基于旋轉壓實法的瀝青混合料劈裂抗拉強度試驗分析

■李艷月

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830000）

1 前言

瀝青混合料劈裂試驗使試件圓柱體側面處于荷載作用的狀態， 由于在荷載作用下瀝青混合料試件中心部位材料處于拉伸狀態， 所以劈裂試驗也可稱為間接拉伸試驗。 我國瀝青路面設計規范計算層底拉應力時， 正是采用了間接拉伸試驗得到的強度。 瀝青混合料面層通常是采用多層攤鋪的形式，使用攤鋪機攤鋪瀝青混合料，在瀝青混合料得到充分壓實并自然冷卻后可開放交通。 瀝青混合料試件制作通常采用擊實的方式壓實， 但擊實的方式容易導致瀝青混合料的碎石出現被砸裂的情況， 對評價瀝青混合料的劈裂抗拉強度不準確[1-5]。 因此，為模擬瀝青混合料壓實之后的強度，本文以密集配瀝青混合料AC-13C 為試驗對象，通過設計集料配合比， 使用瀝青混合料拌和機拌制AC-13C 瀝青混合料， 采用旋轉壓實法對瀝青混合料進行壓實， 并對旋轉壓實的瀝青混合料試件與擊實壓實的瀝青混合料試件進行劈裂抗拉強度試驗， 從而評價旋轉壓實法瀝青混合料試驗的性能。

2 瀝青混合料配合比設計

為保證旋轉壓實的瀝青混合料試件與擊實壓實的瀝青混合料試件是使用同種材料、在同種環境中制作，2 種壓實方式的瀝青混合料配合比都取相同。 瀝青混合料試驗選用標準馬歇爾試件，直徑為101.6 mm，高度為63.5 mm（圖1）。 試驗所采用的瀝青是SBS 改性瀝青，粗集料是玄武巖（>2.36 mm），細集料是機制砂（<2.36 mm），礦粉是采用研磨后的石灰巖礦粉（<0.075 mm）。集料需要經過方孔篩篩分后才能使用。根據國家規范要求《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011），瀝青混合料各不同粒徑集料與所選用最佳瀝青用量如表1 所示。

圖1 標準馬歇爾試件

表1 AC-13C 瀝青混合料級配及瀝青用量

3 瀝青混合料拌制過程

瀝青混合料經過配合比設計后， 將原材料放入烘箱中加熱備用。本文選取SBS 改性瀝青，因此配制瀝青混合料的集料、礦粉、瀝青等的預熱、拌和、壓實、脫模的溫度需要適當提高，設定拌和溫度為165℃， 拌和完成后入模時的壓實溫度為150℃。 拌和機具有自動加熱功能，并且能保持溫度， 拌和機的葉片能夠自轉和公轉， 葉片性能良好，能使瀝青混合料充分攪拌，根據試驗規程選用自轉70 r/min，公轉40 r/min 的拌和速度，拌和機如圖2 所示。 首先，將加熱的粗細集料倒入拌和機的料斗，人工適當攪拌均勻，然后加入SBS 改性瀝青，開動攪拌機攪拌90 s，暫停攪拌加入礦粉，然后繼續攪拌90 s。

圖2 拌合機攪拌瀝青混合料

4 旋轉壓實瀝青混合料

旋轉壓實儀主要由反力架、加載裝置、旋轉基座、計算機控制系統、內旋轉角測量裝置、試模、錘頭（上壓盤）、底座（下壓盤）、測力裝置和壓力傳感器等組成[6-11]。 試模采用鋼材制造，試模壁的厚度大于7.5 mm， 試模內壁應足夠光滑，φ101.6 mm 試件的試模內徑為101.5 mm。旋轉壓實步驟如下：（1）打開壓實儀的電源開關、配件的電源開關、計算機，并與壓實儀連接。 （2）設定旋轉壓實儀旋轉角、垂直壓力和旋轉速率。 有效內旋轉角為1.16°，垂直壓力為600 kPa，旋轉速率為30 r/min。 （3）設定要求的旋轉壓實次數作為試驗結束條件，分別為90 次、120 次、150 次。 （4）當旋轉壓實儀壓頭具有保溫功能時，在旋轉壓實前需將壓頭加熱保溫不少于15 min。 （5）用蘸有少許黃油的棉紗擦凈試模及下壓盤等, 然后置烘箱中加熱并保持到壓實溫度±5 ℃，恒溫不少于45 min。 （6）將瀝青混合料拌和好后,均勻稱取一個試件所需的混合料質量，混合料的質量應使成型后的試件高度達到試驗所需高度±3 mm。（7）從烘箱中取出預熱的試模、下壓盤，在下壓盤上墊一張圓形紙片，防止瀝青粘到下壓盤上。 將稱好的瀝青混合料迅速倒入試模內，將混合料的表面整平，然后在頂面蓋上一張圓形紙片（圖3）。（8）將盛有瀝青混合料的試模放入旋轉壓實儀中，啟動計算機（或控制面板），設定各試驗參數，開動旋轉壓實儀，將壓實棰頭降下，直至施加的壓力達到設定值±18 kPa。 旋轉壓實儀將按照設置的旋轉次數開始自動成型試件。 （9）試驗過程中自動連續記錄不同壓實次數下的試件高度，并顯示垂直壓力。 升起旋轉壓頭，從旋轉壓實儀中取出試模（圖4）。 （10）剛成型好的熱試件不宜馬上脫模，需在室溫下適當冷卻。 （11）用于測定試件體積參數時平行試驗一般不少于4 個。 按照式（1）計算不同旋轉壓實次數下的試件密度，取3 位小數。

圖3 瀝青混合料入模

圖4 瀝青混合料試件脫模

式（1）中： ρx為不同旋轉壓實次數下的試件密度（體積法）（g/cm3）；m 為瀝青混合料試件質量（g）；hx為不同旋轉壓實次數下的試件高度（mm）；d 為試模的直徑（mm）。

分別計算壓實旋轉次數分別為90 次、120 次、150 次的試件密度（表2）。 在壓實方式為旋轉壓實的情況下，隨著旋轉壓實次數的增加，瀝青混合料的密度也隨之增加， 從90 次增加至120 次的情況下密度增加了0.053 g/cm3，而從120 次增加至150次的情況下密度僅增加了0.013 g/cm3（表2），可知在旋轉次數90 次的情況下瀝青混合料的壓實密度還不足夠，而旋轉次數增加至150 次時，相較于120次旋轉次數的增加對瀝青混合料的密度增長作用不大， 所以本文選擇120 次作為測定劈裂抗拉強度的試驗壓實次數。 同時，測得壓實后的不同旋轉壓實次數下的瀝青混合料壓實度，結果顯示90 次壓實情況下的壓實度平均值為95.4%；120 次壓實情況下的壓實度平均值為97.5%；150 次壓實情況下的壓實度平均值為97.8%。 通過對壓實度數據進行對比， 且由于在瀝青混合料的路面施工中需要達到96%以上的壓實度， 因此選擇120 次壓實遍數的瀝青混合料較為合理， 可以更好地滿足壓實效果。

表2 不同旋轉壓實次數下的試件密度

當采用擊實壓實法壓實φ101.6 mm×63.5 mm瀝青混合料時，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，使擊實錘從457 mm 的高度自由落下到擊實規定的次數 （選取75 次）， 經檢測壓實度為96.4%； 結果顯示旋轉壓實法采用120 次的壓實次數所達到的壓實度高于擊實法壓實。

5 瀝青混合料劈裂抗拉強度試驗

劈裂抗拉試驗通過沿瀝青混合料圓柱體的側面加載（圖5），使荷載從加載側面傳遞到底部側面，瀝青混合料的中間附件材料承受拉應力。 材料試驗機安裝有記錄荷載傳感器和豎直位移傳感器，可以測定加載的力和位移數值。 根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）規定，在溫度為15℃的環境下進行試驗， 加載頭加載速率為50 mm/min，試件直徑為100 mm±2.0 mm，劈裂試驗壓條寬度為12.7 mm。 劈裂試驗強度按式（2）進行計算。

圖5 劈裂抗拉強度

式（2）中：RT為劈裂抗拉強度（MPa）；PT為試驗荷載的最大值（N）；h 為試件高度（mm）。

對經過120 次旋轉壓實的AC-13C 瀝青混合料進行劈裂抗拉強度試驗， 測試結果如表3 所示；對采用擊實壓實的瀝青混合料進行劈裂試驗，測試結果如表4 所示。 同時對比2 種測試方法的劈裂抗拉強度趨勢變化情況如圖6 所示。

圖6 2 種壓實方法劈裂抗拉強度

表3 旋轉壓實法AC-13C 瀝青混合料劈裂抗拉強度

表4 擊實壓實法AC-13C 瀝青混合料劈裂抗拉強度

從表3、4 和圖6 可知，旋轉壓實法瀝青混合料劈裂抗拉強度均值為1.319 MPa， 擊實壓實法瀝青混合料劈裂抗拉強度均值為1.282 MPa， 且旋轉壓實法瀝青混合料劈裂抗拉強度的標準差比擊實壓實法的標準差小，可以得出瀝青混合料使用旋轉壓實法能夠在確保瀝青混合料壓實度的同時，保證瀝青混合料集料的完整性，避免擊實法擊實過程中擊實面受到沖擊，保證了瀝青混合料的測試數據的準確。 旋轉壓實法得出的劈裂抗拉強度數據更為穩定，壓實過程模擬了類似壓路機的壓實原理更符合瀝青混合料的壓實要求。

6 結論

（1）本文以密集配瀝青混合料AC-13C 為試驗對象， 采用旋轉壓實法對瀝青混合料進行壓實，經過測定不同旋轉壓實次數的瀝青混合料試件的密度，可知選用120 次旋轉壓實的瀝青混合料能達到較好的壓實效果。

（2）通過對比旋轉壓實法AC-13C 瀝青混合料劈裂抗拉強度和擊實壓實法AC-13C 瀝青混合料劈裂抗拉強度，表明旋轉壓實法能夠保證瀝青混合料壓實度的同時，避免在擊實法擊實過程中擊實面受到沖擊。

（3）旋轉壓實法模擬了類似壓路機的壓實原理更好符合瀝青混合料的壓實要求，因此在制作瀝青混合料試件時采用旋轉壓實法是合理可行的。