楊 雷

(廣東省交通集團有限公司,廣東 廣州 510623)

0 引言

瀝青混合料屬于黏彈性材料，故其各項指標的測試結果均會受到所處溫度的影響[1-2]。瀝青路面在太陽的輻射下積聚能量，溫度不斷上升，在我國南方地區(qū)的夏季尤為顯著，路面溫度常可高達60～70 ℃，加之重載車輛的反復碾壓作用下，常會導致不同程度的車轍類病害，對行車的舒適性和出行人員的安全形成較嚴重的威脅[3-4]。

我國現(xiàn)行規(guī)范主要采用動穩(wěn)定度指標對設計的混合料進行抗車轍變形能力驗證[5]。一方面，以往采用的動穩(wěn)定度指標表示碾壓作用45～60 min時的車轍變形速率，即傳統(tǒng)車轍試驗僅關注車轍變化達到穩(wěn)定時的變形情況，卻忽略了車轍發(fā)展過程中的變形速率，不能代表整個變形過程[6-8]；另一方面，眾多研究學者認為采用車轍變形量、車轍變形曲線累積面積可以更好地表征瀝青混合料的高溫性能[9]，但各指標間的相關關系研究較少。

三軸蠕變試驗的試件力學狀況與路面實體工程的力學狀況最為相似[10-11]，采用該試驗方法測得的蠕變應變、勁度模量、累積應變面積等幾項主要評價參數(shù)，可以較好地判斷瀝青混合料在高溫環(huán)境下的抗車轍水平[12-13]，得到研究學者的廣泛認可，但是由于該試驗對操作人員以及試驗設備的要求較高，極大限制了其大范圍的推廣應用[14]。

為對比瀝青混合料不同使用階段的高溫性能差異，優(yōu)化高溫性能評價方法和指標，現(xiàn)基于AC-13瀝青混合料開展車轍試驗和三軸蠕變試驗，并進行全過程試驗數(shù)據(jù)采集，將獲得的試驗曲線劃分為4個加載區(qū)間，分別計算和分析各加載階段的高溫性能測試結果，選取與三軸蠕變試驗所測得結果相關性最好的車轍試驗指標，將其作為推薦為備選方案，以便為實際工程應用提供參考。

1 原材料與級配

粗集料采用變質砂巖碎石，瀝青采用殼牌SBS改性瀝青，主要技術指標見表1和表2。細集料選取石灰石機制砂，礦粉由石灰?guī)r研磨而成，其各項物理化學指標均符合相關規(guī)范要求[15]。

表1 粗集料主要技術指標

表2 改性瀝青主要技術指標

根據(jù)現(xiàn)行施工技術規(guī)范中給出的級配范圍，采用單一粒徑配料的方式，設計粗、中、細3種級配的AC-13瀝青混合料，級配曲線見表3。

表3 AC-13瀝青混合料級配

2 試驗方案

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定，單軸壓縮試驗所用試件可采用靜壓法、輪碾成型試件鉆取芯樣的方式獲取，也可采用振動壓實或搓揉法成型。已有研究表明，采用搓揉法(GTM)成型的瀝青混合料試件與實際路面工程成型模式更為吻合[16-17]，故本研究中的三軸蠕變試驗采取旋轉壓實的模式制備瀝青混合料試件。但考慮到車轍試驗的應用情況，其試件成型方式仍采用廣泛采用的輪碾成型方式。

2.1 車轍試驗

(1)按照設計好的3種級配分別成型300 mm×300 mm×50 mm的試件，混合料油石比均為4.5%。

(2)將板狀試件置于60 ℃環(huán)境中5 h后，采用車轍試驗機對其進行車轍試驗并記錄變形曲線。試驗輪與試件的接觸壓強設置為(0.7±0.05)MPa。

(3)根據(jù)車轍變形曲線，提取相應評價指標：車轍變形量、動穩(wěn)定度(車轍變形速率)、車轍變形曲線累積面積等。

2.2 三軸蠕變試驗

三軸蠕變試驗與單軸蠕變試驗的主要區(qū)別在于是否存在圍壓。為更好地模擬路面實際受壓狀態(tài)，本研究將試件采用橡膠膜包裹后，通過持續(xù)抽真空使試件承受固定圍壓作用，再通過軸向施加垂直壓力的方式進行三軸蠕變試驗。

(1)按照設計好的3種級配，采用GTM試驗機成型Φ=101.6 mm、h=101.6 mm的試件，混合料油石比均為4.5%。GTM試驗機的參數(shù)設置：油壓法，旋轉壓實角為0.8°，豎向壓力為0.8 MPa，成型控制為極限平衡狀態(tài)。

(2)將試件置于60 ℃環(huán)境中3 h后，采用橡膠膜密封，并留小孔與真空抽氣裝置相接，設置負壓為0.1 MPa，并開啟抽真空模式。

(3)將試件放在Cooper試驗機上，頂面放置圓形鋼板保證試件均勻受壓，開啟加載卸載模式(加載0.2 s、卸載0.8 s為一個周期)，豎向壓強設置為0.7 MPa，記錄蠕變曲線。其中，試驗溫度60 ℃；加載次數(shù)設置為600次。

(4)根據(jù)蠕變曲線，提取相應評價指標：蠕變應變、累積應變面積、曲線斜率、勁度模量等。

3 試驗結果與分析

3.1 車轍試驗結果分析

現(xiàn)對3種不同級配的AC-13瀝青混合料開展60 ℃車轍試驗，并采用式(1)中給出的對數(shù)模型對變形量隨碾壓時間的變化進行擬合，測試及擬合結果見圖1。

圖1 車轍變形曲線

y=A×ln(x+B)+C，

(1)

式中，y為變形量；x為碾壓時間；A，B，C為擬合參數(shù)。

根據(jù)圖1的車轍變形曲線擬合結果，將碾壓過程分為4個階段(0～15 min，15～30 min，30～45 min，45～60 min)，分別代表實際路面的4個不同應用時期；對不同碾壓階段的車轍變形量、動穩(wěn)定度(車轍變形速率)、車轍變形曲線累積面積等指標進行計算，結果見表4。其中，車轍變形量是將碾壓時間代入擬合公式計算得到；動穩(wěn)定度(車轍變形速率)的計算是通過公式：動穩(wěn)定度DS=[(最終時間-起始時間)×碾壓速度]/(最終變形-起始變形)=630/(最終變形-起始變形)計算得到；車轍變形曲線累積面積通過車轍變形量對時間進行積分的方式計算得到。

由圖1和表4可以看出：

表4 車轍變形曲線指標

(1)采用對數(shù)模型可以較好地模擬AC-13瀝青混合料在車轍試驗過程中的車轍變形隨加載時間的變化規(guī)律，擬合系數(shù)均可達到0.99以上。

(2)隨著碾壓時間的增長，車轍變形量和車轍曲線累積面積均逐漸增大、增長速率逐漸減小，動穩(wěn)定度計算值逐漸增大，這是由于試樣被不斷擠密所致?；诖耍ㄗh采取不同加載階段的車轍試驗計算結果對不同變形階段的高溫性能進行區(qū)分評價，以便對整個變形過程開展綜合評價。

(3)隨著級配由細變粗，車轍變形量和車轍變形曲線累積面積逐漸減??；動穩(wěn)定度出現(xiàn)較輕微的波動，這可能是由于瀝青混合料試件具有變異性所致，但其總體呈增大趨勢。

3.2 三軸蠕變試驗結果分析

現(xiàn)對3種不同級配的AC-13瀝青混合料開展60 ℃三軸蠕變試驗，并采用式(1)中給出的對數(shù)模型對應變隨加載時間的變化進行擬合，測試及擬合結果見圖2。

圖2 蠕變曲線

根據(jù)圖2的蠕變曲線擬合結果，將加載過程分為4個階段(0～150 s，150～300 s，300～450 s，450～600 s)，分別代表實際路面的4個不同應用時期；對不同加載階段的蠕變應變、累積應變面積、曲線斜率、勁度模量等指標進行計算，結果見表5。其中，蠕變應變的計算通過將加載時間代入擬合曲線的方式計算得到；累積應變面積通過應變對時間進行積分的方式計算得到；曲線斜率為某時間段內應變值變化速率的平均值；勁度模量采用加載采用的垂直壓應力與應變的比值計算得到。由圖2和表5可以看出：

表5 蠕變曲線指標

(1)采用對數(shù)模型可以較好地模擬AC-13瀝青混合料的蠕變應變隨加載時間的變化過程，擬合系數(shù)均可達到0.99以上。

(2)隨著加載時間的增長，蠕變應變和累積應變面積逐漸增大，曲線斜率和勁度模量逐漸減小，變化速率均逐漸變緩，這主要是由于試樣被逐漸擠密所致?；诖?，建議采取不同加載階段的三軸蠕變試驗計算結果對不同變形階段的高溫性能進行區(qū)分評價，以便對整個變形過程開展綜合評價。

(3)隨著級配由細變粗，AC-13瀝青混合料的最終蠕變應變、累積應變面積、曲線斜率均逐漸減小，蠕變末期勁度模量逐漸增大。蠕變應變、累積應變面積、曲線斜率越小，蠕變末期勁度模量越大，則瀝青混合料的高溫性能越好；反之，高溫性能越差。隨著級配由細變粗，AC-13瀝青混合料的高溫性能逐漸提高，試驗結果與理論相吻合，表明三軸蠕變試驗可以較真實地反映瀝青混合料的高溫性能。

3.3 高溫評價指標相關性分析

(1)三軸蠕變試驗指標間的相關性分析

由于3種級配的AC-13瀝青混合料的蠕變應變、累積應變面積、曲線斜率、勁度模量4個指標間具有較好的一致性，為便于開展對比分析，本研究對4個指標的相關系數(shù)進行計算，結果見表6～表9。

由表6～表9可見：

表6 蠕變指標間的相關系數(shù)(加載時間150 s)

表7 蠕變指標間的相關系數(shù)(加載時間300 s)

表8 蠕變指標間的相關系數(shù)(加載時間450 s)

表9 蠕變指標間的相關系數(shù)(加載時間600 s)

在不同的加載階段，三軸蠕變試驗的各指標間具有良好的線性相關關系，相關系數(shù)絕對值均達到0.99以上，即蠕變應變、累積應變面積、曲線斜率、勁度模量均可作為瀝青混合料高溫性能的有效評價指標。其中，蠕變勁度模量的定義明確，且眾多研究學者認為其與路面抗車轍能力具有良好的相關關系[18]。因此，本研究將蠕變勁度模量作為高溫評價的代表性指標，即：蠕變勁度模量越大，表示混合料的高溫性能越好。

(2)三軸蠕變試驗與車轍試驗指標的相關性分析

雖然三軸蠕變試驗可以較好地判斷瀝青混合料在高溫環(huán)境下的抗車轍水平，但是由于其對操作人員、儀器設備等要求嚴格，不便于進行推廣應用，導致其應用受限。而車轍試驗雖然有一定弊端，但是其操作簡單，應用范圍極為廣泛。基于此，本研究對三軸蠕變試驗結果與車轍試驗結果進行相關關系分析，提取出合適的車轍試驗評價指標。

車轍試驗總加載時間為60 min，每次碾壓距離為230 mm，輪胎0.7 MPa下與試件的接觸長度約為20 mm，將其作為加載單元，則在試驗過程中，該加載單元的受壓時間約為60 min×(20 mm/230 mm)=5.2 min。三軸蠕變試驗總加載時間為600 s(即加載卸載600次)，加載卸載過程為：0.2 s加載、0.8 s卸載，其受壓時間為600次×0.2 s/次=120 s=2 min。因此，以三軸蠕變試驗600 s分成的4個階段為依據(jù)，對應將相同加載時間(即加載時間分別為0.5，1，1.5，2 min，試驗時間分別為5.8，11.5，17.3，23 min)的車轍試驗數(shù)據(jù)提取出來，以便進行對比分析，具體結果見表10。

表10 對應加載時間的車轍試驗數(shù)據(jù)

對4個加載階段的蠕變勁度模量指標和車轍變形量、動穩(wěn)定度(車轍變形速率)、車轍變形曲線累積面積3個高溫性能評價指標進行相關系數(shù)計算，結果見表11。

由表11可見：

表11 車轍試驗指標與蠕變勁度模量的相關系數(shù)

在不同的加載階段，AC-13瀝青混合料的蠕變勁度模量與車轍試驗測得的車轍變形量、車轍變形速率、車轍變形曲線累積面積均具有較好的相關性，相關系數(shù)絕對值達0.86以上。其中，動穩(wěn)定度(車轍變形速率)與蠕變勁度模量的相關性最好，其次為車轍變形曲線累積面積，最后為車轍變形量。因此，在不具備開展三軸蠕變試驗的條件時，采用車轍試驗的動穩(wěn)定度指標進行瀝青混合料高溫性能評價為最優(yōu)選擇。

此外，雖然車轍試件和三軸蠕變試驗試件采用不同的成型方式，但是2種方法測得的瀝青混合料的高溫評價指標仍具有較好的相關性，說明2種方式制備的瀝青混合料試件均形成了較好的密實結構，其高溫性能均較優(yōu)。

4 結論

(1)采用對數(shù)模型可以較好地模擬AC-13瀝青混合料車轍變形和蠕變應變隨加載時間的變化規(guī)律，擬合系數(shù)均可達到0.99以上。

(2)蠕變應變、累積應變面積、曲線斜率及勁度模量間存在良好的線性相關關系，均可作為瀝青混合料高溫性能的有效評價指標；動穩(wěn)定度與蠕變勁度模量間存在良好的線性相關關系，在不具備開展三軸蠕變試驗的條件時，采用車轍試驗的動穩(wěn)定度指標進行瀝青混合料高溫性能評價為最優(yōu)選擇。

(3)為體現(xiàn)瀝青混合料整個變形過程，建議采用不同加載階段的三軸蠕變試驗指標或動穩(wěn)定度指標進行高溫性能綜合評價，但具體指標要求需通過進一步試驗研究和工程實踐確定。