基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)分析

■李艷月

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

1 前言

瀝青混合料劈裂試驗(yàn)使試件圓柱體側(cè)面處于荷載作用的狀態(tài)， 由于在荷載作用下瀝青混合料試件中心部位材料處于拉伸狀態(tài)， 所以劈裂試驗(yàn)也可稱(chēng)為間接拉伸試驗(yàn)。 我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算層底拉應(yīng)力時(shí)， 正是采用了間接拉伸試驗(yàn)得到的強(qiáng)度。 瀝青混合料面層通常是采用多層攤鋪的形式，使用攤鋪機(jī)攤鋪瀝青混合料，在瀝青混合料得到充分壓實(shí)并自然冷卻后可開(kāi)放交通。 瀝青混合料試件制作通常采用擊實(shí)的方式壓實(shí)， 但擊實(shí)的方式容易導(dǎo)致瀝青混合料的碎石出現(xiàn)被砸裂的情況， 對(duì)評(píng)價(jià)瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度不準(zhǔn)確[1-5]。 因此，為模擬瀝青混合料壓實(shí)之后的強(qiáng)度，本文以密集配瀝青混合料AC-13C 為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)集料配合比， 使用瀝青混合料拌和機(jī)拌制AC-13C 瀝青混合料， 采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法對(duì)瀝青混合料進(jìn)行壓實(shí)， 并對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的瀝青混合料試件與擊實(shí)壓實(shí)的瀝青混合料試件進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)， 從而評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法瀝青混合料試驗(yàn)的性能。

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

為保證旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的瀝青混合料試件與擊實(shí)壓實(shí)的瀝青混合料試件是使用同種材料、在同種環(huán)境中制作，2 種壓實(shí)方式的瀝青混合料配合比都取相同。 瀝青混合料試驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，直徑為101.6 mm，高度為63.5 mm（圖1）。 試驗(yàn)所采用的瀝青是SBS 改性瀝青，粗集料是玄武巖（>2.36 mm），細(xì)集料是機(jī)制砂（<2.36 mm），礦粉是采用研磨后的石灰?guī)r礦粉（<0.075 mm）。集料需要經(jīng)過(guò)方孔篩篩分后才能使用。根據(jù)國(guó)家規(guī)范要求《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），瀝青混合料各不同粒徑集料與所選用最佳瀝青用量如表1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件

表1 AC-13C 瀝青混合料級(jí)配及瀝青用量

3 瀝青混合料拌制過(guò)程

瀝青混合料經(jīng)過(guò)配合比設(shè)計(jì)后， 將原材料放入烘箱中加熱備用。本文選取SBS 改性瀝青，因此配制瀝青混合料的集料、礦粉、瀝青等的預(yù)熱、拌和、壓實(shí)、脫模的溫度需要適當(dāng)提高，設(shè)定拌和溫度為165℃， 拌和完成后入模時(shí)的壓實(shí)溫度為150℃。 拌和機(jī)具有自動(dòng)加熱功能，并且能保持溫度， 拌和機(jī)的葉片能夠自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)， 葉片性能良好，能使瀝青混合料充分?jǐn)嚢瑁鶕?jù)試驗(yàn)規(guī)程選用自轉(zhuǎn)70 r/min，公轉(zhuǎn)40 r/min 的拌和速度，拌和機(jī)如圖2 所示。 首先，將加熱的粗細(xì)集料倒入拌和機(jī)的料斗，人工適當(dāng)攪拌均勻，然后加入SBS 改性瀝青，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)攪拌90 s，暫停攪拌加入礦粉，然后繼續(xù)攪拌90 s。

圖2 拌合機(jī)攪拌瀝青混合料

4 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)瀝青混合料

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀主要由反力架、加載裝置、旋轉(zhuǎn)基座、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、內(nèi)旋轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置、試模、錘頭（上壓盤(pán)）、底座（下壓盤(pán)）、測(cè)力裝置和壓力傳感器等組成[6-11]。 試模采用鋼材制造，試模壁的厚度大于7.5 mm， 試模內(nèi)壁應(yīng)足夠光滑，φ101.6 mm 試件的試模內(nèi)徑為101.5 mm。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)步驟如下：（1）打開(kāi)壓實(shí)儀的電源開(kāi)關(guān)、配件的電源開(kāi)關(guān)、計(jì)算機(jī)，并與壓實(shí)儀連接。 （2）設(shè)定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀旋轉(zhuǎn)角、垂直壓力和旋轉(zhuǎn)速率。 有效內(nèi)旋轉(zhuǎn)角為1.16°，垂直壓力為600 kPa，旋轉(zhuǎn)速率為30 r/min。 （3）設(shè)定要求的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)作為試驗(yàn)結(jié)束條件，分別為90 次、120 次、150 次。 （4）當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓頭具有保溫功能時(shí)，在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)前需將壓頭加熱保溫不少于15 min。 （5）用蘸有少許黃油的棉紗擦凈試模及下壓盤(pán)等, 然后置烘箱中加熱并保持到壓實(shí)溫度±5 ℃，恒溫不少于45 min。 （6）將瀝青混合料拌和好后,均勻稱(chēng)取一個(gè)試件所需的混合料質(zhì)量，混合料的質(zhì)量應(yīng)使成型后的試件高度達(dá)到試驗(yàn)所需高度±3 mm。（7）從烘箱中取出預(yù)熱的試模、下壓盤(pán)，在下壓盤(pán)上墊一張圓形紙片，防止瀝青粘到下壓盤(pán)上。 將稱(chēng)好的瀝青混合料迅速倒入試模內(nèi)，將混合料的表面整平，然后在頂面蓋上一張圓形紙片（圖3）。（8）將盛有瀝青混合料的試模放入旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀中，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)（或控制面板），設(shè)定各試驗(yàn)參數(shù)，開(kāi)動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，將壓實(shí)棰頭降下，直至施加的壓力達(dá)到設(shè)定值±18 kPa。 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀將按照設(shè)置的旋轉(zhuǎn)次數(shù)開(kāi)始自動(dòng)成型試件。 （9）試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)連續(xù)記錄不同壓實(shí)次數(shù)下的試件高度，并顯示垂直壓力。 升起旋轉(zhuǎn)壓頭，從旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀中取出試模（圖4）。 （10）剛成型好的熱試件不宜馬上脫模，需在室溫下適當(dāng)冷卻。 （11）用于測(cè)定試件體積參數(shù)時(shí)平行試驗(yàn)一般不少于4 個(gè)。 按照式（1）計(jì)算不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的試件密度，取3 位小數(shù)。

圖3 瀝青混合料入模

圖4 瀝青混合料試件脫模

式（1）中： ρx為不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的試件密度（體積法）（g/cm3）；m 為瀝青混合料試件質(zhì)量（g）；hx為不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的試件高度（mm）；d 為試模的直徑（mm）。

分別計(jì)算壓實(shí)旋轉(zhuǎn)次數(shù)分別為90 次、120 次、150 次的試件密度（表2）。 在壓實(shí)方式為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的情況下，隨著旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的增加，瀝青混合料的密度也隨之增加， 從90 次增加至120 次的情況下密度增加了0.053 g/cm3，而從120 次增加至150次的情況下密度僅增加了0.013 g/cm3（表2），可知在旋轉(zhuǎn)次數(shù)90 次的情況下瀝青混合料的壓實(shí)密度還不足夠，而旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加至150 次時(shí)，相較于120次旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加對(duì)瀝青混合料的密度增長(zhǎng)作用不大， 所以本文選擇120 次作為測(cè)定劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)壓實(shí)次數(shù)。 同時(shí)，測(cè)得壓實(shí)后的不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的瀝青混合料壓實(shí)度，結(jié)果顯示90 次壓實(shí)情況下的壓實(shí)度平均值為95.4%；120 次壓實(shí)情況下的壓實(shí)度平均值為97.5%；150 次壓實(shí)情況下的壓實(shí)度平均值為97.8%。 通過(guò)對(duì)壓實(shí)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 且由于在瀝青混合料的路面施工中需要達(dá)到96%以上的壓實(shí)度， 因此選擇120 次壓實(shí)遍數(shù)的瀝青混合料較為合理， 可以更好地滿(mǎn)足壓實(shí)效果。

表2 不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的試件密度

當(dāng)采用擊實(shí)壓實(shí)法壓實(shí)φ101.6 mm×63.5 mm瀝青混合料時(shí)，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，使擊實(shí)錘從457 mm 的高度自由落下到擊實(shí)規(guī)定的次數(shù) （選取75 次）， 經(jīng)檢測(cè)壓實(shí)度為96.4%； 結(jié)果顯示旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法采用120 次的壓實(shí)次數(shù)所達(dá)到的壓實(shí)度高于擊實(shí)法壓實(shí)。

5 瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂抗拉試驗(yàn)通過(guò)沿瀝青混合料圓柱體的側(cè)面加載（圖5），使荷載從加載側(cè)面?zhèn)鬟f到底部側(cè)面，瀝青混合料的中間附件材料承受拉應(yīng)力。 材料試驗(yàn)機(jī)安裝有記錄荷載傳感器和豎直位移傳感器，可以測(cè)定加載的力和位移數(shù)值。 根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定，在溫度為15℃的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)， 加載頭加載速率為50 mm/min，試件直徑為100 mm±2.0 mm，劈裂試驗(yàn)壓條寬度為12.7 mm。 劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

圖5 劈裂抗拉強(qiáng)度

式（2）中：RT為劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；PT為試驗(yàn)荷載的最大值（N）；h 為試件高度（mm）。

對(duì)經(jīng)過(guò)120 次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的AC-13C 瀝青混合料進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)， 測(cè)試結(jié)果如表3 所示；對(duì)采用擊實(shí)壓實(shí)的瀝青混合料進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。 同時(shí)對(duì)比2 種測(cè)試方法的劈裂抗拉強(qiáng)度趨勢(shì)變化情況如圖6 所示。

圖6 2 種壓實(shí)方法劈裂抗拉強(qiáng)度

表3 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法AC-13C 瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度

表4 擊實(shí)壓實(shí)法AC-13C 瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度

從表3、4 和圖6 可知，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度均值為1.319 MPa， 擊實(shí)壓實(shí)法瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度均值為1.282 MPa， 且旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差比擊實(shí)壓實(shí)法的標(biāo)準(zhǔn)差小，可以得出瀝青混合料使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法能夠在確保瀝青混合料壓實(shí)度的同時(shí)，保證瀝青混合料集料的完整性，避免擊實(shí)法擊實(shí)過(guò)程中擊實(shí)面受到?jīng)_擊，保證了瀝青混合料的測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法得出的劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，壓實(shí)過(guò)程模擬了類(lèi)似壓路機(jī)的壓實(shí)原理更符合瀝青混合料的壓實(shí)要求。

6 結(jié)論

（1）本文以密集配瀝青混合料AC-13C 為試驗(yàn)對(duì)象， 采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法對(duì)瀝青混合料進(jìn)行壓實(shí)，經(jīng)過(guò)測(cè)定不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的瀝青混合料試件的密度，可知選用120 次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的瀝青混合料能達(dá)到較好的壓實(shí)效果。

（2）通過(guò)對(duì)比旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法AC-13C 瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度和擊實(shí)壓實(shí)法AC-13C 瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度，表明旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法能夠保證瀝青混合料壓實(shí)度的同時(shí)，避免在擊實(shí)法擊實(shí)過(guò)程中擊實(shí)面受到?jīng)_擊。

（3）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法模擬了類(lèi)似壓路機(jī)的壓實(shí)原理更好符合瀝青混合料的壓實(shí)要求，因此在制作瀝青混合料試件時(shí)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法是合理可行的。