不同級配瀝青混合料壓實特性與高溫性能相關性*

馬 翔 李 強 葛 驍

(南京林業大學土木工程學院 南京 210037)

不同級配瀝青混合料壓實特性與高溫性能相關性*

馬 翔 李 強 葛 驍

(南京林業大學土木工程學院 南京 210037)

為了通過不同級配瀝青混合料的壓實特性分析其高溫穩定性，采用密實度斜率K、密實度能量指數CEI92,CEINini-92,92%密實度對應的旋轉次數N92這4個指標研究了普通瀝青和改性瀝青成型的粗、中、細3種級配共6種瀝青混合料的壓實特性，并將4個指標值與瀝青混合料60 ℃動態蠕變試驗第二階段的斜率值進行相關性分析.結果表明，級配越粗，密實度能量指數越大，瀝青混合料越難壓實，但其高溫穩定性并一定越好；密實度斜率K與瀝青混合料高溫穩定性相關性較好，在瀝青混合料級配選擇時可選擇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；旋轉壓實；壓實特性；高溫性能

0 引 言

在Superpave瀝青混合料設計方法中，一般選用粗、中、細3個級配進行對比試驗，選擇能滿足相關指標的級配作為設計級配.但實際設計時往往會有2個甚至3個級配均能較好的滿足這些指標，這時級配一般依據經驗進行選擇.如果能從這些級配旋轉壓實特性中了解它們之間高溫特性的優劣，將有利于設計性能優良的瀝青混合料.

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

1 試驗方案

本研究旨在通過瀝青混合料壓實特性與高溫性能間的相關性研究，為Superpave瀝青混合料設計方法中級配選擇提供依據.為此，對公稱最大粒徑為20 mm的混合料采用粗、中、細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信息

為了盡量減少試件成型對試驗條件的影響，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后旋轉壓實成型.

確定各種瀝青混合料的材料組成后，采用旋轉壓實成型方法成型試件，旋轉次數為100次.在試件旋轉壓實過程中記錄每次旋轉壓實時試件的高度，獲得試件成型過程中旋轉壓實次數與試件高度的曲線關系，依據該曲線關系計算得到各種瀝青混合料的壓實特性.

在試件成型后，測得各試件的體積參數，并采用60 ℃動態蠕變試驗評價瀝青混合料的高溫性能.

2 壓實特性評價指標

在Superpave瀝青混合料設計方法中的旋轉壓實成型方法將瀝青混合料的旋轉壓實次數分為3個階段：初始壓實次數(Nini)、設計壓實次數(Ndes)、最大壓實次數(Nmax)，其具體取值與預測交通量相關，本研究取Nini=8次，Ndes=100次，Nmax=160次.在瀝青混合料壓實特性分析時，也多以這些壓旋轉次數下的壓實度為基礎.國內外關于旋轉壓實曲線信息的分析指標比較多，歸納起來主要包括如下幾類.

1) 密實度斜率 通過對壓實曲線的回歸分析發現，壓實曲線較好的滿足以下指數關系：

(1)

式中：γ為壓實度，%；N為旋轉壓實次數；A,B為回歸系數.

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

(2)

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

CEI的計算可以取不同壓實階段的曲線，常用的指標有從松散狀態壓實到92%密實度的密實曲線面積CEI92和初始壓實次數到92%密實度的密實曲線面積CEINini-92.

TDI反映的是在交通荷載反復作用下混合料被壓密到極限密實時所需做的功.常用的指標有密實度從92%～98%時密實曲線的面積TDI92～98和密實度從96%至98%時密實曲線的面積TDI96～98.

3) 其他指標 除密實度斜率和密實度能量指數外，文獻[6]將某一壓實度對應的旋轉次數作為其壓實特性的評價指標，常用的有N92,N95,N96,N98等，或將2個不同壓實度對應旋轉次數的比值作為評價指標，如N95/N92,N98/N95,N98/N96等.

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

3 試驗結果及分析

3.1 材料組成設計

3.1.1 原材料檢測

首先對各種原材料的性能指標進行了檢測，其各項指標均能較好的滿足技術規范的要求，其中2種瀝青的3大指標試驗結果見表2.

表2 2種瀝青的3大指標

3.1.2 級配組成

根據Superpave瀝青混合料設計方法，本研究選擇粗、中、細3種級配進行研究，3種級配的目標級配見表3.

表3 3種瀝青混合料目標級配的通過率

3.1.3 瀝青用量

在配合比設計的基礎上，確定幾種瀝青混合料的瀝青用量均為4.1%.

3.2 壓實特性試驗

依據上節確定的材料組成對瀝青混合料旋轉成型，記錄成型過程中各試件旋轉次數與高度間的關系，并分別用表干法和體積法測得試件的毛體積密度，基于2個密度間的相關關系，推算出不同高度時瀝青混合料的壓實度，從而計算出各壓實特性評價指標的值，見表4.

表4 不同試件各壓實特性評價指標結果

由表可見，無論是普通瀝青混合料還是改性瀝青混合料，級配越粗密實度斜率K值越大，說明其密實度隨壓實次數變化越快，混合料的可壓實速率越大；密實能量指數CEI92，CEINini-92也越大，達到92%密實度的旋轉次數越多，說明級配越粗瀝青混合料越難以壓實，由此可見，K值與密實能量指數并不是完全一致的指標.相同級配，不同瀝青組成的混合料的K值區別并不明顯，說明該指標并不能明顯區別不同瀝青組成瀝青混合料間的壓實特性，結合本研究的成型條件，可能因為成型溫度較高，瀝青粘度區別不明顯導致.CEI92區別明顯，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，這與一般規律相一致，說明CEI92可用于評價瀝青混合料的施工和易性.

3.3 動態蠕變試驗

目前，高溫性能的評價方法及指標比較多，常用的有車轍試驗、動態蠕變試驗等，其中動態蠕變試驗以其明顯的3階段模型，等優點已經被廣泛應用于科研項目中評價瀝青混合料的高溫特性，此外，動態蠕變試驗可采用圓柱形試件，保證壓實特性評價的試件和動態蠕變試驗的試件為同一試件，減少試驗變異性.因此，本研究采用單軸動態蠕變試驗評價幾種瀝青混合料的高溫穩定性.

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

本試驗的溫度定為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3階段模型，圖1為典型的永久應變與重復荷載作用次數關系圖.圖中永久應變曲線由3階段組成:(1) 初始階段(遷移期),永久應變累積迅速，但累積率逐漸降低；(2) 第二階段(穩定期),累積率幾乎不變；(3) 第三階段(破壞期),永久應變又開始迅速增長，且累積率逐漸變大.

其中，對應于第三階段產生的重復荷載作用次數被定義為流動荷載作用次數，一般采用第二階段的斜率和流變次數作為瀝青混合料高溫性能評價指標，斜率越小高溫性能越好，流變次數越大高溫性能越好.

圖1 典型永久應變與荷載作用次數關系圖

從試驗結果可知，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定性也略有區別，無論是改性瀝青混合料還是普通瀝青混合料，級配越粗動態蠕變第二階段的斜率越大，高溫穩定性越差.說明粗型級配瀝青混合料的抗變形能力未必優于細型級配瀝青混合料，這與文獻8的結論一致.

3.4 相關性分析

為了研究瀝青混合料壓實特性與其高溫穩定性間的相關性，將表4中4個不同表征壓實特性的指標值與動態蠕變試驗第二階段模型的斜率值進行相關性分析，具體分析結果見圖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，其動態蠕變試驗第二階段的斜率均與壓實特性指標值正相關，其中與密實度斜率K值的相關性最好；K值越小，混合料的可壓實速率越小，其動態蠕變試驗第二階段的斜率越小，瀝青混合料具有更好的高溫穩定性；密實能量指數CEI92，CEINini-92越大，混合料越難壓實，但其動態蠕變試驗第二階段的斜率越大，高溫性能越差，與此同時，N92越大，達到壓實度為92%時的壓實次數越多，混合料越難壓實，但其動態蠕變試驗第二階段的斜率也越大，高溫性能越差，由此可見，越難壓實的瀝青混合料，其高溫性能并不一定優.

4 結 論

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

圖2 動態蠕變試驗第二階段斜率與壓實特性指標間的相關性

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

3) 本文重點對不同級配瀝青混合料進行了研究，研究結論可用于級配選擇，對變化其他因素的適用性有待進一步研究驗證.

[1]李宇峙，楊瑞華，邵臘庚，等.瀝青混合料壓實特性分析[J].公路交通科技，2005，22(3)：28-30.

[2]周 燕，陳拴發，陳華鑫，等.SAMPAVE混合料壓實特性研究[J].武漢理工大學學報，2010,32(2)：12-14.[3]MALLICK R B.Use of superpave gyratory compactor to characterizehot-mix asphalt (HMA) [R].Transportation Research Record 1681,Transportation Research Board,National Research Council,Washington,DC,1999:86-96.

[4]ZHANG Jiupeng,PEI Jianzhong,XU Li.Gyratory compaction characteristic of sbs warm mixed asphalt mixture [J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2011,11(1):1-6.

[5]張爭奇，邊秀奇，杜群樂，等.瀝青混合料壓實特性影響因素研究[J].武漢理工大學學報，2012,34(6):36-41.[6]ANDERSON R M,BUKOWSKI J R,TURNER P A.Using superpave performance tests to evaluate asphalt mixture[R].Transportation Research Record 1681,Transportation Research Board,National Research Council,Washington,DC,1999:106-112.

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

*國家自然科學基金青年基金項目(批準號：51308303)、南京林業大學高層次人才科研啟動基金項目(批準號：G2014014)、江蘇高校優勢學科建設工程資助項目資助

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.004

馬 翔(1980- )：男，博士，高級工程師，主要研究領域為道路工程結構及材料