瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗條件分析

謝玲兒 楊建華 李 偉 張爭奇

(寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司1) 寧波 315121) (長安大學公路學院2) 西安 710064) (南昌市城市規劃設計研究總院3) 南昌 330038)

瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗條件分析

謝玲兒1)楊建華2)李 偉3)張爭奇2)

(寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司1)寧波 315121) (長安大學公路學院2)西安 710064) (南昌市城市規劃設計研究總院3)南昌 330038)

為了保證瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗結果的準確性，使不同類型的混合料圓柱體試件用于國標車轍儀時，試驗結果具有較高的重復性.通過設計瀝青混合料圓柱體試件模具，分析確定了圓柱體試件車轍試驗溫度、試件成型后適宜的放置時間及試件拼接縫的最大寬度.結果表明，基質瀝青混合料與改性瀝青混合料圓柱體試件國標車轍試驗溫度分別為60 ℃和70 ℃；試件放置時間與拼接縫的寬度對試驗結果有較大影響，基質瀝青混合料試件成型后需放置1 d且在15 d內進行車轍試驗，改性瀝青混合料試件在成型后需放置至少2 d再進行車轍試驗；拼接縫的寬度不能大于8 mm，否則可認為試件是無效的，試驗結果不能真實地反映瀝青混合料的高溫抗車轍性能.

瀝青混合料；圓柱體試件；車轍試驗溫度；試件放置時間；拼接縫寬度

0 引 言

目前，世界各國普遍采用車轍試驗衡量瀝青混合料的高溫抗車轍性能，我國相關標準規定采用尺寸為30 cm×30 cm×5 cm的板式試件進行車轍試驗，且指出可在路面上切割獲取規則的板狀體進行檢測實體路面的抗車轍性能[1-2].但是，實際工程竣工驗收及道路養護時，由于缺乏具體的檢測方案且板式試件難以在實體路面上切割獲得，實體路面的抗車轍性能并未得到檢測.

板式試件難以在實體路面上取樣，且即使取樣成功，會對路面造成較大的損害，這些損害會成為路面產生諸如裂縫、坑槽等其他病害的源頭.鑒于此，王輝等[3-5]提出利用路面芯樣檢測實體路面的高溫抗車轍性能，該方法對路面的損傷程度小且可利用為檢測路面的壓實度而獲取的路面芯樣，沒有必要專門為檢測路面的高溫抗車轍性能而在路面上鉆取芯樣.趙春花[6]提出利用柔性約束代替剛性約束進行車轍試驗，且利用有限元工具分析得出柔性約束與剛性約束所受到的剪應力和橫向應力的變化規律具有相似性，這為柔性約束的應用奠定了理論基礎；王新剛[7]通過試驗得出瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗動穩定度與板式試件車轍試驗動穩定度間有顯著的線形相關性，通過試驗驗證了瀝青混合料圓柱體試件用于國標車轍儀而衡量其高溫抗車轍能力的可行性，且指出了基質瀝青混合料與改性瀝青混合料車轍試驗溫度的確定方法，這為圓柱體試件車轍試驗的應用奠定了實踐基礎.

本文研究確定了瀝青混合料圓柱體試件在國標車轍儀上進行試驗時的溫度、試件放置時間及拼接縫的最大寬度，這在保證試驗結果的準確性方面有重要意義.同時，可將室內圓柱體試件的車轍試驗過渡到實體路面抗車轍性能檢測中，使實體路面抗車轍性能的檢測成為可能，這在保證路面的施工質量，從而延長路面使用壽命方面具有重要作用.

1 試驗原材料

1.1 試驗膠結料及集料

試驗膠結料選用A級70#基質瀝青及成品的SBS改性瀝青，AC-13級配采用玄武巖集料，粗集料為9.5～16,4.75～9.5 mm的碎石，細集料為9.5～16 mm的碎石加工的機制砂，填料為9.5～16 mm的碎石加工的礦粉.AC-20級配的集料礦物組成為石灰巖，且粗集料為19～26.5,9.5～19,4.75～9.5,2.36～4.75 mm的石灰巖碎石，細集料為9.5～19 mm的碎石加工的機制砂，填料采用9.5～19 mm碎石加工的礦粉.為保證室內試驗結果的準確性，試驗前先對原材料進行優選，即對兩種瀝青及集料的各項技術性能進行測試，測試結果均滿足相關規范的要求[8-9]，其中玄武巖集料基本性能見表1～2.

表1 玄武巖粗集料基本性能

表2 玄武巖細集料和填料基本性能

1.2 混合料配合比設計

本次試驗采用實際工程中常用的AC-13和AC-20級配、兩種瀝青(70#和SBS改性瀝青)共四種類型的瀝青混合料，分別記為AC-13-70#、AC-13-SBS、AC-20-70#和AC-20-SBS.配合比設計采用Superpave方法，最終得AC-13-70#混合料的瀝青用量為4.3%，AC-13-SBS混合料的瀝青用量為4.8%，AC-20-70#混合料的瀝青用量為4.1%，AC-20-SBS混合料的瀝青用量為4.3%.AC-13和AC-20合成級配見表3.

表3 AC-13和AC-20合成級配

2 車轍試驗模具

結合我國車轍試驗儀碾壓輪寬50 mm、碾壓長度(230±10) mm及SGC所能夠成型的瀝青混合料圓柱體試件的直徑(150 mm或100 mm)，設計的對圓柱體試件呈柔性約束的模具，見圖1.這樣設置能夠保證碾壓輪寬小于兩試件相切部分的寬度(90 mm)及碾壓長度小于兩試件拼接后的總長度(270 mm)，在保證這兩者條件下試件應盡可能大，以減小邊界約束的影響，若邊界約束程度過大，則試驗產生的車轍變形量過小，由于我國車轍試驗儀上的位移傳感器靈敏度較小，則會發生位移傳感器對過小的變形檢測不準確的現象，從而使試驗結果產生較大的誤差.

模具具有耐高溫、耐腐蝕且抗壓強度高的特性，其厚度為5 cm.模具由兩部分對稱拼接而成，該兩部分由合頁相連接，在進行試驗時，需將該模

圖1 圓柱體試件模具(單位：mm)

具放入板式試件對應的鋼模中，以保證試驗時模具的穩定性.

3 車轍試驗條件分析

3.1 試驗溫度

本次試驗以相關性和可區分性為原則，確定圓柱體試件國標車轍試驗溫度.分別利用輪碾成型儀和SGC成型上述不同類型的混合料板式試件和直徑為150 mm的圓柱體試件，且對圓柱體試件進行切割修整，在溫度為50，60和70 ℃的條件下對圓柱體試件進行車轍試驗，且在規范規定的標準溫度60 ℃條件下對板式試件進行車轍試驗，平行試驗均為四組，分別建立50，60和70 ℃條件下圓柱體試件車轍試驗動穩定度與60 ℃條件下板式試件車轍試驗動穩定度間的相關關系(aCT=bS60 ℃+c.式中：a，b，c均為常數).試驗結果見表4～6.

表4 60 ℃條件下試件車轍試驗動穩定度 次/mm

表5 50 ℃和70 ℃條件下圓柱體試件車轍試驗動穩定度 次/mm

表6 線形相關系數

注：C50 ℃，C60 ℃，C70 ℃分別為50，60和70 ℃時的圓柱體試件車轍試驗動穩定度；S60 ℃為60 ℃時的板式試件車轍試驗動穩定度.

由表4～5可知，無論是基質瀝青混合料還是改性瀝青混合料，在某一試驗溫度下，公稱粒徑較大級配的混合料其抗車轍性能明顯優于公稱粒徑較小級配的混合料.同時，由于圓柱體試件的試模約束更強，則圓柱體試件產生單位變形量所承受的平均作用次數顯著高于板式試件.由表6可知，三種溫度下，基質瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗動穩定度均與標準溫度(60 ℃)下板式試件車轍試驗動穩定度間有良好的線形相關性，且改性瀝青混合料具有同樣的規律，則從理論上，基質與改性瀝青混合料圓柱體試件均可在這三種溫度下進行車轍試驗.但實際試驗中發現，在50 ℃條件下，圓柱體試件的變形量普遍小于1 mm，由于變形量的變化區間小，不能有效地區分抗車轍性能的優劣，因此，不能將50 ℃設定為基質或改性瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗溫度.同時，在70 ℃條件下，基質瀝青混合料圓柱體試件在進行車轍試驗時，將會出現松散剝落的現象，同樣不能將70 ℃設定為基質瀝青混合料圓柱體試件的車轍試驗溫度，而將60 ℃設定為基質瀝青混合料的車轍試驗溫度.對于改性瀝青混合料，其在70 ℃條件下具有良好的區分度且試件保持完整，因此，可將改性瀝青混合料的試驗溫度設定為70 ℃.

3.2 試件放置時間

為了確定試件的放置時間，試驗選擇上文所述的AC-20-70#和AC-20-SBS兩種瀝青混合料，按照試模尺寸，利用SGC分別成型直徑均為150 mm、厚度為5cm的兩種混合料圓柱體試件各六個，對試件進行切割修整，使每種混合料具有三組試件.在室溫下放置不同時間后在國標車轍試驗儀上進行車轍試驗，從而得三組平行試驗結果的均值.其中SBS改性瀝青混合料試件試驗溫度為70 ℃，基質瀝青混合料試件試驗溫度為60 ℃，試驗結果見圖2.

圖2 圓柱體試件放置不同天數的車轍試驗結果

由圖2a)可知，基質瀝青混合料90 d的試驗結果產生較大的偏差，動穩定度急劇減小，車轍深度迅速增大，而放置1，7，15和30 d的試驗結果比較接近，這表明試件養生1 d且放置在30 d時間內對試驗結果影響不明顯，但試驗是在室內溫度不高的情況下進行，如果室內溫度較高，則放置30 d可能會對試驗動穩定度結果產生較大影響.因此，試件成型后需養生1 d且在15 d內進行車轍試驗，以保證試驗結果的準確性.

由圖2b)可知，SBS改性瀝青混合料可能由于其成型后有一個較長的冷卻固化過程，當固化完成后，在溫度不高的條件下試件放置時間對試驗結果影響不明顯.因此，成型2 d進行圓柱體試件車轍試驗，其動穩定度較小，但第8 d動穩定度增長了60%，而放置8，15，30和90 d的試驗結果比較接近.

綜上，試驗過程中要注意控制試驗時間的安排，以減少試驗結果誤差.為此，在外界環境溫度不高的條件下，基質瀝青混合料試件成型后需養生1 d且在15d之內完成車轍試驗，改性瀝青混合料試件在成型后需放置至少2 d再進行車轍試驗.

3.3 試件拼接縫寬度

由于圓柱體車轍試驗方法中，試件是將兩個圓柱體試件切割修整后拼接而成.因此，試模中的兩個圓柱體試件并不能完全吻合，試件放入試模后往往會產生1～8 mm的縫隙，此縫隙對試驗結果的準確性有較大影響.本文采用上述兩種類型的混合料試件進行研究，將8 mm寬縫隙與1 mm窄縫隙圓柱體試件的動穩定度和車轍變形量進行對比，研究縫隙對車轍試驗的影響，從而確定試件拼接縫的最大寬度.

為了使差異更明顯，試驗在較高溫度70℃下進行，圖3～4分別為車轍試驗前的試件和試驗后的變形試件.由圖4可知，兩組試件的變形存在顯著差異，具體是：寬縫隙組的混合料流動變形比較大，混合料向中間和兩側流動，試件表面呈明顯的“W”形.窄縫隙組的試件變形小，只有輪跡作用下的混合料向中間流動，且試件表面車轍深度小，呈輕微的“U”形.

圖3 車轍試驗前的試件

圖4 車轍試驗后縫隙處的變形

表7為兩種類型瀝青混合料寬縫隙與窄縫隙條件下的試驗結果.從表7可知，由于縫隙的擴大，AC-13基質瀝青和改性瀝青混合料的動穩定度分別減小19%和17%，車轍深度分別增加65%和60%，這表明縫隙的寬度對圓柱形車轍試驗結果的影響很大.因此，試件制備時應盡量縮小拼接縫的寬度，以提高試驗結果的準確性，由于試件拼接過程中橫縫無法避免，建議當橫縫寬度大于2 mm時可在橫縫中灌入石膏或水泥，待冷卻凝固后進行車轍試驗.當橫縫寬度大于8 mm時，可以認為該試件是無效的，車轍試驗所得到的動穩定度指標無法真實反映圓柱體試件的抗車轍性能.

表7 不同縫隙試件的車轍深度

4 結 論

1) 根據相關性和可區分性，基質與改性瀝青混合料圓柱體試件國標車轍試驗溫度分別確定為60 ℃和70 ℃.

2) 在溫度不高的環境下，基質瀝青混合料試件成型后需養生1 d且在15 d內進行車轍試驗，改性瀝青混合料試件在成型后需至少放置2 d，待改性瀝青充分固化后再進行車轍試驗，否則會影響試驗結果的準確性.

3) 試件拼接過程中的橫縫無法避免，當拼接后的橫縫在1～8 mm時，可在拼接縫中灌入石膏或水泥來增強約束；當拼接縫寬度大于8 mm時，則該組試件是無效的，需要重新成型且切割修整試件，否則試驗所得到的動穩定度指標無法客觀真實地反映該瀝青混合料的高溫抗車轍性能.

[1]楊丙龍.國內外瀝青路面抗車轍研究動態[J].公路工程與運輸,2008(4):149-151.

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[3]王輝,張肖寧.基于瀝青混凝土路面芯樣的抗車轍性能研究[J].中外公路,2012,32(2):65-69.

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[5]關宏信,張起森,劉敬.瀝青混合料車轍試驗改進方法[J].交通運輸工程學報,2011,11(6):16-21.

[6]趙春花.柔性約束圓柱體試件的車轍試驗研究[D].重慶：重慶交通大學,2009.

[7]王新剛.基于圓柱形試件的瀝青路面抗車轍性能評價及施工質量控制方法研究[D].西安：長安大學,2008.

[8]交通部公路科學研究所.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程：JTG E20-2011[S].北京:人民交通出版社,2011.

[9]交通部公路科學研究所.公路工程集料試驗規程：JTG E42-2005[S].北京:人民交通出版社,2005.

Condition Analysis of Rutting Test Based on Cylindrical Specimens of Asphalt Mixture

XIE Ling’er1)YANG Jianhua2)LI Wei3)ZHANG Zhengqi2)

(NingBoCommunicationConstructionEngineeringTestingCenterCo.Ltd.,Ningbo315121,China)1)(HighwayCollegeofChang’anUniversity,Xi’an710064,China)2)(NanchangAcademyofUrbanPlanningandDesign,Nanchang330038,China)3)

In order to ensure the accuracy of the rutting test results of the asphalt mixture’s cylindrical specimens and make the results higher repeatability, different types of mixtures of cylindrical specimens are used to measure the rutting resistance of asphalt mixture at high temperature. Based on the mould designed for cylindrical specimens of asphalt mixture, the rutting test temperature of cylindrical specimens is determined, and the appropriate time that the specimens is placed after forming and maximum width of the seam-line are analyzed and determined. The results show that the cylindrical specimens’ rutting test temperature of matrix and modified asphalt mixture’s are 60 ℃ and 70 ℃, respectively, under the rutting tester of slab specimens. Besides, the time of specimens’ placement and the width of seam-line have a significant effect on the test results, and the specimens of matrix asphalt mixture are required to place at least one day until the rutting test is made, but the placing time is also less than fifteen days. The specimens of modified asphalt mixture are supposed to place at least two days after forming before the rutting test begins. Besides, the width of the seam-line cannot be more than 8 mm, otherwise it will be considered as invalidity and the test results cannot truly reflect the rutting resistance of asphalt mixture at high temperature.

asphalt mixture; cylindrical specimens; rutting test temperature; placing time of specimens; width of seam-line

2017-06-19

U416.03

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.020

謝玲兒(1973—)：女,高級工程師,主要研究領域為路基路面檢測技術