不同級配瀝青混合料壓實(shí)特性與高溫性能相關(guān)性*

馬 翔 李 強(qiáng) 葛 驍

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 210037)

不同級配瀝青混合料壓實(shí)特性與高溫性能相關(guān)性*

馬 翔 李 強(qiáng) 葛 驍

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 210037)

為了通過不同級配瀝青混合料的壓實(shí)特性分析其高溫穩(wěn)定性，采用密實(shí)度斜率K、密實(shí)度能量指數(shù)CEI92,CEINini-92,92%密實(shí)度對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)N92這4個(gè)指標(biāo)研究了普通瀝青和改性瀝青成型的粗、中、細(xì)3種級配共6種瀝青混合料的壓實(shí)特性，并將4個(gè)指標(biāo)值與瀝青混合料60 ℃動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)第二階段的斜率值進(jìn)行相關(guān)性分析.結(jié)果表明，級配越粗，密實(shí)度能量指數(shù)越大，瀝青混合料越難壓實(shí)，但其高溫穩(wěn)定性并一定越好；密實(shí)度斜率K與瀝青混合料高溫穩(wěn)定性相關(guān)性較好，在瀝青混合料級配選擇時(shí)可選擇K值更小的級配，使瀝青混合料具有更好的高溫性能.

道路工程；瀝青混合料；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)；壓實(shí)特性；高溫性能

0 引 言

在Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法中，一般選用粗、中、細(xì)3個(gè)級配進(jìn)行對比試驗(yàn)，選擇能滿足相關(guān)指標(biāo)的級配作為設(shè)計(jì)級配.但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)有2個(gè)甚至3個(gè)級配均能較好的滿足這些指標(biāo)，這時(shí)級配一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇.如果能從這些級配旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性中了解它們之間高溫特性的優(yōu)劣，將有利于設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的瀝青混合料.

瀝青混合料在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中能夠精確掌握室內(nèi)壓實(shí)試件高度隨壓實(shí)次數(shù)的變化情況，進(jìn)而分析壓實(shí)度隨壓實(shí)次數(shù)間的關(guān)系，這種關(guān)系能夠反映瀝青混合料在施工期間的壓實(shí)特性和開放交通后的交通荷載作用下的密實(shí)度變化特性[1].文獻(xiàn)[2-3]采用壓實(shí)度斜率、壓實(shí)度能量指數(shù)等多個(gè)指標(biāo)對瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線進(jìn)行分析，但均未能建立這些指標(biāo)與瀝青混合料高溫性能間的關(guān)系.本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，將反映壓實(shí)特性的指標(biāo)與瀝青混合料高溫蠕變參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，確定了能較好反映瀝青混合料高溫性能的壓實(shí)特性指標(biāo)，以利于瀝青混合料級配的選擇.

1 試驗(yàn)方案

本研究旨在通過瀝青混合料壓實(shí)特性與高溫性能間的相關(guān)性研究，為Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法中級配選擇提供依據(jù).為此，對公稱最大粒徑為20 mm的混合料采用粗、中、細(xì)3種級配；瀝青選用普通瀝青和改性瀝青2種類型的瀝青組成6種混合料進(jìn)行對比研究，其混合料類型見表1.

表1 不同類型瀝青混合料相關(guān)信息

為了盡量減少試件成型對試驗(yàn)條件的影響，所有試件配料均是篩分成單一粒徑后逐一抓配，6個(gè)試件均是同一次成型，混合料拌好后在同一溫度為160 ℃的烘箱中保溫2 h后旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型.

確定各種瀝青混合料的材料組成后，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法成型試件，旋轉(zhuǎn)次數(shù)為100次.在試件旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中記錄每次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)時(shí)試件的高度，獲得試件成型過程中旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)與試件高度的曲線關(guān)系，依據(jù)該曲線關(guān)系計(jì)算得到各種瀝青混合料的壓實(shí)特性.

在試件成型后，測得各試件的體積參數(shù)，并采用60 ℃動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的高溫性能.

2 壓實(shí)特性評價(jià)指標(biāo)

在Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法中的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法將瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)分為3個(gè)階段：初始壓實(shí)次數(shù)(Nini)、設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)(Ndes)、最大壓實(shí)次數(shù)(Nmax)，其具體取值與預(yù)測交通量相關(guān)，本研究取Nini=8次，Ndes=100次，Nmax=160次.在瀝青混合料壓實(shí)特性分析時(shí)，也多以這些壓旋轉(zhuǎn)次數(shù)下的壓實(shí)度為基礎(chǔ).國內(nèi)外關(guān)于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線信息的分析指標(biāo)比較多，歸納起來主要包括如下幾類.

1) 密實(shí)度斜率 通過對壓實(shí)曲線的回歸分析發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)曲線較好的滿足以下指數(shù)關(guān)系：

(1)

式中：γ為壓實(shí)度，%；N為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)；A,B為回歸系數(shù).

對式(1)求導(dǎo)，可得到曲線上任一點(diǎn)的斜率，反映了該點(diǎn)處壓實(shí)速率，一般采用Nini-Ndes在常用半對數(shù)圖上的密實(shí)度斜率K反映瀝青混合料的壓實(shí)特性，K值依下式計(jì)算

(2)

2) 密實(shí)度能量指數(shù)與交通密實(shí)指數(shù) 密實(shí)度斜率可以反映混合料的相對壓實(shí)性能，但卻不能反映瀝青混合料壓實(shí)時(shí)所需總的能量，不同階段瀝青混合料的壓實(shí)特性，還可采用密實(shí)度能量指數(shù)(CEI)和交通密實(shí)指數(shù)(TDI)評價(jià)[4-5].

CEI的計(jì)算可以取不同壓實(shí)階段的曲線，常用的指標(biāo)有從松散狀態(tài)壓實(shí)到92%密實(shí)度的密實(shí)曲線面積CEI92和初始壓實(shí)次數(shù)到92%密實(shí)度的密實(shí)曲線面積CEINini-92.

TDI反映的是在交通荷載反復(fù)作用下混合料被壓密到極限密實(shí)時(shí)所需做的功.常用的指標(biāo)有密實(shí)度從92%～98%時(shí)密實(shí)曲線的面積TDI92～98和密實(shí)度從96%至98%時(shí)密實(shí)曲線的面積TDI96～98.

3) 其他指標(biāo) 除密實(shí)度斜率和密實(shí)度能量指數(shù)外，文獻(xiàn)[6]將某一壓實(shí)度對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)作為其壓實(shí)特性的評價(jià)指標(biāo)，常用的有N92,N95,N96,N98等，或?qū)?個(gè)不同壓實(shí)度對應(yīng)旋轉(zhuǎn)次數(shù)的比值作為評價(jià)指標(biāo)，如N95/N92,N98/N95,N98/N96等.

4) 本研究采用的指標(biāo) 本研究旨在通過瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型過程中的信息掌握瀝青混合料的高溫性能，其研究結(jié)論應(yīng)用的便利性是本研究目的之一.為此，本研究僅對Ndes下能獲取的指標(biāo)進(jìn)行分析，包括：密實(shí)度斜率K；密實(shí)度能量指數(shù)CEI92,CEINini-92；92%密實(shí)度對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)N92.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 材料組成設(shè)計(jì)

3.1.1 原材料檢測

首先對各種原材料的性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測，其各項(xiàng)指標(biāo)均能較好的滿足技術(shù)規(guī)范的要求，其中2種瀝青的3大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 2種瀝青的3大指標(biāo)

3.1.2 級配組成

根據(jù)Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，本研究選擇粗、中、細(xì)3種級配進(jìn)行研究，3種級配的目標(biāo)級配見表3.

表3 3種瀝青混合料目標(biāo)級配的通過率

3.1.3 瀝青用量

在配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定幾種瀝青混合料的瀝青用量均為4.1%.

3.2 壓實(shí)特性試驗(yàn)

依據(jù)上節(jié)確定的材料組成對瀝青混合料旋轉(zhuǎn)成型，記錄成型過程中各試件旋轉(zhuǎn)次數(shù)與高度間的關(guān)系，并分別用表干法和體積法測得試件的毛體積密度，基于2個(gè)密度間的相關(guān)關(guān)系，推算出不同高度時(shí)瀝青混合料的壓實(shí)度，從而計(jì)算出各壓實(shí)特性評價(jià)指標(biāo)的值，見表4.

表4 不同試件各壓實(shí)特性評價(jià)指標(biāo)結(jié)果

由表可見，無論是普通瀝青混合料還是改性瀝青混合料，級配越粗密實(shí)度斜率K值越大，說明其密實(shí)度隨壓實(shí)次數(shù)變化越快，混合料的可壓實(shí)速率越大；密實(shí)能量指數(shù)CEI92，CEINini-92也越大，達(dá)到92%密實(shí)度的旋轉(zhuǎn)次數(shù)越多，說明級配越粗瀝青混合料越難以壓實(shí)，由此可見，K值與密實(shí)能量指數(shù)并不是完全一致的指標(biāo).相同級配，不同瀝青組成的混合料的K值區(qū)別并不明顯，說明該指標(biāo)并不能明顯區(qū)別不同瀝青組成瀝青混合料間的壓實(shí)特性，結(jié)合本研究的成型條件，可能因?yàn)槌尚蜏囟容^高，瀝青粘度區(qū)別不明顯導(dǎo)致.CEI92區(qū)別明顯，改性瀝青混合料的CEI92明顯大于普通瀝青混合料，說明改性瀝青混合料更難壓實(shí)，這與一般規(guī)律相一致，說明CEI92可用于評價(jià)瀝青混合料的施工和易性.

3.3 動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)

目前，高溫性能的評價(jià)方法及指標(biāo)比較多，常用的有車轍試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)等，其中動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)以其明顯的3階段模型，等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科研項(xiàng)目中評價(jià)瀝青混合料的高溫特性，此外，動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)可采用圓柱形試件，保證壓實(shí)特性評價(jià)的試件和動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)的試件為同一試件，減少試驗(yàn)變異性.因此，本研究采用單軸動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)評價(jià)幾種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.

動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)參照(National Cooperative Highway Research Program，NCHRP)推薦的simple performance test中的重復(fù)加載永久變形試驗(yàn).試驗(yàn)的加載周期為1 s，其中包括0.1 s的半正弦壓力荷載和0.9 s的間隔.試驗(yàn)終止條件為荷載作用次數(shù)達(dá)到10 000次或位移傳感器(LVDT)超過了量程范圍.試驗(yàn)破壞的條件，變形的斜率開始迅速增加.

本試驗(yàn)的溫度定為60 ℃，軸向壓力為700 kPa，試件尺寸為直徑100 mm，高100 mm的圓柱形試件.蠕變試驗(yàn)3階段模型，圖1為典型的永久應(yīng)變與重復(fù)荷載作用次數(shù)關(guān)系圖.圖中永久應(yīng)變曲線由3階段組成:(1) 初始階段(遷移期),永久應(yīng)變累積迅速，但累積率逐漸降低；(2) 第二階段(穩(wěn)定期),累積率幾乎不變；(3) 第三階段(破壞期),永久應(yīng)變又開始迅速增長，且累積率逐漸變大.

其中，對應(yīng)于第三階段產(chǎn)生的重復(fù)荷載作用次數(shù)被定義為流動(dòng)荷載作用次數(shù)，一般采用第二階段的斜率和流變次數(shù)作為瀝青混合料高溫性能評價(jià)指標(biāo)，斜率越小高溫性能越好，流變次數(shù)越大高溫性能越好.

圖1 典型永久應(yīng)變與荷載作用次數(shù)關(guān)系圖

從試驗(yàn)結(jié)果可知，普通瀝青混合料高溫性能明顯較改性瀝青混合料差；不同級配間瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性也略有區(qū)別，無論是改性瀝青混合料還是普通瀝青混合料，級配越粗動(dòng)態(tài)蠕變第二階段的斜率越大，高溫穩(wěn)定性越差.說明粗型級配瀝青混合料的抗變形能力未必優(yōu)于細(xì)型級配瀝青混合料，這與文獻(xiàn)8的結(jié)論一致.

3.4 相關(guān)性分析

為了研究瀝青混合料壓實(shí)特性與其高溫穩(wěn)定性間的相關(guān)性，將表4中4個(gè)不同表征壓實(shí)特性的指標(biāo)值與動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)第二階段模型的斜率值進(jìn)行相關(guān)性分析，具體分析結(jié)果見圖2.

由圖2可見，無論是普通瀝青混合料還是改性瀝青混合料，其動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)第二階段的斜率均與壓實(shí)特性指標(biāo)值正相關(guān)，其中與密實(shí)度斜率K值的相關(guān)性最好；K值越小，混合料的可壓實(shí)速率越小，其動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)第二階段的斜率越小，瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性；密實(shí)能量指數(shù)CEI92，CEINini-92越大，混合料越難壓實(shí)，但其動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)第二階段的斜率越大，高溫性能越差，與此同時(shí)，N92越大，達(dá)到壓實(shí)度為92%時(shí)的壓實(shí)次數(shù)越多，混合料越難壓實(shí)，但其動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)第二階段的斜率也越大，高溫性能越差，由此可見，越難壓實(shí)的瀝青混合料，其高溫性能并不一定優(yōu).

4 結(jié) 論

1)Nini-Ndes在常用半對數(shù)圖上的密實(shí)度斜率K能較好的反映不同級配瀝青混合料間的高溫穩(wěn)定性，K值越小其高溫蠕變斜率越小，高溫性能越好.

圖2 動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)第二階段斜率與壓實(shí)特性指標(biāo)間的相關(guān)性

2) 密實(shí)能量指數(shù)CEI92,CEINini-92,N92能夠較好的反映不同級配瀝青混合料的壓實(shí)特性，級配越粗，密實(shí)能量指數(shù)越大，混合料越難壓實(shí)，但其高溫穩(wěn)定性不一定越好.

3) 本文重點(diǎn)對不同級配瀝青混合料進(jìn)行了研究，研究結(jié)論可用于級配選擇，對變化其他因素的適用性有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證.

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Relationship of Compaction Characteristics to Different Gradation Asphalt Mixture High Temperature Performance

MA Xiang LI Qiang GE Xiao

(CollegeofCivilEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

To analysis the high temperature stability of different gradation asphalt mixture by compaction characteristics, four indexes were used to study the compaction characteristics of six kinds of asphalt mixture made of two kinds bitumen (original and modified bitumen) and three gradation (coarse、middle、fine), including compaction slope(K)、compaction energy index from beginning to 92% density (CEI92) 、compaction energy index from initial number of gyrations (Nini)to 92% density(CEINini-92) and number of gyrations to 92% density(N92). Correlation analysis was carried out on the value of the four indexes and the slop of the second stage of the dynamic creep test at 60 ℃. The results indicate that the asphalt mixture with more coarse gradation, theCEIis greater and the it is more difficult to be compacted, but its high temperature stability is not always better. The relationship betweenKvalue and the high temperature stability is good, and the gradation with litter K value can be chosen which will have better high temperature performance.

pavement engineering; asphalt mixture; gyratory compaction; compaction characteristics; high temperature performance

2015-01-28

*國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：51308303)、南京林業(yè)大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：G2014014)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目資助

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.004

馬 翔(1980- )：男，博士，高級工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆饭こ探Y(jié)構(gòu)及材料