基于響應面法的不同配比瀝青混凝土性能平衡優化設計

葉爾木拉提·木哈得爾，冷斌，徐云龍，李寧博，郝培文

摘要：采用4種不同標號瀝青及3種油石比制備12組瀝青混合料，通過車轍試驗、Overlay Tester（OT）試驗以及動態模量試驗評價其高溫性能、低溫性能和力學性能。采用響應面法對不同瀝青混合料的高溫性能、低溫抗裂性能、疲勞性能和力學性能進行平衡性分析。結果表明，采用高油石比和低標號瀝青可顯著提高混合料的高溫性能及力學性能且具有一定的抗裂性能，根據性能疊加圖推薦了滿足高模量瀝青混凝土高溫性能、抗裂性能與力學性能標準的瀝青標號與油石比范圍，其結果對于合理進行不同標號瀝青混凝土配合比設計具有較大的參考價值。

關鍵詞：瀝青混合料;車轍試驗;Overlay Tester試驗;Simple Performance Test試驗;響應面法;混合料平衡性設計

中圖分類號：U414；TQ177.6+3文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0058-05

Optimal design of performance balance of asphalt concrete with?different proportions based on response surface method

YEERMULATI Muhadeer1，LENG Bin1，XU Yunlong1，LI Ningbo2，HAO Peiwen2

（1.China Railway Construction Corporation Limited? Xinjiang Jinxin Expressway Co.，Ltd.，Wulumuqi 830026，China;2.Highway College of Changan Unversity，Xian 710064，China）

Abstract：Twelve groups of asphalt mixtures were prepared by using 4 different grades of asphalt and 3 oil-stone ratios，and their high-temperature，low-temperature and mechanical properties were evaluated by rutting test，overlay tester （OT） test and dynamic modulus test.The response surface method was used to analyze the balance of high temperature properties，low temperature crack resistance，fatigue properties and mechanical properties of different asphalt mixtures.The results showed that the use of high oil-stone ratio and low grade asphalt significantly improved the high temperature performance and mechanical properties of the mixture，and had certain crack resistance.According to the performance overlay diagram，the asphalt grade and oil-stone ratio range that meets the high temperature performance，crack resistance and mechanical properties standards of high-modulus asphalt concrete were recommended，and the results had great reference value for the reasonable design of different grades of asphalt concrete mix ratio.

Key words：asphalt mixtures;rutting test;overlay tester test;simple performance test;response surface method;mix balanced design

目前瀝青混凝土配合比設計方法主要包括馬歇爾法和Superpave法，其均屬于體積設計法，其很難平衡瀝青混合料的路用性能[1-4]。針對高模量瀝青混合料、混合料級配變異與路用性能的關系等研究不同級配瀝青混合料技術性能研究[5-8]，同時利用納米材料、硅藻土-聚酯纖維以及地聚合物進行改性瀝青路用性能研究[9-11];AASHTO PP 105-20《瀝青混合料平衡設計》提出的瀝青混合料平衡設計法是在車轍、開裂之間找到平衡點[12]。為設計出滿足國內標準的高模量瀝青混凝土，并使混合料兼具抗裂性需求，本文選用12種瀝青標號-油石比組合，進行高溫車轍試驗、Overlay Test（OT）試驗和動態模量試驗評價高溫性能、抗裂性能、疲勞性能和力學性能，采用響應面法[13-14]確定滿足不同路用性能的瀝青標號-油石比范圍，為不同標號瀝青混合料配合比設計提供借鑒參考。

1原材料技術性質及油石比確定

1.1瀝青

選用70#SK、50#TPK、30#KL、20#KL不同標號瀝青，測定結果如表1所示，其技術性質均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求。

1.2集料

粗、細集料均采用為蛇紋巖，礦粉由石灰巖磨制，其技術指標測定結果如表2～表4所示。

根據JTG F40—2004，選擇AC-13混合料進行級配設計，其配比為：礦粉∶0～3 mm細集料∶3～5 mm粗集料∶5～10 mm粗集料∶10～15 mm=2∶27.6∶24.1∶14.1∶32.3。

1.3油石比確定

對于瀝青混合料配比設計，瀝青膠粉比對其油石比影響最大，法國高模量瀝青混凝土配比設計時一般采用經驗法豐度系數來確定初步油石比。基于此，本研究固定礦粉與瀝青比例分別為0.9、1.2、1.5，經過換算后得到對應的油石比分別為7.56%、5.67%和4.53%。然后，進行瀝青混合料路用性能試驗。

2路用性能試驗

2.1高溫性能

對由不同標號瀝青組成的瀝青混合料進行60 ℃車轍試驗，試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）要求；采用動穩定度作為評價其高溫性能的指標。

2.2抗疲勞開裂性能

采用Overlay Tester（OT）試驗評價瀝青混合料抗疲勞開裂性能[15-18]。試驗采用位移控制模式，一個荷載周期為10 s（5 s加載，5 s卸載），且每個荷載周期的最大位移為0.625 mm;采用循環周期數和荷載損失率作為瀝青混合料抗疲勞開裂性能的指標;采用臨界斷裂能評價裂縫產生階段的抗裂性。采用裂縫擴展系數（b）評價裂縫發育階段抗疲勞開裂性，結果如圖1所示[15]。

2.3動態模量試驗

采用動態模量評價瀝青混合料力學性能， 依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，試驗溫度選擇5、15、40、60? ℃，荷載頻率采用0.1、0.5、1、5、10、20、25 Hz;通過Sgmoidal模型計算混合料的動態模量。

3試驗結果分析與討論

3.1高溫性能試驗結果分析

不同標號瀝青混合料車轍試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，瀝青混合料動穩定度隨著瀝青標號減小而逐漸增大，隨著油石比增大而逐漸減小。瀝青標號、油石比均對瀝青混合料動穩定度影響顯著。

3.2抗疲勞開裂性能試驗結果

不同瀝青混合料的OT試驗結果如表5所示。

由表5可知，在同一瀝青標號下，隨著油石比增加，瀝青混合料的作用周期數逐漸增大，荷載損失率逐漸減小；油石比為4.53%時，隨著瀝青標號減小，混合料作用周期逐漸減小；當油石比為5.67%、7.56%時，隨著瀝青標號減小，瀝青混合料作用周期出現先減小后增大的趨勢。

依據規范[15]對不同標號瀝青混凝土OT試驗結果進行線性擬合，求出在周期數為300次荷載作用下荷載損失率達到93%時的裂縫擴展系數，結果如表6所示。

由表6可知，在7.56%油石比條件下4種瀝青混合料均具有良好的抗裂性能；在5.67%油石比條件下70#、20#瀝青混合料具有良好的抗裂性能；在同一瀝青標號下，隨著油石比增加，其裂縫擴展系數減小，說明油石比越大，瀝青混合料抗疲勞開裂性能越好，即通過增加油石比可提高瀝青混合料的抗疲勞開裂能力。

采用性能空間圖來評估瀝青混合料裂縫產生階段的抗裂性和裂縫發育階段抗裂性。將試驗數據均值566 J/m2作為評價瀝青混合料裂縫發育階段抗裂性指標。具體結果如圖3所示。

由圖3可知，低標號瀝青混合料具有較高的臨界斷裂能，可以抵抗裂縫的產生。但20#瀝青混合料只在7.56%油石比條件下，才能滿足疲勞性能要求；30#、50#、70#瀝青混合料在5.67%、7.56%油石比條件下均可滿足疲勞性能要求。油石比為7.56%的20#瀝青和油石比為7.56%的30#瀝青混合料同時滿足裂縫產生階段和裂縫發育階段抗裂性需求，這說明在裂縫產生階段，低標號、高油石比組成的瀝青混合料比高標號瀝青混合料具有更好的抗疲勞開裂能力；但在裂縫發育階段，高標號、高油石比組成的瀝青混合料具有更好的抗疲勞開裂能力。因此，低標號、高油石比組成的瀝青混合料具有良好的抵抗裂縫產生階段和裂縫發育階段的性能。

3.3動態模量試驗結果

根據70#、50#、30#和20#這4種瀝青混合料在不同溫度下的動態模量測定結果，利用WLF（Williams-Landel-Ferry）方程將不同溫度下的動態模量移位至15 ℃參考溫度，繪制出不同瀝青混合料的動態模量主曲線，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著混合料油石比的增大，瀝青混合料動態模量均有所減小，4種瀝青混合料在油石比為4.53%時，其動態模量均達到最大值。不同油石比瀝青混合料在高頻率（低溫）條件下，模量之間差距較小；但隨著頻率的減小或溫度升高，瀝青混合料動態模量隨油石比變化表現出變異性逐漸增大，說明油石比對瀝青混合料在高溫狀態下的力學性能影響較大。4種瀝青混合料在高頻階段主曲線均趨于收斂，說明瀝青混合料在此頻率或溫度下已經達到最大動態模量，瀝青混合料的最大動態模量與油石比無明顯的相關性。

不同標號、不同油石比瀝青混合料在溫度15 ℃、頻率10 Hz條件下的動態模量結果如表7所示。

由表7可知，70#瀝青混合料在3種油石比下均未達到法國高模量瀝青混合料的標準，50#瀝青混合料在油石比大于5.67%時，其動態模量小于14 000 MPa;30#、20#瀝青混合料在3種油石比下均能滿足法國高模量瀝青混合料的動模量技術要求。

4基于響應面法的不同配比瀝青混合料性能平衡優化設計

4.1響應面分析

根據Expert Design軟件擬合結果，當動穩定度響應采用兩因素交互模型，荷載作用次數響應采用線性函數擬合，裂縫擴展系數響應采用二次方程擬合和動態模量采用線性擬合時，其模型最具有顯著性，4種性能的響應面結果如圖5所示。

由圖5可以看出，瀝青混凝土抗車轍性能隨瀝青標號和油石比的減小而增大，低標號、低油石比組合的瀝青混合料抗車轍性能最優；瀝青混凝土抗裂性能隨標號和油石比的增大而增大，低標號瀝青、高油石比組合混凝土抗裂性能和高標號瀝青、低油石比組合的瀝青混合料的抗裂性能相當；瀝青混合料抗疲勞性能隨瀝青標號的增加及油石比增大而增大，高標號瀝青、較低油石比的組合和低標號瀝青、高油石比組合的混合料疲勞性能相當。動態模量隨瀝青標號減小及油石比減小而增大，低標號瀝青、較低油石比組合的混合料動態模量最優。低標號瀝青及高油石比組合的瀝青混合料動態模量與高標號瀝青及低油石比的動態模量相當。

4.2高模量瀝青混合料性能平衡性設計

采用響應面法進行性能優化，性能標準為動穩定度大于4 000 次/mm、疲勞循環次數大于300次、動態模量大于14 000 MPa和裂縫擴展率針對20#、30#、50#、70#分別大于-0.160 9、-0.112 4、-0.059 8、-0.066 3，所得性能疊加圖如圖6所示。

由圖6可知， 20#和30#瀝青混合料同時滿足高溫性能、疲勞性能、抗裂性能及高模量技術標準外，其在高油石比下混合料的臨界斷裂能高于50#瀝青混合料和70#瀝青混合料，表現為更好的抵抗裂縫產生能力。根據性能響應圖在滿足高模量、抗裂性能和疲勞性能時推薦20#瀝青混凝土的油石比為5.4%～6.4%，30#瀝青混凝土油石比為5.34%～6.10%。

5結語

對12種不同標號及油石比組合下的瀝青混合料進行車轍試驗、OT試驗、動態模量試驗來評價其高溫性能、抗疲勞開裂性能以及力學性能。

（1）低標號、低油石比組合的瀝青混合料抗車轍性能最優；低標號瀝青、高油石比組合瀝青混合料抗裂性能和高標號瀝青、低油石比組合瀝青混合料抗裂性能相當；高標號瀝青、較低油石比組合和低標號瀝青、高油石比組合混合料疲勞性能相當。低標號瀝青、較低油石比組合的混合料動態模量最優且低標號瀝青、低油石比組合瀝青混合料的動態模量與高標號瀝青、高油石比混合料的動態模量相當;

（2） OT試驗結果表明，低標號、高油石比瀝青混合料具有良好的裂縫產生階段和裂縫發育階段抗裂性;

（3） 響應面分析結果表明，20#和30#瀝青混合料同時可以滿足高溫性能、抗裂性能、疲勞性能及力學性能。依據性能平衡疊加圖結果推薦20#瀝青 AC-13混凝土油石比為5.4%～6.4%；30#瀝青AC-13混凝土油石比為5.34%～6.10%。

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