沥青混合料圆柱体试件车辙试验条件分析

谢玲儿 杨建华 李 伟 张争奇

(宁波市交通建设工程试验检测中心有限公司1) 宁波 315121) (长安大学公路学院2) 西安 710064) (南昌市城市规划设计研究总院3) 南昌 330038)

沥青混合料圆柱体试件车辙试验条件分析

谢玲儿1)杨建华2)李 伟3)张争奇2)

(宁波市交通建设工程试验检测中心有限公司1)宁波 315121) (长安大学公路学院2)西安 710064) (南昌市城市规划设计研究总院3)南昌 330038)

为了保证沥青混合料圆柱体试件车辙试验结果的准确性，使不同类型的混合料圆柱体试件用于国标车辙仪时，试验结果具有较高的重复性.通过设计沥青混合料圆柱体试件模具，分析确定了圆柱体试件车辙试验温度、试件成型后适宜的放置时间及试件拼接缝的最大宽度.结果表明，基质沥青混合料与改性沥青混合料圆柱体试件国标车辙试验温度分别为60 ℃和70 ℃；试件放置时间与拼接缝的宽度对试验结果有较大影响，基质沥青混合料试件成型后需放置1 d且在15 d内进行车辙试验，改性沥青混合料试件在成型后需放置至少2 d再进行车辙试验；拼接缝的宽度不能大于8 mm，否则可认为试件是无效的，试验结果不能真实地反映沥青混合料的高温抗车辙性能.

沥青混合料；圆柱体试件；车辙试验温度；试件放置时间；拼接缝宽度

0 引 言

目前，世界各国普遍采用车辙试验衡量沥青混合料的高温抗车辙性能，我国相关标准规定采用尺寸为30 cm×30 cm×5 cm的板式试件进行车辙试验，且指出可在路面上切割获取规则的板状体进行检测实体路面的抗车辙性能[1-2].但是，实际工程竣工验收及道路养护时，由于缺乏具体的检测方案且板式试件难以在实体路面上切割获得，实体路面的抗车辙性能并未得到检测.

板式试件难以在实体路面上取样，且即使取样成功，会对路面造成较大的损害，这些损害会成为路面产生诸如裂缝、坑槽等其他病害的源头.鉴于此，王辉等[3-5]提出利用路面芯样检测实体路面的高温抗车辙性能，该方法对路面的损伤程度小且可利用为检测路面的压实度而获取的路面芯样，没有必要专门为检测路面的高温抗车辙性能而在路面上钻取芯样.赵春花[6]提出利用柔性约束代替刚性约束进行车辙试验，且利用有限元工具分析得出柔性约束与刚性约束所受到的剪应力和横向应力的变化规律具有相似性，这为柔性约束的应用奠定了理论基础；王新刚[7]通过试验得出沥青混合料圆柱体试件车辙试验动稳定度与板式试件车辙试验动稳定度间有显著的线形相关性，通过试验验证了沥青混合料圆柱体试件用于国标车辙仪而衡量其高温抗车辙能力的可行性，且指出了基质沥青混合料与改性沥青混合料车辙试验温度的确定方法，这为圆柱体试件车辙试验的应用奠定了实践基础.

本文研究确定了沥青混合料圆柱体试件在国标车辙仪上进行试验时的温度、试件放置时间及拼接缝的最大宽度，这在保证试验结果的准确性方面有重要意义.同时，可将室内圆柱体试件的车辙试验过渡到实体路面抗车辙性能检测中，使实体路面抗车辙性能的检测成为可能，这在保证路面的施工质量，从而延长路面使用寿命方面具有重要作用.

1 试验原材料

1.1 试验胶结料及集料

试验胶结料选用A级70#基质沥青及成品的SBS改性沥青，AC-13级配采用玄武岩集料，粗集料为9.5～16,4.75～9.5 mm的碎石，细集料为9.5～16 mm的碎石加工的机制砂，填料为9.5～16 mm的碎石加工的矿粉.AC-20级配的集料矿物组成为石灰岩，且粗集料为19～26.5,9.5～19,4.75～9.5,2.36～4.75 mm的石灰岩碎石，细集料为9.5～19 mm的碎石加工的机制砂，填料采用9.5～19 mm碎石加工的矿粉.为保证室内试验结果的准确性，试验前先对原材料进行优选，即对两种沥青及集料的各项技术性能进行测试，测试结果均满足相关规范的要求[8-9]，其中玄武岩集料基本性能见表1～2.

表1 玄武岩粗集料基本性能

表2 玄武岩细集料和填料基本性能

1.2 混合料配合比设计

本次试验采用实际工程中常用的AC-13和AC-20级配、两种沥青(70#和SBS改性沥青)共四种类型的沥青混合料，分别记为AC-13-70#、AC-13-SBS、AC-20-70#和AC-20-SBS.配合比设计采用Superpave方法，最终得AC-13-70#混合料的沥青用量为4.3%，AC-13-SBS混合料的沥青用量为4.8%，AC-20-70#混合料的沥青用量为4.1%，AC-20-SBS混合料的沥青用量为4.3%.AC-13和AC-20合成级配见表3.

表3 AC-13和AC-20合成级配

2 车辙试验模具

结合我国车辙试验仪碾压轮宽50 mm、碾压长度(230±10) mm及SGC所能够成型的沥青混合料圆柱体试件的直径(150 mm或100 mm)，设计的对圆柱体试件呈柔性约束的模具，见图1.这样设置能够保证碾压轮宽小于两试件相切部分的宽度(90 mm)及碾压长度小于两试件拼接后的总长度(270 mm)，在保证这两者条件下试件应尽可能大，以减小边界约束的影响，若边界约束程度过大，则试验产生的车辙变形量过小，由于我国车辙试验仪上的位移传感器灵敏度较小，则会发生位移传感器对过小的变形检测不准确的现象，从而使试验结果产生较大的误差.

模具具有耐高温、耐腐蚀且抗压强度高的特性，其厚度为5 cm.模具由两部分对称拼接而成，该两部分由合页相连接，在进行试验时，需将该模

图1 圆柱体试件模具(单位：mm)

具放入板式试件对应的钢模中，以保证试验时模具的稳定性.

3 车辙试验条件分析

3.1 试验温度

本次试验以相关性和可区分性为原则，确定圆柱体试件国标车辙试验温度.分别利用轮碾成型仪和SGC成型上述不同类型的混合料板式试件和直径为150 mm的圆柱体试件，且对圆柱体试件进行切割修整，在温度为50，60和70 ℃的条件下对圆柱体试件进行车辙试验，且在规范规定的标准温度60 ℃条件下对板式试件进行车辙试验，平行试验均为四组，分别建立50，60和70 ℃条件下圆柱体试件车辙试验动稳定度与60 ℃条件下板式试件车辙试验动稳定度间的相关关系(aCT=bS60 ℃+c.式中：a，b，c均为常数).试验结果见表4～6.

表4 60 ℃条件下试件车辙试验动稳定度 次/mm

表5 50 ℃和70 ℃条件下圆柱体试件车辙试验动稳定度 次/mm

表6 线形相关系数

注：C50 ℃，C60 ℃，C70 ℃分别为50，60和70 ℃时的圆柱体试件车辙试验动稳定度；S60 ℃为60 ℃时的板式试件车辙试验动稳定度.

由表4～5可知，无论是基质沥青混合料还是改性沥青混合料，在某一试验温度下，公称粒径较大级配的混合料其抗车辙性能明显优于公称粒径较小级配的混合料.同时，由于圆柱体试件的试模约束更强，则圆柱体试件产生单位变形量所承受的平均作用次数显著高于板式试件.由表6可知，三种温度下，基质沥青混合料圆柱体试件车辙试验动稳定度均与标准温度(60 ℃)下板式试件车辙试验动稳定度间有良好的线形相关性，且改性沥青混合料具有同样的规律，则从理论上，基质与改性沥青混合料圆柱体试件均可在这三种温度下进行车辙试验.但实际试验中发现，在50 ℃条件下，圆柱体试件的变形量普遍小于1 mm，由于变形量的变化区间小，不能有效地区分抗车辙性能的优劣，因此，不能将50 ℃设定为基质或改性沥青混合料圆柱体试件车辙试验温度.同时，在70 ℃条件下，基质沥青混合料圆柱体试件在进行车辙试验时，将会出现松散剥落的现象，同样不能将70 ℃设定为基质沥青混合料圆柱体试件的车辙试验温度，而将60 ℃设定为基质沥青混合料的车辙试验温度.对于改性沥青混合料，其在70 ℃条件下具有良好的区分度且试件保持完整，因此，可将改性沥青混合料的试验温度设定为70 ℃.

3.2 试件放置时间

为了确定试件的放置时间，试验选择上文所述的AC-20-70#和AC-20-SBS两种沥青混合料，按照试模尺寸，利用SGC分别成型直径均为150 mm、厚度为5cm的两种混合料圆柱体试件各六个，对试件进行切割修整，使每种混合料具有三组试件.在室温下放置不同时间后在国标车辙试验仪上进行车辙试验，从而得三组平行试验结果的均值.其中SBS改性沥青混合料试件试验温度为70 ℃，基质沥青混合料试件试验温度为60 ℃，试验结果见图2.

图2 圆柱体试件放置不同天数的车辙试验结果

由图2a)可知，基质沥青混合料90 d的试验结果产生较大的偏差，动稳定度急剧减小，车辙深度迅速增大，而放置1，7，15和30 d的试验结果比较接近，这表明试件养生1 d且放置在30 d时间内对试验结果影响不明显，但试验是在室内温度不高的情况下进行，如果室内温度较高，则放置30 d可能会对试验动稳定度结果产生较大影响.因此，试件成型后需养生1 d且在15 d内进行车辙试验，以保证试验结果的准确性.

由图2b)可知，SBS改性沥青混合料可能由于其成型后有一个较长的冷却固化过程，当固化完成后，在温度不高的条件下试件放置时间对试验结果影响不明显.因此，成型2 d进行圆柱体试件车辙试验，其动稳定度较小，但第8 d动稳定度增长了60%，而放置8，15，30和90 d的试验结果比较接近.

综上，试验过程中要注意控制试验时间的安排，以减少试验结果误差.为此，在外界环境温度不高的条件下，基质沥青混合料试件成型后需养生1 d且在15d之内完成车辙试验，改性沥青混合料试件在成型后需放置至少2 d再进行车辙试验.

3.3 试件拼接缝宽度

由于圆柱体车辙试验方法中，试件是将两个圆柱体试件切割修整后拼接而成.因此，试模中的两个圆柱体试件并不能完全吻合，试件放入试模后往往会产生1～8 mm的缝隙，此缝隙对试验结果的准确性有较大影响.本文采用上述两种类型的混合料试件进行研究，将8 mm宽缝隙与1 mm窄缝隙圆柱体试件的动稳定度和车辙变形量进行对比，研究缝隙对车辙试验的影响，从而确定试件拼接缝的最大宽度.

为了使差异更明显，试验在较高温度70℃下进行，图3～4分别为车辙试验前的试件和试验后的变形试件.由图4可知，两组试件的变形存在显著差异，具体是：宽缝隙组的混合料流动变形比较大，混合料向中间和两侧流动，试件表面呈明显的“W”形.窄缝隙组的试件变形小，只有轮迹作用下的混合料向中间流动，且试件表面车辙深度小，呈轻微的“U”形.

图3 车辙试验前的试件

图4 车辙试验后缝隙处的变形

表7为两种类型沥青混合料宽缝隙与窄缝隙条件下的试验结果.从表7可知，由于缝隙的扩大，AC-13基质沥青和改性沥青混合料的动稳定度分别减小19%和17%，车辙深度分别增加65%和60%，这表明缝隙的宽度对圆柱形车辙试验结果的影响很大.因此，试件制备时应尽量缩小拼接缝的宽度，以提高试验结果的准确性，由于试件拼接过程中横缝无法避免，建议当横缝宽度大于2 mm时可在横缝中灌入石膏或水泥，待冷却凝固后进行车辙试验.当横缝宽度大于8 mm时，可以认为该试件是无效的，车辙试验所得到的动稳定度指标无法真实反映圆柱体试件的抗车辙性能.

表7 不同缝隙试件的车辙深度

4 结 论

1) 根据相关性和可区分性，基质与改性沥青混合料圆柱体试件国标车辙试验温度分别确定为60 ℃和70 ℃.

2) 在温度不高的环境下，基质沥青混合料试件成型后需养生1 d且在15 d内进行车辙试验，改性沥青混合料试件在成型后需至少放置2 d，待改性沥青充分固化后再进行车辙试验，否则会影响试验结果的准确性.

3) 试件拼接过程中的横缝无法避免，当拼接后的横缝在1～8 mm时，可在拼接缝中灌入石膏或水泥来增强约束；当拼接缝宽度大于8 mm时，则该组试件是无效的，需要重新成型且切割修整试件，否则试验所得到的动稳定度指标无法客观真实地反映该沥青混合料的高温抗车辙性能.

[1]杨丙龙.国内外沥青路面抗车辙研究动态[J].公路工程与运输,2008(4):149-151.

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[3]王辉,张肖宁.基于沥青混凝土路面芯样的抗车辙性能研究[J].中外公路,2012,32(2):65-69.

[4]栗培龙,张争奇,李洪华，等.沥青混合料汉堡车辙试验方法[J].交通运输工程学报,2010,10(2):30-35.

[5]关宏信,张起森,刘敬.沥青混合料车辙试验改进方法[J].交通运输工程学报,2011,11(6):16-21.

[6]赵春花.柔性约束圆柱体试件的车辙试验研究[D].重庆：重庆交通大学,2009.

[7]王新刚.基于圆柱形试件的沥青路面抗车辙性能评价及施工质量控制方法研究[D].西安：长安大学,2008.

[8]交通部公路科学研究所.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E20-2011[S].北京:人民交通出版社,2011.

[9]交通部公路科学研究所.公路工程集料试验规程：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

谢玲儿(1973—)：女,高级工程师,主要研究领域为路基路面检测技术