楊 博

(湖南湘建檢測(cè)有限公司，湖南 長沙 410013)

基于GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)的AC-13高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

楊 博

(湖南湘建檢測(cè)有限公司，湖南 長沙 410013)

采用GTM試驗(yàn)機(jī)對(duì)工程常用表面層瀝青混合料AC — 13進(jìn)行成型，并對(duì)成型試件進(jìn)行三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，檢測(cè)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(duì)GTM試驗(yàn)過程的6個(gè)變量參數(shù)與蠕變勁度模量進(jìn)行回歸分析。分析表明：GSI與高溫穩(wěn)定性不具相關(guān)性，GSF、GSF/GSI相關(guān)系數(shù)相對(duì)較大，旋壓次數(shù)N相關(guān)性不顯著；P1與蠕變勁度模量有良好的相關(guān)性，P1能夠有效評(píng)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(píng)判指標(biāo)。

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

0 引言

目前用于評(píng)定(或間接表征)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法較多[1，2]，主要有車轍模擬試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)等，但大都具有局限性。如馬歇爾試驗(yàn)的MS和FL兩個(gè)指標(biāo)，雖在GBJ 92 — 93中規(guī)定采用MS來評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性[3]，但在之后的研究認(rèn)為MS與路面車轍量之間的相關(guān)性不強(qiáng)，MS僅能夠一定程度上間接地反映混合料高溫時(shí)的內(nèi)聚力[4]。

車轍模擬試驗(yàn)主要有車轍試驗(yàn)、大型直道、環(huán)道試驗(yàn)等。小型室內(nèi)往復(fù)式車轍試驗(yàn)因?yàn)槠湓囼?yàn)設(shè)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(yàn)主要是模擬車載的重復(fù)作用，其評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度，僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，不能用于力學(xué)驗(yàn)算和車轍量化預(yù)測(cè)。動(dòng)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(gè)永久變形過程，如壓實(shí)、剪切和流動(dòng)等。因此，動(dòng)穩(wěn)定度相同，混合料的永久變形可能相差很大[5]，且試驗(yàn)條件的波動(dòng)對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度值存在很大影響[6]。環(huán)道試驗(yàn)、直道試驗(yàn)等足尺試驗(yàn)與路面結(jié)構(gòu)及路面實(shí)際受力狀態(tài)一致，檢測(cè)結(jié)果最具代表性，然而足尺試驗(yàn)成本高且循環(huán)周期長，僅適用于科學(xué)研究。

蠕變?cè)囼?yàn)，如單軸靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)、三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)等，尤其是動(dòng)態(tài)三軸壓縮剪切蠕變?cè)囼?yàn)，與道路受力狀態(tài)十分相似，試驗(yàn)過程能夠檢測(cè)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(guān)系[7]，蠕變勁度模量指標(biāo)與瀝青混合料高溫性能相關(guān)性顯著。理論上采用本實(shí)驗(yàn)評(píng)定混合料抗車轍性能可具代表性，但實(shí)驗(yàn)過程對(duì)人員以及設(shè)備要求較高，難以在全國范圍內(nèi)使用普及。雖然單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)相對(duì)簡易，但其力學(xué)模型不具備橫向約束條件的模擬。因此，單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)僅能夠用來評(píng)判懸浮密實(shí)型瀝青混合料，其強(qiáng)度貢獻(xiàn)主要依靠瀝青瑪蹄脂的粘附性；而不能夠用來評(píng)價(jià)強(qiáng)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(shí)型瀝青混合料。

因此，以上所述試驗(yàn)在評(píng)定瀝青混合料高溫性能具有其局限性。GTM試驗(yàn)原理表明其能夠用于評(píng)定瀝青混合料的高溫性能，在世界上也是較為前言的評(píng)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(yàn)機(jī)成型試件，繼而對(duì)成型的試件進(jìn)行三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)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(gè)變量參數(shù)與蠕變勁度模量進(jìn)行回歸分析，與蠕變勁度模量具有良好相關(guān)性的參數(shù)，用此評(píng)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(píng)價(jià)提供一項(xiàng)便捷且具代表性的方法。

1 試驗(yàn)原材料

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

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

表1 細(xì)、中和粗級(jí)配瀝青混合料礦料篩分結(jié)果

表2 #瀝青技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

2.1 GTM成型

瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切性能試驗(yàn)(GTM)是美國工程兵團(tuán)60年代發(fā)明的用來解決機(jī)場(chǎng)跑道承受重型轟炸機(jī)的輪載作用，1978 年被列入美國 ASTM規(guī)范，對(duì)試件旋轉(zhuǎn)揉搓成型的同時(shí)測(cè)出材料的抗剪強(qiáng)度及剪應(yīng)力[9]。GTM能夠最大限度地模擬車載對(duì)路面的作用，采用了和應(yīng)力有關(guān)的推理方法進(jìn)行瀝青混合料的力學(xué)分析和設(shè)計(jì)，避免了馬歇爾等經(jīng)驗(yàn)方法的不足[10]。

試件的成型采用GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，試件成型以極限平衡狀態(tài)進(jìn)行控制[9]。GTM試驗(yàn)機(jī)滾軸驅(qū)動(dòng)方式為油壓式，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)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(gè)重要力學(xué)參數(shù)：穩(wěn)定度指數(shù)(GSI)和抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)(GSF)，其中GSI指標(biāo)表示瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)至平衡狀態(tài)(每旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次試件密度變化率不大于0.016 g/cm3)時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生塑性形變；表示瀝青混凝土被壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度是否能承受行車荷載作用下所產(chǎn)生的剪應(yīng)力[11]。故GTM適用于設(shè)計(jì)高溫穩(wěn)定性優(yōu)良瀝青混合料。此外，GTM試驗(yàn)還能夠得到瀝青混合料壓實(shí)至所需抗剪強(qiáng)度的壓實(shí)曲線。

2.2 三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)

目前評(píng)定瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法較多，而蠕變?cè)囼?yàn)則在世界范圍內(nèi)廣受認(rèn)可。在眾多蠕變?cè)囼?yàn)中，三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)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(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)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(yàn)及馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)溫度均選取60 ℃，故試驗(yàn)溫度選取60 ℃。采用英國生產(chǎn)的Cooper NU — 14試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，檢測(cè)重復(fù)加載結(jié)束時(shí)混合料的蠕變勁度模量，以評(píng)定瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。蠕變?cè)囼?yàn)試驗(yàn)參數(shù)選?。喊胝也ㄩg歇荷載，每次加載和卸載時(shí)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(yàn)結(jié)果及分析

雖然GTM試驗(yàn)所得GSI和GSF理論上能夠反映混合料高溫剪切變形性能，實(shí)際上仍需進(jìn)一步分析。旋壓過程的壓實(shí)曲線包含了很多有用信息，通過對(duì)壓實(shí)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(duì)旋壓過程試件密度與旋轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)行回歸分析，知二者存在對(duì)數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)達(dá)R2=0.96，表明相關(guān)性良好[15]。路面攤鋪現(xiàn)場(chǎng)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(duì)壓實(shí)曲線進(jìn)行對(duì)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(píng)定指標(biāo)。其中P1為試件初始?jí)簩?shí)至97%壓實(shí)度過程壓實(shí)曲線的平均斜率，P2為試件97%壓實(shí)度至壓實(shí)至極限平衡狀態(tài)壓實(shí)曲線的平均斜率。如本文引言所述，蠕變勁度模量評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能最具代表性。故為了能夠?qū)⒏髦笜?biāo)與瀝青混合料高溫性能相聯(lián)系，特對(duì)GTM旋壓成型的試件進(jìn)行三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，檢測(cè)試件的蠕變勁度模量。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果匯總

分別對(duì)油石比為4.4%粗、中、細(xì)級(jí)配的AC — 13瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型和三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線參數(shù)結(jié)果見表3，不同油石比AC — 13中級(jí)配瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)及三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表4。

表3 不用級(jí)配混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)以及三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

表4 不同油石比混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)以及三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3知，AC — 13不同級(jí)配混合料中，粗級(jí)配的蠕變勁度模量最大，高溫穩(wěn)定性最好，粗級(jí)配混合料比細(xì)級(jí)配提高43.5%；由表4知，不同油石比的AC — 13中級(jí)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(shì)與工程經(jīng)驗(yàn)相符。

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

由圖1得不同級(jí)配AC — 13混合料壓實(shí)曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相關(guān)系數(shù)，相關(guān)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(guān)系數(shù)最大，相關(guān)系數(shù)為R2=0.986 2，為高度相關(guān)；GSI與蠕變勁度模量的相關(guān)系數(shù)小于0.3，與蠕變勁度模量不具相關(guān)性。

圖1 不同級(jí)配各參數(shù)與蠕變勁度模量

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

由圖2得不同油石比AC — 13混合料壓實(shí)曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相關(guān)系數(shù)，相關(guān)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(guān)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(guān)性。與不同級(jí)配AC — 13混合料壓實(shí)曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相比，P1相關(guān)系數(shù)均最大，表明GTM試驗(yàn)壓實(shí)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(gè)重要參數(shù)。

圖2 不同油石比各參數(shù)與蠕變勁度模量

對(duì)不同級(jí)配和不同油石比壓實(shí)曲線參數(shù)與蠕變勁度模量回歸分析相關(guān)系數(shù)匯總，如表5所示。

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

表5中不同級(jí)配和不同油石比GTM試驗(yàn)所有參數(shù)與蠕變勁度模量回歸分析相關(guān)系數(shù)匯總知，GSI與瀝青混合料蠕變勁度模量的相關(guān)系數(shù)R2的平均值最小，表明GSI與高溫穩(wěn)定性不具相關(guān)性；GSF、GSF/GSI與瀝青混合料蠕變勁度模量的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較大，接近高度相關(guān)；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(guān)范圍。

壓實(shí)曲線平均斜率P1與蠕變勁度模量的相關(guān)系數(shù)最大，R2平均值為0.967 4，接近1.00，相關(guān)性最好；壓實(shí)曲線平均斜率P2次之，但相關(guān)系數(shù)R2的平均值也超過0.80。進(jìn)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(guān)性。

推薦采用壓實(shí)曲線平均斜率P1評(píng)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(qiáng)。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(duì)較差。

4 結(jié)論

1)AC — 13不同級(jí)配混合料中，粗級(jí)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(shí)曲線參數(shù)與蠕變勁度模量線性回歸相關(guān)系數(shù)，相關(guān)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(jí)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(guān)性；GSF、GSF/GSI與瀝青混合料蠕變勁度模量接近高度相關(guān)；旋壓次數(shù)N與瀝青混合料蠕變勁度模量中度相關(guān)。

4)推薦采用壓實(shí)曲線平均斜率P1評(píng)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(qiáng)。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(duì)較差。

[1] 葉遇春. 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的試驗(yàn)研究[J]. 中外公路，2004(3)：87-90.

[2] 姚祖康. 對(duì)國外瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的評(píng)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(shè)計(jì)及施工監(jiān)控過程灰關(guān)聯(lián)分析[J]. 長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(1)：10-17.

[4] 沈金安. 關(guān)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(dá)，袁萬杰，薛航，等. 瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，26(5)：1-4.

[6] 孟書濤，黃曉明，范要武，等. 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2008(6)：736-740.

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

[9] 任立鋒. 瀝青混合料設(shè)計(jì)GTM成型方法的研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2006.

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

[11] 劉朝暉，沙慶林. 超薄層瀝青混凝土SAC — 10礦料級(jí)配比較試驗(yàn)研究[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，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?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性研究[D]. 西安：長安大學(xué)，2009.

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

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