王 宏 臣

(通遼市交通建設工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

基于時-溫轉(zhuǎn)換原理的冒雨施工瀝青混合料劈裂回彈模量主曲線研究

王 宏 臣

(通遼市交通建設工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

室內(nèi)成型2組試件(經(jīng)歷和未經(jīng)歷短期老化)、路面鉆取2組芯樣(正常施工、遇雨施工)，對4組試件的體積參數(shù)和劈裂回彈模量(5個溫度水平、6個頻率水平)進行檢測，采用時-溫等效原理生成AC-20混合料劈裂回彈模量主曲線，并對4組試件20 ℃主曲線進行對比分析。研究表明，采用室內(nèi)短期加速老化試驗模擬拌和樓加熱拌和過程對瀝青的老化是可行的；隨著加載頻率的增大,混合料劈裂回彈模量對加載頻率的敏感性和依賴性降低；瀝青混合料施工過程突遇下雨天氣，體積參數(shù)雖能夠滿足規(guī)范要求，但混合料劈裂回彈模量大幅降低，力學性能下降；由劈裂回彈模量西格摩德模型知，混合料劈裂回彈模量(20 ℃溫度，10 Hz加載頻率)降低42.5%。建議，對于瀝青混合料施工過程應密切關注天氣變化，及時調(diào)整拌和樓生產(chǎn)狀態(tài)，突遇下雨工況保證立即停止施工。

道路工程；路面質(zhì)量；下雨施工；劈裂回彈模量；體積參數(shù)

0 引 言

瀝青路面施工大都集中在6—10月份高溫季節(jié)，此季節(jié)時有突降陣雨工況，尤其是沿海區(qū)域突遭陣雨較為常見。遭遇此天氣狀況，最好的措施即對自卸汽車剩余瀝青混合料進行覆蓋，攤鋪機及時停止施工。但仍存在一些施工企業(yè)認為陣雨持續(xù)時間不長，對自卸車覆蓋、補做路面橫接縫費時費力，擾亂施工計劃，而選擇冒雨施工。我國現(xiàn)行施工技術規(guī)范規(guī)定施工監(jiān)控過程的主要檢測指標為路面鉆取芯樣的空隙率和壓實度等體積參數(shù)，僅說明已攤鋪瀝青層因遇水未行壓實的應予鏟除[1]，而對芯樣的力學性能及黏彈性能未有強制要求。那么在此種工況下施工的瀝青混合料，能否碾壓密實，混合料體積參數(shù)能否符合規(guī)范要求；或者即使體積參數(shù)符合要求，其承載能力、黏彈性能及水穩(wěn)定性能否滿足路用性能要求。明確以上兩個疑問，對瀝青路面施工監(jiān)控工作能夠起到指導作用。

在瀝青路面結構驗算過程，采用混合料抗壓回彈模量計算彎沉及層底拉應力，且保證層底拉應力小于容許拉應力，而容許拉應力則采用劈裂強度與路面結構系數(shù)的比值計算[2]。為能夠與路面結構設計指標相對應，彈性模量參數(shù)理應采用劈裂彈性模量來替代[3]。加之，由于現(xiàn)場鉆取芯樣幾何尺寸所限(AC-20層設計厚度7.0 cm)，不能成型高徑比為1.5∶1(150 mm∶100 mm)[4-5]的圓柱型試件，故采用間接拉伸試驗測定試件的劈裂回彈模量[6]有重要的理論與實踐價值。瀝青混合料為黏彈性材料，其模量等力學常數(shù)常常具有時間和溫度依賴性[7-9]。特采用室內(nèi)成型2組馬歇爾試件(未經(jīng)過/經(jīng)過短期老化)、路面鉆取2組芯樣(正常、遭遇陣雨施工路段)，檢測AC-20瀝青混合料施工過程各組試件的體積參數(shù)及劈裂回彈模量，主要針對混合料劈裂回彈模量的時-溫轉(zhuǎn)換效應及各組試件劈裂回彈模量主曲線進行對比研究，探究施工過程中遭遇短時陣雨的瀝青路面是否能夠滿足路用性能要求，為類似工程提供參考。

1 原材料及配合比

瀝青和集料的技術指標分別見表1、表2，其中集料的檢測按照礦料合成配比混合后以4.75 mm為關鍵篩孔分為粗、細集料進行檢測。瀝青和集料的技術性能均滿足我國現(xiàn)行瀝青路面施工技術規(guī)范的要求。填料采用石灰?guī)r磨細的礦粉，無潮濕結團現(xiàn)象。

AC-20瀝青混合料目標配合比設計采用馬歇爾試驗，在目標配合比的基礎上，采用拌和樓二次篩分集料確定生產(chǎn)配合比礦料比例：19～25 mm∶12～19 mm∶6～12 mm∶4～6 mm∶0～4 mm∶礦粉=11∶30∶22∶9∶25∶3，合成級配見表3，最佳油石比4.6%。瀝青混合料的最大理論密度采用計算法確定，最大理論密度為2.557 g/cm3。

表1 瀝青的技術指標Table 1 Technical indicators of asphalt

表2 集料的技術指標Table 2 Technical indicators of aggregates %

表3 礦料合成級配Table 3 Composite gradation of aggregates

2 試驗方案

2.1 試件成型及體積參數(shù)

基于4組AC-20瀝青混合料試件，1組和2組為經(jīng)拌合樓二次篩分的集料，室內(nèi)成型；3組和4組試件為同一天施工路段，松鋪系數(shù)1.720，設計厚度7 cm，于路面施工后第2天鉆取芯樣。

其中，1組試件為室內(nèi)小型拌和機拌和后(干拌45 s，濕拌60 s)直接成型，共成型20個試件。2組試件成型前，先對室內(nèi)拌和均勻的混合料進行短期老化，以模擬瀝青混合料在拌合樓拌和、運輸及施工現(xiàn)場階段的老化過程，從而保證室內(nèi)試件與路面芯樣的一致性，共成型20個試件。短期老化過程將拌和均勻的瀝青混合料置于搪瓷盤中(攤鋪厚度20 kg/m2)，然后置于135 ℃烘箱，恒溫4 h(強制通風)，恒溫過程每小時對混合料均勻翻拌1次。3組試件為正常施工路段(未下雨)，在行車道、超車道和緊急停車道每100 m鉆取3個芯樣(1個/車道)，此階段攤鋪機攤鋪速度為2.5 m/min，隨機選取20個芯樣。4組試件為3組芯樣同一天施工路段，碾壓階段突然遭遇陣雨天氣(約中雨大小，持續(xù)時間45 min左右)， 此攤鋪階段攤鋪機攤鋪速度6 m/min，施工段長度約60 m，每15 m鉆取3個芯樣(1個/車道)，共12個芯樣。由于所成型試件另需進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，劈裂回彈模量試驗平行試驗4次，每組4個試件。限于篇幅所限，筆者僅對體積參數(shù)及劈裂回彈模量進行對比分析，關于試件水穩(wěn)定性的研究另撰文表述。

2.2 劈裂回彈模量試驗及數(shù)據(jù)處理方法

劈裂回彈模量試驗溫度設定-10、5、20、35、50 ℃5個水平，加載頻率擬定25、10、5、1、0.5、0.1 Hz 6個水平，試驗平行次數(shù)4次，取4次試驗的平均值。采用雙面鋸將試件切割成高徑比為1∶2的試件(高度∶直徑=50 mm∶100 mm)，施加一半正矢波荷載，加載時間0.1 s間歇0.9 s。采用UTM試驗儀對瀝青混合料試件的劈裂回彈模量進行檢測，試驗所用壓條寬度為12.7 mm，內(nèi)測曲率半徑為50.8 mm。試驗前先施加一試驗荷載(試驗荷載為0.2劈裂強度對應的荷載)5%的預壓力進行接觸預壓10 s，試驗溫度掃描按照由低溫到高溫的順序，各試驗溫度下的頻率掃描按照頻率由高到低的順序，試件加載過程應變應在50～150 με范圍[10]。依據(jù)我國現(xiàn)行公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程T0716—2011，劈裂回彈模量采用式(1)和式(2)計算。

(1)

(2)

式中：E為回彈模量，MPa；P為施加荷載，N；μ為回彈泊松比；h為試件高度，mm；Δh為瞬時回彈變形，mm；Δy為瞬時可恢復垂直變形，mm。

西格摩德(sigmoidal)方程被定義為通用方程，原因是其不僅適用于瀝青及瀝青混合料的模量、相位角，同時適用于抗壓強度及劈裂強度等。故采用AASHTO 61—09的方法對劈裂回彈模量試驗結果進行分析，生成劈裂回彈模量的主曲線。采用Spss軟件對公式(3)進行西格摩德方程非線性回歸，得到α、δ、β和γ回歸系數(shù)；位移因子log[α(T)]定義為公式(4)，對計算出的位移因子進行二次函數(shù)修正；依據(jù)修正后的位移因子，將各試驗溫度下的劈裂回彈模量平移至參考溫度，對平移后劈裂回彈模量進行西格摩德函數(shù)擬合，得到參考溫度下的劈裂回彈模量的主曲線，根據(jù)位移因子修正二次函數(shù)模型計算出任意溫度下的位移因子，繼而通過對參考溫度下主曲線的平移得到任意溫度下的劈裂回彈模量主曲線。

(3)

(4)

式中：E*為劈裂回彈模量，MPa；α、δ、β和γ為公式(3)的回歸系數(shù)；fr為參考溫度的加載頻率，Hz；f為試驗溫度的加載頻率，Hz；T為試驗溫度，℃；log[α(T)]為位移參數(shù)。

3 試驗結果及分析

3.1 試件厚度及體積參數(shù)

按照公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程的要求，采用表干法測定各芯樣的毛體積相對密度，計算空隙率和其他體積參數(shù)。試件的厚度和體積參數(shù)檢測結果見表4。

表4 試件厚度及體積參數(shù)檢測結果Table 4 Test results of specimen thickness and volume parameter

由表4知，1組、2組為室內(nèi)成型試件，厚度處于馬歇爾試件標準高度63.5±1.3 mm范圍，標準差小，表明試件成型良好。2組試件混合料同1組試件完全一致，而空隙率卻提高了0.3%，原因是2組試件進行4 h的短期老化過程，集料對瀝青有一定的吸收作用，使得用于填隙的瀝青膠漿體積減少，空隙率增大。且老化作用使得瀝青趨于硬化，黏度提高，施工性能(可壓實性)變差，這也是規(guī)范規(guī)定現(xiàn)場取樣混合料需保溫至實驗室及時試驗的原因。

3組、4組試件厚度代表值分別為73.3 mm、66.7 mm均滿足設計厚度的要求(70-5 mm=65 mm)，4組試件厚度之所以小的原因可能是攤鋪機攤鋪速度過快(6 m/min)，但夯錘和熨平板頻率一定，導致混合料初始壓實度較低，經(jīng)壓路機充分壓實后厚度代表值較3組(2.5 m/min)試件小6.6 mm；3組、4組試件的標準差較室內(nèi)成型試件(1組、2組)大，說明室內(nèi)試件成型過程更穩(wěn)定，也符合工程常識；且4組試件厚度的標準差較3組試件大，表明攤鋪速度對控制瀝青層厚度的均一性較為重要，速度快容易導致瀝青層厚的較大波動，使得瀝青路面的承載能力不均勻，容易出現(xiàn)應力集中和承載能力薄弱區(qū)。且攤鋪速度過快，必然要求布料器加快輸送速度，易引起混合料的離析，建議施工過程攤鋪機攤鋪速度控制在2～3 m/min范圍。

表4知，3組和4組試件的厚度及體積參數(shù)均滿足我國現(xiàn)行施工技術規(guī)范要求。4組試件對應路段在攤鋪過程遭遇陣雨天氣，那么是否表明4組試件能夠滿足工程質(zhì)量要求呢？如果滿足要求，那么是否意味著瀝青混合料的攤鋪碾壓過程可以冒雨施工呢？為確定以上兩個疑問，特進行劈裂回彈模量試驗，對各組瀝青混合料的力學性能及黏彈性能進行對比分析。

3.2 劈裂回彈模量分析

4組試件劈裂回彈模量檢測結果見表5。

表5 劈裂回彈模量檢測結果Table 5 Test results of splitting resilient modulus

根據(jù)公式(3)，公式(4)計算各試驗溫度劈裂回彈模量平移至參考溫度(20 ℃)的位移因子；同時為了對位移因子進行修正[11]，特進行l(wèi)ogα(T)和T的二次函數(shù)擬合，函數(shù)模型如公式(5)，模型回歸系數(shù)見表6。采用修正后的位移因子對各溫度的劈裂回彈模量進行平移，平移至參考溫度，圖1給出第1組試件的劈裂回彈模量數(shù)據(jù)和平移后的主曲線作為示例。

(5)

式中：Ti為試驗溫度，℃；logα(Ti)為各試驗溫度下的位移因子；A、B和C為回歸系數(shù)。

圖1 第1組試件的劈裂回彈模量數(shù)據(jù)及平移后的主曲線Fig.1 Data of splitting resilient modulus and master curve of the 1st group specimens after shifting

試件平移至20℃回歸系數(shù)ABCR2-10℃5℃20℃35℃50℃1組0．0008-0．13412．44570．99953．86671．79520．0837-1．2678-2．25932組0．0012-0．17352．95710．99984．81212．1196-0．0329-1．6454-2．71793組0．00005-0．08841．79250．99722．68151．351750．0445-1．24025-2．50254組0．0003-0．10772．06410．99073．17111．53310．0301-1．3379-2．5709

由圖1知，依據(jù)表6中位移因子將試驗溫度劈裂回彈模量平移至20 ℃后，主曲線線性走勢明顯，表明經(jīng)二次函數(shù)模型修正后的位移因子精確度高，采用修正的位移因子平移的方法得到主曲線走勢圖是可行的；瀝青混合料的時間-溫度等效性顯著，即高頻率(或低溫時)荷載短作用時間可以得到低頻率(或高溫時)荷載長作用時間相同的響應。圖1可見，主曲線走勢為逼近-遞增-逼近型，兩端逼近型即存在模量的極大值和極小值，此極值的預估方法[12]在AASHTO 61-09中有具體說明。

現(xiàn)已有20 ℃劈裂回彈模量主曲線，根據(jù)各溫度平移至20 ℃的位移因子，其相反數(shù)即為20 ℃平移至其他溫度的位移因子，據(jù)此將20 ℃主曲線平移至任意溫度。圖2～圖5分別為第1、第2、第3和第4組試件的-10、5、20、35、50 ℃劈裂回彈模量主曲線簇。

圖2 第1組試件的劈裂回彈模量主曲線簇Fig. 2 Splitting resilient modulus master curve clusters of the 1st group specimens

圖3 第2組試件的劈裂回彈模量主曲線簇Fig. 3 Splitting resilient modulus master curve clusters of the 2nd group specimens

圖4 第3組試件的劈裂回彈模量主曲線簇Fig. 4 Splitting resilient modulus master curve clusters of the 3rd group specimens

圖5 第4組試件的劈裂回彈模量主曲線簇Fig. 5 Splitting resilient modulus master curve clusters of the 4th group specimens

圖2～圖5知，隨著溫度的升高劈裂回彈模量主曲線逐步右移，即相同的荷載作用頻率下，溫度升高劈裂回彈模量降低，瀝青混合料彈性減弱黏性增強；黏性增強意味著經(jīng)歷一個加載卸載過程，加載卸載應力-應變曲線(不處于相同軌跡)包絡面積增大，瀝青混合料耗散能量增加，易產(chǎn)生殘余變形，抗車轍性能減弱。

圖2～圖5均為等梯度溫度間隔(15 ℃)的劈裂回彈模量主曲線簇，而在較低頻率范圍主曲線間隔較高頻范圍間隔大，表明隨著加載頻率的增大混合料劈裂回彈模量對加載頻率的敏感性和依賴性降低。

為了將各組試件劈裂回彈模量(黏彈性能)進行對比，根據(jù)各組試件20 ℃主曲線數(shù)據(jù)，再次采用西格摩德方程對劈裂回彈模量與加載頻率進行雙對數(shù)擬合，回歸系數(shù)見表7。依據(jù)各組試件20 ℃劈裂回彈模量西格摩德主曲線方程，采用origin軟件繪制第1～第4組試件20 ℃主曲線圖，見圖6。

表7 20 ℃主曲線西格摩德方程回歸系數(shù)Table 7 Regression coefficient of 20℃ master curve for sigmoidal equation

圖6 各組試件20 ℃主曲線對比Fig. 6 Comparison of 20 ℃ master curve of every specimen

圖6繪制了加載頻率為10-9～109Hz范圍的各組試件20 ℃劈裂回彈模量主曲線，頻率范圍較大，目的是更能夠容易看出主曲線兩端的逼近性，逼近極大值和極小值。

圖6中3組試件和2組試件主曲線走勢一致、線性十分接近，尤其是10-3～103Hz頻率范圍(較常用頻率范圍)基本重合，表明2組試件和3組試件黏彈性能基本一致；2組試件為室內(nèi)拌合+短期加速老化，表明室內(nèi)短期加速老化同拌和樓拌和過程對瀝青的老化效果相似，采用室內(nèi)短期加速老化試驗替代拌和樓拌和過程對瀝青的老化是可行的；但2組試件主曲線兩端所逼近的極值略小于3組試件，可能是由于3組試件(VV=4.4%)較2組試件(VV=4.6%)殘留空隙率小、更為密實的原因。

各組試件20 ℃劈裂回彈模量主曲線線性由上至下依次為3組、2組、1組及4組試件，且4組試件的極小值遠小于其他3組，3組和2組試件模量較大的原因是均經(jīng)歷的拌和樓的短期老化(或模擬老化)過程，尤其是在礦粉加入后，密級配瀝青混合料膜厚較小(約為5～15 um范圍)，此過程在熱能的激發(fā)下，使得瀝青薄膜的分子鍵處于熱激發(fā)狀態(tài)，繼而與氧發(fā)生氧化硬化反應，瀝青膠結料變得脆硬，模量變大。1組試件未經(jīng)歷老化，室內(nèi)拌和后及時成型模內(nèi)自然降溫，其劈裂回彈模量主曲線處于第3，小于2組試件，但其兩端逼近的極值卻持平甚至高于第2組和第3組試件(極小值持平2組，極大值略高于3組)，原因是1組試件殘留空隙率最小(4.3%)，表明較大的壓實度是提高混合料剛度的關鍵措施。

4組試件經(jīng)歷的拌和樓加熱老化階段，現(xiàn)場施工過程突遇陣雨，碾壓過程雨滴落入混合料后有大量水蒸汽產(chǎn)生，攤鋪機攤鋪速度為6 m/min，體積參數(shù)檢測結果滿足我國施工技術規(guī)范要求。然而其劈裂回彈模量主曲線卻遠小于第2和第 3組試件，甚至遠小于第1組試件，劈裂回彈模量主曲線逼近的極大值和極小值也均小于其它3組試件；20 ℃溫度，10 Hz加載頻率下，其劈裂回彈模量僅為3組試件的42.5%，混合料承載能力、力學性能大幅降低。根據(jù)表面電位理論和表面能理論[12]，由于水分子的極性較瀝青強、較瀝青更能浸潤集料表面，攤鋪過程突降雨水，雨水相對于瀝青扮演了一個喧賓奪主的角色，能夠?qū)⑽接诠腆w集料表面的瀝青置換，降低了瀝青與散體集料的黏結強度，促進瀝青從集料表面的剝落，混合料耐久性降低。綜上所述，4組試件在大噸位(30噸輪胎壓路機)壓路機的碾壓作用下，雖能能夠滿足體積參數(shù)要求，但混合料劈裂回彈模量大幅降低，故對于瀝青混合料施工過程應密切關注天氣變化，及時調(diào)整拌和樓生產(chǎn)狀態(tài)，突遇下雨工況保證立即停止施工，并采取相應處理措施。

4 結 語

室內(nèi)拌和+短期加速老化后瀝青混合料的劈裂回彈模量主曲線與正常施工路段基本重合，表明二者黏彈性行為較為一致，室內(nèi)短期加速老化試驗與拌和樓加熱拌和過程對瀝青的老化效果近乎一致。隨著加載頻率的增大(溫度的降低)混合料劈裂回彈模量對加載頻率(溫度)的敏感性和依賴性降低。

瀝青混合料施工過程突遇下雨天氣，雖能夠在大噸位壓路機的碾壓作用下，使得體積參數(shù)滿足規(guī)范要求，但混合料劈裂回彈模量大幅降低。如在20 ℃溫度下，10 Hz加載頻率下降低42.5%。表明根據(jù)我國規(guī)范的檢測指標(壓實度或空隙率)，有可能將力學性能較差的瀝青混合料評價為質(zhì)量合格。下雨工況施工瀝青混合料劈裂回彈模量顯著降低，因此為保證瀝青路面路用性能，應嚴禁冒雨繼續(xù)施工。對于瀝青混合料施工過程應密切關注天氣變化，及時調(diào)整拌和樓生產(chǎn)狀態(tài)，突遇下雨工況保證立即停止施工。

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SplitResilientModulusMasterCurveofAsphaltMixtureConstructedinRainWeatherBasedonTime-TemperatureConversionPrinciple

WANG Hongchen

(Tongliao Traffic Construction Engineering Quality Supervision Station, Tongliao 028000, Inner Mongolia,P.R.China)

2 groups of specimens were molded in laboratory (with and without short-term aging procedure) and 2 groups of core samples were drilled from pavement (constructed in normal and rain condition). And then the volume parameters and split resilient modulus (5 temperature levels and 6 frequency levels) of the above 4 groups of specimens were tested by the AC-20 mixture split resilient modulus master curve generated by time-temperature equivalent principle, and the master curves of these four groups of specimens at 20℃ were compared and analyzed. The results show that it is feasible to simulate the mixing and heating process of asphalt mixture for aging of asphalt by short-term indoor accelerated aging test; the splitting resilient modulus of mixtures will be less sensitive and dependent on loading frequency with the increase of loading frequency; if the asphalt mixture encounters rain weather in construction process, the volume parameters of mixture will meet the requirements of specification, but there will be much decrease of split resilient modulus and mechanics performance; according to sigmoidal model of split resilient modulus,when the temperature is 20℃ and loading frequency is 10Hz, the mixture split resilient modulus will decrease by 42.5%. Therefore, it is suggested that the weather changes in asphalt mixture construction process should be paid close attention to and the mixing floor production status should be adjusted timely; meanwhile, it should be guaranteed to immediately stop the construction when rain condition is encountered.

highway engineering; pavement quality; construction in rain; split resilient modulus; volume parameters;

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.08

2016-08-17；

2016-11-04

王宏臣(1969—)，男，通遼科左后旗人，高級工程師，主要從事公路工程相關工作。E-mail：356188808@qq.com。

U416.2

A

1674-0696(2017)11-037-07

(責任編輯：朱漢容)