shí)間越長，壓密穩(wěn)定階段越靠后，瀝青混合料的抗車轍性能越差。