基于瀝青混合料接觸應(yīng)力測(cè)試的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)嵌鎖點(diǎn)判定

張 德， 程志強(qiáng)， 謝勝加， 陸青清， 蔣 曦， 黃寶山

（1.上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海 200433；2.上海綠色路面材料工程技術(shù)研究中心，上海 200433；3.田納西大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，諾克斯維爾 37996；4.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

高性能瀝青路面（superpave）瀝青混合料設(shè)計(jì)體系的總體理念認(rèn)為，若生產(chǎn)拌合的瀝青混合料經(jīng)過(guò)施工碾壓，在開(kāi)放交通后能夠達(dá)到一個(gè)最終密度，這個(gè)最終密度可以表征混合料形成了相互咬合嵌鎖且穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)［1］。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）在美國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。一方面，它可以同時(shí)施加垂直壓力和水平剪切力來(lái)模擬施工和運(yùn)營(yíng)階段車(chē)輪對(duì)瀝青路面的揉搓和剪切作用；另一方面，考慮了不同交通等級(jí)下的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)次數(shù)（Ndesign）作為熱拌瀝青混合料（HMA）的配合比設(shè)計(jì)依據(jù)，且路用性能試驗(yàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)體積設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方法的不足。既有研究表明，相比馬歇爾擊實(shí)成型，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的空隙分布特征與現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣試件的結(jié)果最為接近［2-3］。然而，NCHRP（9-9）項(xiàng)目［4］通過(guò)對(duì)實(shí)施了Superpave 設(shè)計(jì)路面的廣泛調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)路面的實(shí)際密度比試驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件密度低約1.5%。Mohammad等［5］以及Vavrik等［6］研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的高性能瀝青路面的Ndesign水平過(guò)高，使瀝青混合料長(zhǎng)期承受不必要的高壓荷載作用，造成骨料損壞以及耐久性下降。建議對(duì)Ndesign水平展開(kāi)更多的研究，揭示混合料在施工與運(yùn)營(yíng)階段的相互作用機(jī)理。因此，學(xué)者們也嘗試采用一些體積指標(biāo)來(lái)描述瀝青混合料的壓實(shí)特性，包括理論最大相對(duì)密度（Gmm）、初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)（Nini）、壓實(shí)能量指數(shù)（CEI）、交通密實(shí)度指數(shù)（TDI）［7］、密實(shí)度曲線斜率［8］、嵌鎖點(diǎn)（LP）［9-10］以及瀝青混合料空隙率達(dá)到2%和5%時(shí)對(duì)應(yīng)的密實(shí)曲線斜率比［11］等。至今為止，研究人員尚未就確定混合料壓實(shí)狀態(tài)的方法達(dá)成統(tǒng)一觀點(diǎn)。但在實(shí)踐過(guò)程中形成了一個(gè)共識(shí)：在壓實(shí)過(guò)程中，存在一個(gè)瀝青混合料內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)的臨界狀態(tài)。在此狀態(tài)之前，壓實(shí)功有助于增加壓實(shí)密度；超過(guò)這個(gè)狀態(tài)，外部壓實(shí)功不能有效地增加瀝青混合料的密度。這個(gè)共識(shí)與“嵌鎖點(diǎn)”理念相一致，即瀝青混合料在壓實(shí)過(guò)程中存在穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)互相“嵌鎖狀態(tài)”的時(shí)刻（即“嵌鎖點(diǎn)”）。當(dāng)超過(guò)“嵌鎖點(diǎn)”后，瀝青混合料明顯變得難以壓實(shí)，甚至增加集料破損的風(fēng)險(xiǎn)［12］。

目前研究者們主要基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程試件高度變化來(lái)進(jìn)行“嵌鎖點(diǎn)”的判別。美國(guó)阿拉巴馬州交通部［13］將2次連續(xù)壓實(shí)試件高度變化小于0.1mm時(shí)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)定義為嵌鎖點(diǎn)；而美國(guó)喬治亞州對(duì)于“嵌鎖點(diǎn)”的定義則是當(dāng)出現(xiàn)試件壓實(shí)高度連續(xù)3次（LP 3）相同時(shí)的第1 次旋轉(zhuǎn)次數(shù)。隨后，Anderson等［14］提出了一種改進(jìn)的方法，該方法將嵌鎖點(diǎn)定義為當(dāng)3 次連續(xù)旋轉(zhuǎn)的高度相同且之前有2 組2 次連續(xù)相同高度時(shí)的第1 次旋轉(zhuǎn)次數(shù)（LP 2-2-3）。美國(guó)阿拉巴馬州交通運(yùn)輸部2004 年還推薦了幾種其他方法來(lái)進(jìn)行嵌鎖點(diǎn)判別，其中包括第2次出現(xiàn)連續(xù)2次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)高度相同時(shí)的首次旋轉(zhuǎn)次數(shù)（LP 2-2）、第3 次出現(xiàn)連續(xù)2 次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)高度相同時(shí)的首次旋轉(zhuǎn)次數(shù)（LP 2-3）。Li 等［1］對(duì)上述判別方法進(jìn)行了評(píng)估，分別考察了9個(gè)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)水平（8、15、22、30、40、50、61、75、100和125次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)）下試件體積應(yīng)變、空隙率以及礦料間隙率，發(fā)現(xiàn)LP 2-2 判別方法能更好地確定壓實(shí)嵌鎖點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)次數(shù)范圍為55～80。以上研究方法與結(jié)論均基于體積參數(shù)。Polaczyk等［15-19］將“嵌鎖點(diǎn)”概念引入到馬歇爾擊實(shí)成型中，并將其進(jìn)行拓展，形成了基于擊實(shí)過(guò)程落錘動(dòng)力響應(yīng)（加速度值）變化特征曲線的判別方法。此外，文獻(xiàn)［10］還采用智能顆粒（SmartRock）傳感器測(cè)試混合料內(nèi)部顆粒加速度、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及受力狀態(tài)，揭示瀝青混合料的壓實(shí)特性。

智能顆粒傳感器是一款集成了加速度、應(yīng)力、溫度和四元數(shù)（旋轉(zhuǎn)姿態(tài)）測(cè)試元件的顆粒級(jí)傳感器［10，20-28］。Wang等［22］引入與粗集料公稱(chēng)最大粒徑相近尺寸的智能顆粒，將其埋置于冷拌瀝青混合料試件中，測(cè)試了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中顆粒運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（旋轉(zhuǎn)角度）的數(shù)據(jù)，并初步提出了一種基于相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度曲線確定嵌鎖點(diǎn)的方法。隨后，Wang等［23］利用智能顆粒采集了現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過(guò)程，提出智能顆粒測(cè)試的加速度能夠一定程度上反映瀝青混合料在振動(dòng)壓路機(jī)作用下的動(dòng)態(tài)特性，但其結(jié)果準(zhǔn)確性仍受限于其測(cè)試頻率。此外，智能顆粒測(cè)試的旋轉(zhuǎn)角度也可以解釋膠輪壓路機(jī)對(duì)瀝青混合料滾動(dòng)和摩擦作用的影響。Dan 等［24，28］對(duì)比了AC-16、AC-20、AC-25以及SMA-16瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中智能顆粒采集的應(yīng)力、加速度和旋轉(zhuǎn)角等動(dòng)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)智能顆粒測(cè)試的平均應(yīng)力變化會(huì)隨著壓實(shí)的進(jìn)行呈現(xiàn)收斂趨勢(shì)。上述研究成果從細(xì)觀尺度發(fā)掘顆粒在壓實(shí)作用下的響應(yīng)特征，但傾向于用體積參數(shù)（顆粒旋轉(zhuǎn)角）來(lái)識(shí)別嵌鎖點(diǎn)，對(duì)于顆粒細(xì)觀接觸力學(xué)行為與宏觀體積特性間關(guān)系的分析仍比較粗糙。

顆粒間非連續(xù)以及非均勻的排布形成了復(fù)雜的接觸網(wǎng)絡(luò)，從而形成了荷載傳遞路徑——力鏈。力鏈作為顆粒物質(zhì)研究中一個(gè)重要概念，它揭示了顆粒體系的結(jié)構(gòu)層次以及力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。需要說(shuō)明的是，在外荷載影響下力鏈發(fā)生斷裂和重構(gòu)導(dǎo)致荷載傳遞路徑變化，但是顆粒間接觸網(wǎng)絡(luò)（顆粒間拓?fù)潢P(guān)系）未必發(fā)生變化［29］，即骨架結(jié)構(gòu)不變的情況下集料受力狀態(tài)仍可能發(fā)生變化。因此，對(duì)于瀝青混合料壓實(shí)過(guò)程，骨料除了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的體積嵌鎖狀態(tài)，還存在力學(xué)嵌鎖狀態(tài)，而2 類(lèi)狀態(tài)間的關(guān)系尚缺乏研究。

為了能夠量化瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性的應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)，本文通過(guò)智能顆粒測(cè)試壓實(shí)過(guò)程中顆粒細(xì)觀響應(yīng)，基于顆粒接觸應(yīng)力提出一種瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)“應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)”判別方法，從細(xì)觀力學(xué)角度識(shí)別混合料宏觀力學(xué)嵌鎖狀態(tài)，并與傳統(tǒng)基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)高度參數(shù)的嵌鎖點(diǎn)方法判別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。主要工作包括：① 選取3 種瀝青混合料（AC-13、AC-20與SMA-13）作為研究對(duì)象；② 獲取旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中顆粒的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和接觸應(yīng)力；③ 結(jié)合濾波方法提出一種基于顆粒接觸應(yīng)力的嵌鎖點(diǎn)判別指標(biāo)與方法；④ 分析顆粒傳感器測(cè)試位置對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響；⑤ 分析不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型混合料顆粒接觸應(yīng)力變化特征與壓實(shí)狀態(tài)演化間關(guān)系；⑥ 對(duì)比基于試件高度變化判斷體積嵌鎖點(diǎn)，分析與應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)之間的關(guān)系。

1 基于智能顆粒的室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 智能顆粒傳感器

智能顆粒是針對(duì)鐵路有砟道床和公路路面的受力、變形以及穩(wěn)定性等監(jiān)測(cè)需求開(kāi)發(fā)的顆粒級(jí)耐高溫傳感器（如圖1a所示）。智能顆粒測(cè)試系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：數(shù)據(jù)模塊、通訊模塊和電池模塊。它能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)參數(shù)包括：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、溫度、三軸應(yīng)力、四元數(shù)或大地坐標(biāo)下的三維歐拉角、高精度三軸加速度。顆粒傳感器可自定義外殼形狀，可耐受120℃以?xún)?nèi)高溫工作環(huán)境。圖1b為智能顆粒外殼，材料強(qiáng)度及與瀝青混合料的黏結(jié)性能與混合料實(shí)際集料相近。為了確保智能顆粒埋入瀝青混合料試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)因溫度過(guò)高（超過(guò)120℃）而影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在智能顆粒外圍裹覆了2～3mm 厚隔熱層（圖1c），使整體顆粒粒徑整體控制在25～26mm 范圍。智能顆粒通過(guò)低功耗藍(lán)牙傳送數(shù)據(jù)到便攜式接收器，采集信號(hào)則通過(guò)數(shù)據(jù)線USB接口與筆記本電腦連接，能夠?qū)崟r(shí)顯示并記錄數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖1 智能顆粒（單位：mm）Fig.1 SmartRock（unit：mm）

圖2 智能顆粒數(shù)據(jù)采集傳輸與記錄Fig.2 Data transmission and collecting of Smart-Rock

傳感器外殼與應(yīng)變計(jì)緊密貼合，在壓實(shí)過(guò)程中，壓縮的智能顆粒外殼會(huì)產(chǎn)生輕微變形，應(yīng)變計(jì)的電阻值也會(huì)發(fā)生變化。智能顆粒將荷載作用下傳感器測(cè)試電壓變化值轉(zhuǎn)換得到的顆粒壓應(yīng)力值，轉(zhuǎn)換式按照等式（1）確定：

式中：f為應(yīng)力值，N·m-2；U為傳感器測(cè)試電壓，V；U0為測(cè)試前基礎(chǔ)電壓，V；T為測(cè)試溫度，℃；A為顆粒傳感器受力面面積，m2；a、b、c為調(diào)校參數(shù)。采用3個(gè)傳感器（編號(hào)分別為R1、R2、R3），每個(gè)傳感器計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 智能顆粒應(yīng)力值轉(zhuǎn)換調(diào)校參數(shù)Tab.1 Parameters of SmartRock for stress conversion

智能顆粒還能測(cè)試顆粒溫度、三向加速度以及旋轉(zhuǎn)角。需要指出的是，智能顆粒測(cè)試數(shù)據(jù)均為局部坐標(biāo)系條件下，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換得到全局坐標(biāo)系下相應(yīng)測(cè)試值［10，22］。

1.2 瀝青混合料

選擇3 種密級(jí)配瀝青混合料（AC-13、AC-20 與SMA-13），原材料來(lái)源于虹橋機(jī)場(chǎng)路面工程建設(shè)項(xiàng)目。其中，AC-20 和AC-13 瀝青混合料采用重載瀝青和石灰石骨料，SMA-13 瀝青混合料采用高彈瀝青和玄武巖骨料。各種瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2。

表2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)Tab.2 Mix design of asphalt mixture

瀝青與集料的相關(guān)指標(biāo)特性如表3和表4所示，測(cè)試結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的要求。

表3 瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technical index of asphalt

表4 混合料集料物理力學(xué)參數(shù)Tab.4 Summary of physical and mechanical parameters of mixture

1.3 試驗(yàn)方案

采用PINE旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（如圖3a所示）為上壓板固定，下壓板在600kPa 豎向荷載作用下向上按照30r·min-1轉(zhuǎn)速移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸傾斜角度為1.25°。AC-13與AC-20混合料拌和溫度為165℃，總旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為120次。為了考慮拌和溫度對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性影響，SMA-13 混合料拌和溫度分別取170℃、180℃、190℃，總旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為100 次。以上混合料試件質(zhì)量均為4.8kg?？紤]到模具邊界條件對(duì)壓實(shí)試件測(cè)試結(jié)果的影響，將智能顆粒分別埋置于試件中部上、中、下高度進(jìn)行測(cè)試，如圖3b所示。需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)中智能顆粒采集了顆粒在壓實(shí)過(guò)程中溫度、加速度、旋轉(zhuǎn)角以及應(yīng)力數(shù)據(jù)，采樣頻率分別為5Hz、100Hz、16.7Hz與100Hz，本文僅對(duì)顆粒應(yīng) 力進(jìn)行分析討論。試驗(yàn)具體計(jì)劃如表5所示。

表5 試驗(yàn)安排Tab.5 Testing schedule

圖3 瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)智能顆粒測(cè)試Fig.3 Testing of SmartRock for asphalt mixture gyratory compaction

2 應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)判別方法

根據(jù)智能顆粒測(cè)試得到的顆粒接觸應(yīng)力響應(yīng)構(gòu)建指標(biāo)，用來(lái)夠判別壓實(shí)試件是否達(dá)到應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)。在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中，顆粒傳感器測(cè)得的壓應(yīng)力信號(hào)近似于正弦函數(shù)，其中部分信號(hào)如圖4 所示。為了表征壓實(shí)過(guò)程中應(yīng)力響應(yīng)的整體變化趨勢(shì)與波動(dòng)，提取每次循環(huán)中極大值與極小值，將兩者之差定義為波動(dòng)幅值，并計(jì)算兩者的平均值。理論上，應(yīng)力波動(dòng)幅值反映了每次壓實(shí)功下顆粒受力變化特征，均值則反映了連續(xù)壓實(shí)功作用下顆粒應(yīng)力累計(jì)變化特征。當(dāng)試件達(dá)到嵌鎖狀態(tài)時(shí)，響應(yīng)變化應(yīng)趨于穩(wěn)定，因此構(gòu)造應(yīng)力變化率指標(biāo)Rs來(lái)反映每次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的顆粒響應(yīng)的變化幅度以及變化趨勢(shì)，按照式（2）計(jì)算。這里需要指出的是，考慮到智能顆粒尺寸大于20mm，因此測(cè)試顆粒接觸應(yīng)力以及相應(yīng)Rs指標(biāo)主要反映的是瀝青混合料內(nèi)部粗集料的力學(xué)行為。

圖4 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中智能顆粒應(yīng)力測(cè)試值Fig.4 Testing value of compressive stress of intelligent particles in the process of gyratory compaction

式中：Smax、Smin分別表示每次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)測(cè)試值的極大值與極小值；Smean為每次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)極大值與極小值的平均值。

為了計(jì)算動(dòng)態(tài)響應(yīng)值變化幅度的波動(dòng)情況，在計(jì)算Rs的基礎(chǔ)上定義波動(dòng)指標(biāo)ΔRs，i。首先計(jì)算第i次至第i+m次Rs的平均值Rsmean，i與最大值Rsmax，i，i依次從1到m取值，m≥2，按式（3）與（4）計(jì)算：

取i次Rsmax，i與Rsmean，i的差值作為第i次Rs的波動(dòng)指標(biāo)，按式（5）計(jì)算：

計(jì)算ΔRs，i最小值ΔRsmin，見(jiàn)式（6）：

最后，計(jì)算每i次Rs波動(dòng)誤差值ERs，i，按照式（7）計(jì)算：

當(dāng)計(jì)算第j次誤差值小于誤差閾值ε時(shí)，即判定第j次為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)“嵌鎖點(diǎn)”，判斷式如式（8）：

試驗(yàn)中為了減少測(cè)試外部環(huán)境以及加載設(shè)備的噪聲干擾，采用巴特沃斯帶通濾波器對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行濾波降噪。根據(jù)濾波后的響應(yīng)，按照式（2）計(jì)算應(yīng)力變化率指標(biāo)Rs。為了消除毛刺現(xiàn)象，需對(duì)Rs進(jìn)行三點(diǎn)平滑處理。最后，根據(jù)Rs波動(dòng)指標(biāo)的誤差值ERs，i來(lái)判斷出現(xiàn)嵌鎖點(diǎn)次數(shù)，誤差閾值取0.001。具體測(cè)試分析與判斷流程如圖5所示。

圖5 應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)判別流程Fig.5 Determination of stress locking point

另外，為了與傳統(tǒng)基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)高度的嵌鎖點(diǎn)判定方法對(duì)比，選取3 類(lèi)典型的判別方法匯總于表6。

表6 典型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)嵌鎖點(diǎn)判定方法Tab.6 Summary of traditional determination methods for gyratory compaction locking point

3 試驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果分析

3.1 智能顆粒測(cè)試位置選取

考慮到旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀兩端壓頭可能對(duì)瀝青混合料試件壓實(shí)響應(yīng)特征產(chǎn)生邊界效應(yīng)影響，選取AC-20（拌和溫度165℃）混合料與SMA-13（拌和溫度180℃）混合料試件上、中、下部埋置智能顆粒傳感器進(jìn)行測(cè)試。圖6為試件不同位置處傳感器測(cè)試顆粒接觸應(yīng)力結(jié)果。這里需要指出的是，每個(gè)試件均只埋置1個(gè)智能顆粒，即對(duì)于同一種混合料材料，不同位置處布置傳感器的試件并非同一個(gè)。由圖6中不同材料與不同位置的試件內(nèi)部骨料間接觸應(yīng)力測(cè)試信號(hào)均呈現(xiàn)類(lèi)似弦函數(shù)形式周期性變化，同時(shí)也存在一定噪聲，因此，按照計(jì)算流程采用帶通濾波方法提取其中的基頻信號(hào)部分，從而分析接觸應(yīng)力隨壓實(shí)進(jìn)行的變化特征。

圖6 AC-20（165℃）與SMA-13（180℃）混合料試件不同位置處應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Fig.6 Results of stress at various positions of AC-20 (165 ℃) and SMA-13 (180 ℃)

圖7 為圖6 中2 種混合料不同位置處測(cè)試接觸應(yīng)力頻譜分析結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于2 種混合料材料，應(yīng)力響應(yīng)特征基頻均為0.5Hz，與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)頻率接近。相應(yīng)地，由圖7a 中2 種材料位于試件上部傳感器測(cè)試結(jié)果可知，測(cè)試應(yīng)力信號(hào)頻譜中次諧波較明顯，從而會(huì)干擾基頻信號(hào)能量，導(dǎo)致濾波后應(yīng)力信號(hào)存在失真的風(fēng)險(xiǎn)，影響后續(xù)對(duì)于應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)判斷的準(zhǔn)確性。圖7c中結(jié)果顯示，當(dāng)顆粒傳感器放置在試件下部進(jìn)行測(cè)試時(shí)，2種材料應(yīng)力信號(hào)頻譜中在基頻附近存在較顯著的混疊現(xiàn)象，表明傳感器該位置處測(cè)試信號(hào)受下部加載壓頭噪聲的影響較大。另外，圖7c 中SMA-13 混合料應(yīng)力信號(hào)仍存在次諧波干擾的問(wèn)題。當(dāng)顆粒傳感器放置在試件中部測(cè)試時(shí)，圖7b中頻譜分析結(jié)果可以看到基頻處能量譜清晰，諧波成分少，相對(duì)其他2 個(gè)位置測(cè)試結(jié)果而言，中部位置埋置的傳感器測(cè)試信號(hào)所受干擾小。因此，建議測(cè)試時(shí)將智能顆粒埋置在試件中部位置，并且后續(xù)對(duì)將采用放置在試件中部位置的傳感器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

圖7 AC-20（165℃）與SMA-13（180℃）混合料試件不同位置處測(cè)試應(yīng)力頻譜分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of stress spectrum at various positions of AC-20 (165 ℃) and SMA-13 (180 ℃)

3.2 基于應(yīng)力指標(biāo)Rs 變化的混合料壓實(shí)狀態(tài)分析

根據(jù)應(yīng)力響應(yīng)頻域分析結(jié)果，通過(guò)帶通濾波提取0.5Hz 基頻信號(hào)，得到降噪后AC-20 和AC-13 混合料的顆粒接觸應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程曲線，并計(jì)算對(duì)應(yīng)Rs值，其結(jié)果如圖8所示。如前所述，這里采集分析的顆粒接觸應(yīng)力代表的主要是粗集料的應(yīng)力值。這里可以將瀝青混合料看作由粗集料與細(xì)小組分構(gòu)成，其中細(xì)小組分由細(xì)集料、礦粉以及瀝青膠漿組成。結(jié)果表明，AC-20 與AC-13 顆粒接觸應(yīng)力隨著旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的進(jìn)行，應(yīng)力循環(huán)幅值均經(jīng)歷初始階段增大而后減小并最終趨于平穩(wěn)的階段。對(duì)于懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)的AC 混合料，粗集料在壓實(shí)前處于松散的初始狀態(tài)，由細(xì)小組分充分裹覆；當(dāng)加載初期，瀝青混合料進(jìn)入快速壓實(shí)階段，此時(shí)由于粗細(xì)骨料以及瀝青間相互接觸擠壓，顆粒接觸應(yīng)力快速增大；隨著壓實(shí)的持續(xù)進(jìn)行，懸浮在粗骨料周?chē)募?xì)小組分也開(kāi)始承擔(dān)荷載，因而粗集料顆粒上的接觸應(yīng)力隨之減小，進(jìn)入蠕變階段；最后，當(dāng)粗細(xì)集料與裹覆瀝青三者荷載分擔(dān)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，顆粒接觸應(yīng)力進(jìn)入穩(wěn)定階段，即達(dá)到應(yīng)力嵌鎖狀態(tài)。應(yīng)力嵌鎖狀態(tài)相比傳統(tǒng)的體積嵌鎖狀態(tài)含義更廣，因?yàn)槠浠陬w粒受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而非僅考慮骨架空間咬合狀態(tài)。因此，應(yīng)力變化率指標(biāo)Rs包含應(yīng)力幅值變化以及均值整體趨勢(shì)特征信息，它能夠真實(shí)反映顆粒應(yīng)力狀態(tài)隨壓實(shí)進(jìn)行的變化，從而確定應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)。

圖8 拌和溫度165℃條件下AC-20和AC-13混合料顆粒應(yīng)力與Rs值Fig.8 Stress and Rs of particles for AC-20 and AC-13 at 165℃

同樣地，計(jì)算SMA-13 在不同拌和溫度條件下濾波后顆粒接觸應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程曲線及相應(yīng)Rs值，其結(jié)果如圖9所示。如圖9b和9c顯示，當(dāng)拌和溫度在180℃與190℃時(shí)，SMA-13混合料顆粒接觸應(yīng)力幅值隨循環(huán)加載發(fā)展也由初始階段快速增大，而后不斷波動(dòng)增大直至平穩(wěn)階段。SMA 作為骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)混合料，細(xì)集料少，初始加載后粗集料相互間快速咬合，形成骨架結(jié)構(gòu)。隨著外界壓實(shí)功輸入，顆粒間咬合作用不斷增強(qiáng)，接觸應(yīng)力增大，進(jìn)入緊固壓實(shí)階段。當(dāng)外加荷載不變的情況下，SMA混合料顆粒間相互作用最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即接觸應(yīng)力不變，進(jìn)入應(yīng)力嵌鎖狀態(tài)。相應(yīng)地，應(yīng)力變化率指標(biāo)Rs也能即時(shí)反映SMA 混合料各個(gè)壓實(shí)階段特征。SMA-13混合料壓實(shí)可能受溫度離析影響，顆粒應(yīng)力幅值在緊固壓實(shí)階段會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，并非線性增加。對(duì)比170℃、180℃與190℃拌和溫度條件，170℃條件下顆粒應(yīng)力非線性變化現(xiàn)象較為顯著，如圖9a結(jié)果所示。結(jié)合AC 混合料與SMA 混合料應(yīng)力與Rs指標(biāo)測(cè)試分析結(jié)果可以看出，顆粒接觸應(yīng)力與Rs指標(biāo)能夠從細(xì)觀尺度來(lái)表征瀝青混合料宏觀壓實(shí)特性，且Rs指標(biāo)可以用來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)。

3.3 應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)判別結(jié)果分析

根據(jù)表6中3種推薦旋轉(zhuǎn)壓實(shí)嵌鎖點(diǎn)判定方法，基于AC-20、AC-13 以及SMA-13 混合料試件高度變化進(jìn)行判定，結(jié)果分別如圖10和圖11所示。由此次判定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有試件判定的嵌鎖點(diǎn)均小于試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)總體次數(shù)要求，且LP 3與LP 2-2-3方法判定的嵌鎖點(diǎn)均一致，表明在試件連續(xù)3 次壓實(shí)高度相同之前，均出現(xiàn)過(guò)連續(xù)2 次壓實(shí)高度相同。圖10 中AC-20 與AC-13 混合料依據(jù)LP 2-3 方法判定嵌鎖點(diǎn)分別為64 與57 次，依據(jù)LP 3/LP 2-2-3 方法判定嵌鎖點(diǎn)分別為89和76次，該結(jié)果與Li［1］等試驗(yàn)評(píng)估的各類(lèi)瀝青混合料判定嵌鎖點(diǎn)50～80范圍較為接近。圖12為混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)判定，圖13為不同拌和溫度條件下SMA-13混合料嵌鎖點(diǎn)判定結(jié)果，溫度由170℃、180℃變化到190℃，依據(jù)LP 2-3 方法判定嵌鎖點(diǎn)分別為66、64 與61 次，而依據(jù)LP 3/LP 2-2-3 方法判定嵌鎖點(diǎn)分別為95、85 和80次，與試驗(yàn)要求總壓實(shí)次數(shù)100 較為接近。這里也表明拌和溫度與基于試件高度判定的嵌鎖點(diǎn)并非線性關(guān)系。

圖10 根據(jù)試件高度變化判定AC-20與AC-13（165℃）混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)嵌鎖點(diǎn)Fig.10 Determination of LPS for AC-20 and AC-13 (165℃) based on the change in specimen height

圖11 不同拌和溫度下根據(jù)試件高度變化判定SMA-13混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)嵌鎖點(diǎn)Fig.11 Determination of LPS for SMA-13 based on the change in specimen height at various temperatures

圖12 AC-20與AC-13混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)判定Fig.12 Determination of LPS for AC-20 and AC-13

圖13 不同拌和溫度下SMA13 混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)判定Fig.13 Determination of LPF for SMA-13 at various temperatures

可以發(fā)現(xiàn)，由上述基于試件高度變化方法判定的嵌鎖點(diǎn)會(huì)因?yàn)榉椒ǖ牟町愒斐山Y(jié)果相差較大。結(jié)合3.2 節(jié)顆粒應(yīng)力狀態(tài)分析，再根據(jù)基于顆粒接觸應(yīng)力變化率指標(biāo)Rs判定的應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)（LPS）則可以從細(xì)觀力學(xué)尺度上解決基于體積參數(shù)方法無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)題。計(jì)算Rs波動(dòng)誤差ERs，i判定AC-20與AC-13混合料應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)（LPS）分別為97與96次，同樣均小于試驗(yàn)規(guī)范要求的旋轉(zhuǎn)次數(shù)（120 次），結(jié)果如圖12 所示。對(duì)比LP 2-2-3 方法的結(jié)果（89 和76 次）表明，對(duì)于AC 混合料這一懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)混合料而言，基于顆粒接觸應(yīng)力判定的應(yīng)力嵌鎖狀態(tài)滯后于基于試件高度變化判定的體積嵌鎖狀態(tài)，表明當(dāng)傳統(tǒng)判定方法確定混合料達(dá)到體積嵌鎖狀態(tài)時(shí)，荷載在顆粒骨架結(jié)構(gòu)間力鏈的傳遞分布仍可以發(fā)生變化。

另外，由于Rs反映了混合料壓實(shí)變化周期波動(dòng)以及總體趨勢(shì)特征，對(duì)于AC 混合料應(yīng)力測(cè)試不同的壓實(shí)狀態(tài)，圖13 中Rs也對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)了3 個(gè)階段變化特征：① 快速變化階段（1～30次左右范圍），可以看到Rs在該階段快速上升；② 蠕變收斂階段（30 次至LPS 范圍），該階段Rs波動(dòng)下降，表明粗集料受力變化開(kāi)始收斂；③ 嵌鎖階段（LPS 之后），該階段Rs達(dá)到穩(wěn)定值。

相似地，計(jì)算Rs波動(dòng)誤差ERs，i判定不同拌和溫度下SMA-13混合料應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)（LPS）分別為94次（170℃）、94 次（180℃）與92 次（190℃），較接近試驗(yàn)要求旋轉(zhuǎn)次數(shù)，結(jié)果如圖13所示。與傳統(tǒng)判別方法LP 2-2-3 結(jié)果對(duì)比，LPS 判定結(jié)果同樣要高一些。由上述可知，對(duì)于以集料相互咬合嵌鎖為主的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，體積嵌鎖與應(yīng)力嵌鎖一定意義上存在重合。而對(duì)于懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，不僅僅是粗集料之間存在咬合嵌鎖，還存在細(xì)小組分相對(duì)于粗集料之間的咬合嵌鎖，其可以表征為隨著壓實(shí)進(jìn)行而形成的應(yīng)力重分布，即所謂的應(yīng)力嵌鎖。因此，應(yīng)力嵌鎖相比于傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)骨料間咬合嵌鎖作用的體積嵌鎖更加廣義。

4 結(jié)論與展望

基于智能顆粒傳感器測(cè)試旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中瀝青混合料內(nèi)部顆粒接觸應(yīng)力，提出了應(yīng)力變化率指標(biāo)Rs以及應(yīng)力嵌鎖點(diǎn)（LPS）判定方法。選取不同結(jié)構(gòu)瀝青混合料材料，在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件不同測(cè)試位置、不同拌和溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)與分析，并與傳統(tǒng)體積嵌鎖判定方法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)論如下：

（1）位于試件上部與底部智能顆粒的測(cè)試信號(hào)存在頻譜混疊和諧波干擾，建議將智能顆粒布置于試件中部進(jìn)行測(cè)試，受干擾小。

（2）AC-20 與AC-13 懸浮密實(shí)型瀝青混合料的壓實(shí)成型可分為3個(gè)壓實(shí)階段：① 快速壓實(shí)階段，粗細(xì)集料相互接觸擠壓，粗集料應(yīng)力幅值與Rs快速增大；② 蠕變階段，懸浮在粗骨料周?chē)募?xì)小組分開(kāi)始承擔(dān)荷載，接觸應(yīng)力幅值與Rs相對(duì)減??；③ 當(dāng)各組分形成穩(wěn)定的荷載分擔(dān)，達(dá)到應(yīng)力嵌鎖狀態(tài)。

（3）SMA-13 骨架密實(shí)型瀝青混合料的壓實(shí)成型可分為2個(gè)壓實(shí)階段：① 緊固壓實(shí)階段，粗集料在初始?jí)簩?shí)作用下快速形成咬合骨架，并隨著外界壓實(shí)功輸入，顆粒間咬合作用不斷增強(qiáng)，接觸應(yīng)力幅值與Rs均呈增大趨勢(shì)；② 當(dāng)集料形成穩(wěn)定骨架受荷結(jié)構(gòu)時(shí)，達(dá)到應(yīng)力嵌鎖狀態(tài)。

（4）SMA-13 混合料壓實(shí)可能受溫度離析影響，顆粒應(yīng)力幅值在緊固壓實(shí)階段會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，并非線性增加。對(duì)比170℃、180℃與190℃拌和溫度條件，170℃條件下顆粒應(yīng)力非線性變化現(xiàn)象較為顯著。

（5）與傳統(tǒng)基于試件高度嵌鎖點(diǎn)判定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，基于Rs判定的LPS均滯后于體積嵌鎖點(diǎn)。

從顆粒細(xì)觀尺度探索了AC與SMA 2種類(lèi)型瀝青混合料隨旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的骨架受力演化特征，并且提出的嵌鎖點(diǎn)判定方法將傳統(tǒng)體積嵌鎖拓展到力學(xué)嵌鎖，然而由于受智能顆粒尺寸限制，顆粒測(cè)試結(jié)果主要代表粗集料細(xì)觀力學(xué)行為，后續(xù)將研發(fā)更小尺寸的微型顆粒傳感器，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)集料細(xì)觀力學(xué)測(cè)試。另外，需結(jié)合離散元計(jì)算手段，揭示瀝青混合料壓實(shí)力學(xué)演化行為。

作者貢獻(xiàn)聲明：

張 德：負(fù)責(zé)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析與計(jì)算、論文撰寫(xiě)。

程志強(qiáng)：負(fù)責(zé)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與論文修改。

謝勝加：負(fù)責(zé)實(shí)施試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析。

陸青清：負(fù)責(zé)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制定。

蔣 曦：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析與論文修改。

黃寶山：負(fù)責(zé)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與論文修改。