基于时-温转换原理的冒雨施工沥青混合料劈裂回弹模量主曲线研究

王 宏 臣

(通辽市交通建设工程质量监督站，内蒙古 通辽 028000)

基于时-温转换原理的冒雨施工沥青混合料劈裂回弹模量主曲线研究

王 宏 臣

(通辽市交通建设工程质量监督站，内蒙古 通辽 028000)

室内成型2组试件(经历和未经历短期老化)、路面钻取2组芯样(正常施工、遇雨施工)，对4组试件的体积参数和劈裂回弹模量(5个温度水平、6个频率水平)进行检测，采用时-温等效原理生成AC-20混合料劈裂回弹模量主曲线，并对4组试件20 ℃主曲线进行对比分析。研究表明，采用室内短期加速老化试验模拟拌和楼加热拌和过程对沥青的老化是可行的；随着加载频率的增大,混合料劈裂回弹模量对加载频率的敏感性和依赖性降低；沥青混合料施工过程突遇下雨天气，体积参数虽能够满足规范要求，但混合料劈裂回弹模量大幅降低，力学性能下降；由劈裂回弹模量西格摩德模型知，混合料劈裂回弹模量(20 ℃温度，10 Hz加载频率)降低42.5%。建议，对于沥青混合料施工过程应密切关注天气变化，及时调整拌和楼生产状态，突遇下雨工况保证立即停止施工。

道路工程；路面质量；下雨施工；劈裂回弹模量；体积参数

0 引 言

沥青路面施工大都集中在6—10月份高温季节，此季节时有突降阵雨工况，尤其是沿海区域突遭阵雨较为常见。遭遇此天气状况，最好的措施即对自卸汽车剩余沥青混合料进行覆盖，摊铺机及时停止施工。但仍存在一些施工企业认为阵雨持续时间不长，对自卸车覆盖、补做路面横接缝费时费力，扰乱施工计划，而选择冒雨施工。我国现行施工技术规范规定施工监控过程的主要检测指标为路面钻取芯样的空隙率和压实度等体积参数，仅说明已摊铺沥青层因遇水未行压实的应予铲除[1]，而对芯样的力学性能及黏弹性能未有强制要求。那么在此种工况下施工的沥青混合料，能否碾压密实，混合料体积参数能否符合规范要求；或者即使体积参数符合要求，其承载能力、黏弹性能及水稳定性能否满足路用性能要求。明确以上两个疑问，对沥青路面施工监控工作能够起到指导作用。

在沥青路面结构验算过程，采用混合料抗压回弹模量计算弯沉及层底拉应力，且保证层底拉应力小于容许拉应力，而容许拉应力则采用劈裂强度与路面结构系数的比值计算[2]。为能够与路面结构设计指标相对应，弹性模量参数理应采用劈裂弹性模量来替代[3]。加之，由于现场钻取芯样几何尺寸所限(AC-20层设计厚度7.0 cm)，不能成型高径比为1.5∶1(150 mm∶100 mm)[4-5]的圆柱型试件，故采用间接拉伸试验测定试件的劈裂回弹模量[6]有重要的理论与实践价值。沥青混合料为黏弹性材料，其模量等力学常数常常具有时间和温度依赖性[7-9]。特采用室内成型2组马歇尔试件(未经过/经过短期老化)、路面钻取2组芯样(正常、遭遇阵雨施工路段)，检测AC-20沥青混合料施工过程各组试件的体积参数及劈裂回弹模量，主要针对混合料劈裂回弹模量的时-温转换效应及各组试件劈裂回弹模量主曲线进行对比研究，探究施工过程中遭遇短时阵雨的沥青路面是否能够满足路用性能要求，为类似工程提供参考。

1 原材料及配合比

沥青和集料的技术指标分别见表1、表2，其中集料的检测按照矿料合成配比混合后以4.75 mm为关键筛孔分为粗、细集料进行检测。沥青和集料的技术性能均满足我国现行沥青路面施工技术规范的要求。填料采用石灰岩磨细的矿粉，无潮湿结团现象。

AC-20沥青混合料目标配合比设计采用马歇尔试验，在目标配合比的基础上，采用拌和楼二次筛分集料确定生产配合比矿料比例：19～25 mm∶12～19 mm∶6～12 mm∶4～6 mm∶0～4 mm∶矿粉=11∶30∶22∶9∶25∶3，合成级配见表3，最佳油石比4.6%。沥青混合料的最大理论密度采用计算法确定，最大理论密度为2.557 g/cm3。

表1 沥青的技术指标Table 1 Technical indicators of asphalt

表2 集料的技术指标Table 2 Technical indicators of aggregates %

表3 矿料合成级配Table 3 Composite gradation of aggregates

2 试验方案

2.1 试件成型及体积参数

基于4组AC-20沥青混合料试件，1组和2组为经拌合楼二次筛分的集料，室内成型；3组和4组试件为同一天施工路段，松铺系数1.720，设计厚度7 cm，于路面施工后第2天钻取芯样。

其中，1组试件为室内小型拌和机拌和后(干拌45 s，湿拌60 s)直接成型，共成型20个试件。2组试件成型前，先对室内拌和均匀的混合料进行短期老化，以模拟沥青混合料在拌合楼拌和、运输及施工现场阶段的老化过程，从而保证室内试件与路面芯样的一致性，共成型20个试件。短期老化过程将拌和均匀的沥青混合料置于搪瓷盘中(摊铺厚度20 kg/m2)，然后置于135 ℃烘箱，恒温4 h(强制通风)，恒温过程每小时对混合料均匀翻拌1次。3组试件为正常施工路段(未下雨)，在行车道、超车道和紧急停车道每100 m钻取3个芯样(1个/车道)，此阶段摊铺机摊铺速度为2.5 m/min，随机选取20个芯样。4组试件为3组芯样同一天施工路段，碾压阶段突然遭遇阵雨天气(约中雨大小，持续时间45 min左右)， 此摊铺阶段摊铺机摊铺速度6 m/min，施工段长度约60 m，每15 m钻取3个芯样(1个/车道)，共12个芯样。由于所成型试件另需进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，劈裂回弹模量试验平行试验4次，每组4个试件。限于篇幅所限，笔者仅对体积参数及劈裂回弹模量进行对比分析，关于试件水稳定性的研究另撰文表述。

2.2 劈裂回弹模量试验及数据处理方法

劈裂回弹模量试验温度设定-10、5、20、35、50 ℃5个水平，加载频率拟定25、10、5、1、0.5、0.1 Hz 6个水平，试验平行次数4次，取4次试验的平均值。采用双面锯将试件切割成高径比为1∶2的试件(高度∶直径=50 mm∶100 mm)，施加一半正矢波荷载，加载时间0.1 s间歇0.9 s。采用UTM试验仪对沥青混合料试件的劈裂回弹模量进行检测，试验所用压条宽度为12.7 mm，内测曲率半径为50.8 mm。试验前先施加一试验荷载(试验荷载为0.2劈裂强度对应的荷载)5%的预压力进行接触预压10 s，试验温度扫描按照由低温到高温的顺序，各试验温度下的频率扫描按照频率由高到低的顺序，试件加载过程应变应在50～150 με范围[10]。依据我国现行公路沥青及沥青混合料试验规程T0716—2011，劈裂回弹模量采用式(1)和式(2)计算。

(1)

(2)

式中：E为回弹模量，MPa；P为施加荷载，N；μ为回弹泊松比；h为试件高度，mm；Δh为瞬时回弹变形，mm；Δy为瞬时可恢复垂直变形，mm。

西格摩德(sigmoidal)方程被定义为通用方程，原因是其不仅适用于沥青及沥青混合料的模量、相位角，同时适用于抗压强度及劈裂强度等。故采用AASHTO 61—09的方法对劈裂回弹模量试验结果进行分析，生成劈裂回弹模量的主曲线。采用Spss软件对公式(3)进行西格摩德方程非线性回归，得到α、δ、β和γ回归系数；位移因子log[α(T)]定义为公式(4)，对计算出的位移因子进行二次函数修正；依据修正后的位移因子，将各试验温度下的劈裂回弹模量平移至参考温度，对平移后劈裂回弹模量进行西格摩德函数拟合，得到参考温度下的劈裂回弹模量的主曲线，根据位移因子修正二次函数模型计算出任意温度下的位移因子，继而通过对参考温度下主曲线的平移得到任意温度下的劈裂回弹模量主曲线。

(3)

(4)

式中：E*为劈裂回弹模量，MPa；α、δ、β和γ为公式(3)的回归系数；fr为参考温度的加载频率，Hz；f为试验温度的加载频率，Hz；T为试验温度，℃；log[α(T)]为位移参数。

3 试验结果及分析

3.1 试件厚度及体积参数

按照公路沥青及沥青混合料试验规程的要求，采用表干法测定各芯样的毛体积相对密度，计算空隙率和其他体积参数。试件的厚度和体积参数检测结果见表4。

表4 试件厚度及体积参数检测结果Table 4 Test results of specimen thickness and volume parameter

由表4知，1组、2组为室内成型试件，厚度处于马歇尔试件标准高度63.5±1.3 mm范围，标准差小，表明试件成型良好。2组试件混合料同1组试件完全一致，而空隙率却提高了0.3%，原因是2组试件进行4 h的短期老化过程，集料对沥青有一定的吸收作用，使得用于填隙的沥青胶浆体积减少，空隙率增大。且老化作用使得沥青趋于硬化，黏度提高，施工性能(可压实性)变差，这也是规范规定现场取样混合料需保温至实验室及时试验的原因。

3组、4组试件厚度代表值分别为73.3 mm、66.7 mm均满足设计厚度的要求(70-5 mm=65 mm)，4组试件厚度之所以小的原因可能是摊铺机摊铺速度过快(6 m/min)，但夯锤和熨平板频率一定，导致混合料初始压实度较低，经压路机充分压实后厚度代表值较3组(2.5 m/min)试件小6.6 mm；3组、4组试件的标准差较室内成型试件(1组、2组)大，说明室内试件成型过程更稳定，也符合工程常识；且4组试件厚度的标准差较3组试件大，表明摊铺速度对控制沥青层厚度的均一性较为重要，速度快容易导致沥青层厚的较大波动，使得沥青路面的承载能力不均匀，容易出现应力集中和承载能力薄弱区。且摊铺速度过快，必然要求布料器加快输送速度，易引起混合料的离析，建议施工过程摊铺机摊铺速度控制在2～3 m/min范围。

表4知，3组和4组试件的厚度及体积参数均满足我国现行施工技术规范要求。4组试件对应路段在摊铺过程遭遇阵雨天气，那么是否表明4组试件能够满足工程质量要求呢？如果满足要求，那么是否意味着沥青混合料的摊铺碾压过程可以冒雨施工呢？为确定以上两个疑问，特进行劈裂回弹模量试验，对各组沥青混合料的力学性能及黏弹性能进行对比分析。

3.2 劈裂回弹模量分析

4组试件劈裂回弹模量检测结果见表5。

表5 劈裂回弹模量检测结果Table 5 Test results of splitting resilient modulus

根据公式(3)，公式(4)计算各试验温度劈裂回弹模量平移至参考温度(20 ℃)的位移因子；同时为了对位移因子进行修正[11]，特进行logα(T)和T的二次函数拟合，函数模型如公式(5)，模型回归系数见表6。采用修正后的位移因子对各温度的劈裂回弹模量进行平移，平移至参考温度，图1给出第1组试件的劈裂回弹模量数据和平移后的主曲线作为示例。

(5)

式中：Ti为试验温度，℃；logα(Ti)为各试验温度下的位移因子；A、B和C为回归系数。

图1 第1组试件的劈裂回弹模量数据及平移后的主曲线Fig.1 Data of splitting resilient modulus and master curve of the 1st group specimens after shifting

试件平移至20℃回归系数ABCR2-10℃5℃20℃35℃50℃1组0．0008-0．13412．44570．99953．86671．79520．0837-1．2678-2．25932组0．0012-0．17352．95710．99984．81212．1196-0．0329-1．6454-2．71793组0．00005-0．08841．79250．99722．68151．351750．0445-1．24025-2．50254组0．0003-0．10772．06410．99073．17111．53310．0301-1．3379-2．5709

由图1知，依据表6中位移因子将试验温度劈裂回弹模量平移至20 ℃后，主曲线线性走势明显，表明经二次函数模型修正后的位移因子精确度高，采用修正的位移因子平移的方法得到主曲线走势图是可行的；沥青混合料的时间-温度等效性显著，即高频率(或低温时)荷载短作用时间可以得到低频率(或高温时)荷载长作用时间相同的响应。图1可见，主曲线走势为逼近-递增-逼近型，两端逼近型即存在模量的极大值和极小值，此极值的预估方法[12]在AASHTO 61-09中有具体说明。

现已有20 ℃劈裂回弹模量主曲线，根据各温度平移至20 ℃的位移因子，其相反数即为20 ℃平移至其他温度的位移因子，据此将20 ℃主曲线平移至任意温度。图2～图5分别为第1、第2、第3和第4组试件的-10、5、20、35、50 ℃劈裂回弹模量主曲线簇。

图2 第1组试件的劈裂回弹模量主曲线簇Fig. 2 Splitting resilient modulus master curve clusters of the 1st group specimens

图3 第2组试件的劈裂回弹模量主曲线簇Fig. 3 Splitting resilient modulus master curve clusters of the 2nd group specimens

图4 第3组试件的劈裂回弹模量主曲线簇Fig. 4 Splitting resilient modulus master curve clusters of the 3rd group specimens

图5 第4组试件的劈裂回弹模量主曲线簇Fig. 5 Splitting resilient modulus master curve clusters of the 4th group specimens

图2～图5知，随着温度的升高劈裂回弹模量主曲线逐步右移，即相同的荷载作用频率下，温度升高劈裂回弹模量降低，沥青混合料弹性减弱黏性增强；黏性增强意味着经历一个加载卸载过程，加载卸载应力-应变曲线(不处于相同轨迹)包络面积增大，沥青混合料耗散能量增加，易产生残余变形，抗车辙性能减弱。

图2～图5均为等梯度温度间隔(15 ℃)的劈裂回弹模量主曲线簇，而在较低频率范围主曲线间隔较高频范围间隔大，表明随着加载频率的增大混合料劈裂回弹模量对加载频率的敏感性和依赖性降低。

为了将各组试件劈裂回弹模量(黏弹性能)进行对比，根据各组试件20 ℃主曲线数据，再次采用西格摩德方程对劈裂回弹模量与加载频率进行双对数拟合，回归系数见表7。依据各组试件20 ℃劈裂回弹模量西格摩德主曲线方程，采用origin软件绘制第1～第4组试件20 ℃主曲线图，见图6。

表7 20 ℃主曲线西格摩德方程回归系数Table 7 Regression coefficient of 20℃ master curve for sigmoidal equation

图6 各组试件20 ℃主曲线对比Fig. 6 Comparison of 20 ℃ master curve of every specimen

图6绘制了加载频率为10-9～109Hz范围的各组试件20 ℃劈裂回弹模量主曲线，频率范围较大，目的是更能够容易看出主曲线两端的逼近性，逼近极大值和极小值。

图6中3组试件和2组试件主曲线走势一致、线性十分接近，尤其是10-3～103Hz频率范围(较常用频率范围)基本重合，表明2组试件和3组试件黏弹性能基本一致；2组试件为室内拌合+短期加速老化，表明室内短期加速老化同拌和楼拌和过程对沥青的老化效果相似，采用室内短期加速老化试验替代拌和楼拌和过程对沥青的老化是可行的；但2组试件主曲线两端所逼近的极值略小于3组试件，可能是由于3组试件(VV=4.4%)较2组试件(VV=4.6%)残留空隙率小、更为密实的原因。

各组试件20 ℃劈裂回弹模量主曲线线性由上至下依次为3组、2组、1组及4组试件，且4组试件的极小值远小于其他3组，3组和2组试件模量较大的原因是均经历的拌和楼的短期老化(或模拟老化)过程，尤其是在矿粉加入后，密级配沥青混合料膜厚较小(约为5～15 um范围)，此过程在热能的激发下，使得沥青薄膜的分子键处于热激发状态，继而与氧发生氧化硬化反应，沥青胶结料变得脆硬，模量变大。1组试件未经历老化，室内拌和后及时成型模内自然降温，其劈裂回弹模量主曲线处于第3，小于2组试件，但其两端逼近的极值却持平甚至高于第2组和第3组试件(极小值持平2组，极大值略高于3组)，原因是1组试件残留空隙率最小(4.3%)，表明较大的压实度是提高混合料刚度的关键措施。

4组试件经历的拌和楼加热老化阶段，现场施工过程突遇阵雨，碾压过程雨滴落入混合料后有大量水蒸汽产生，摊铺机摊铺速度为6 m/min，体积参数检测结果满足我国施工技术规范要求。然而其劈裂回弹模量主曲线却远小于第2和第 3组试件，甚至远小于第1组试件，劈裂回弹模量主曲线逼近的极大值和极小值也均小于其它3组试件；20 ℃温度，10 Hz加载频率下，其劈裂回弹模量仅为3组试件的42.5%，混合料承载能力、力学性能大幅降低。根据表面电位理论和表面能理论[12]，由于水分子的极性较沥青强、较沥青更能浸润集料表面，摊铺过程突降雨水，雨水相对于沥青扮演了一个喧宾夺主的角色，能够将吸附于固体集料表面的沥青置换，降低了沥青与散体集料的黏结强度，促进沥青从集料表面的剥落，混合料耐久性降低。综上所述，4组试件在大吨位(30吨轮胎压路机)压路机的碾压作用下，虽能能够满足体积参数要求，但混合料劈裂回弹模量大幅降低，故对于沥青混合料施工过程应密切关注天气变化，及时调整拌和楼生产状态，突遇下雨工况保证立即停止施工，并采取相应处理措施。

4 结 语

室内拌和+短期加速老化后沥青混合料的劈裂回弹模量主曲线与正常施工路段基本重合，表明二者黏弹性行为较为一致，室内短期加速老化试验与拌和楼加热拌和过程对沥青的老化效果近乎一致。随着加载频率的增大(温度的降低)混合料劈裂回弹模量对加载频率(温度)的敏感性和依赖性降低。

沥青混合料施工过程突遇下雨天气，虽能够在大吨位压路机的碾压作用下，使得体积参数满足规范要求，但混合料劈裂回弹模量大幅降低。如在20 ℃温度下，10 Hz加载频率下降低42.5%。表明根据我国规范的检测指标(压实度或空隙率)，有可能将力学性能较差的沥青混合料评价为质量合格。下雨工况施工沥青混合料劈裂回弹模量显著降低，因此为保证沥青路面路用性能，应严禁冒雨继续施工。对于沥青混合料施工过程应密切关注天气变化，及时调整拌和楼生产状态，突遇下雨工况保证立即停止施工。

[1] 交通部公路科学研究所.公路沥青路面施工技术规范:JTG F40—2004[S].北京:人民交通出版社,2004.

Ministry of Communications Highway Science Research Institute.TechnicalSpecificationforConstructionofHighwayAsphaltPavements:JTGF40—2004[S].Beijing:China Communications Press, 2004.

[2] 交通部公路科学研究所. 公路沥青路面设计规范: JTG D50—2006[S].北京:人民交通出版社,2006.

Ministry of Communications Highway Science Research Institute.SpecificationforDesignofHighwayAsphaltPavements:JTGD50—2006 [S]. Beijing:China Communications Press, 2006.

[3] 罗作芬,郑传超. 沥青混合料劈裂回弹模量的研究[J]. 河北工业大学学报,2010,39(3):107-111.

LUO Zuofen, ZHENG Zhuanchao. Research on the resilient moduli of the asphalt mixture under splitting loading [J].JournalofHebeiUniversityofTechnology, 2010,39(3):107-111.

[4] 杨娥, 张肖宁. TLA 改性沥青的动态剪切模量及主曲线分析[J]. 武汉理工大学学报, 2012, 34(2): 45-48.

YANG E, ZHANG Xiaoning. Research on TLA modified asphalt dynamic shear modulus and its master curve [J].JournalofWuhanUniversityofTechnology, 2012, 34(2): 45-48.

[5] 马莉骍, 黄俊峰. 基于动态模量试验的沥青混合料老化性能研究[J]. 公路工程, 2014, 39(3): 317-321.

MA Lixin, HUANG Junfeng. Research on aging performance of asphalt mixture based on dynamic modulus test [J].HighwayEngineering, 2014, 39(3): 317-321.

[6] 郭乃胜. 聚酯纤维沥青混凝土的静动态性能研究[D].大连：大连海事大学,2007.

GUO Naisheng.StaticandDynamicPerformanceofPolyesterFiberReinforcedAsphaltConcrete[D].Dalian：Dalian Maritime University, 2007.

[7] 吴文彪, 田小革, 吕松涛, 等. 沥青混合料松弛特性的时间-温度-老化等效关系[J]. 建筑材料学报, 2011, 14(3): 340-344.

WU Wenbiao, TIAN Xiaoge, LV Songtao, et al. Time-temperature-aging equivalent relation of asphalt mixture based on relaxation property[J].JournalofBuildingMaterials，2011,14(3):340-344.

[8] 周键炜, 王大明, 白琦峰. 沥青混合料动态模量主曲线研究[J]. 公路工程, 2009, 34(5): 60-62.

ZHOU Jianwei，WANG Daming, BAI Qifeng. Research on master curve of dynamic modulus of asphalt mixture[J].HighwayEngineering, 2009, 34(5): 60-62.

[9] 陈磊磊, 钱振东. 基于简单性能试验的环氧沥青混合料动态模量研究[J].建筑材料学报,2013，16(2): 341-344.

CHEN Leilei, QIAN Zhendong. Study on dynamic modulus of epoxy asphalt mixture based on simple performance test[J].JournalofBuildingMaterials, 2013，16(2): 341-344.

[10] 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.

Ministry of Communications Highway Science Research Institute.StandardofTestMethodsofBitumenandBituminousMixturesforHighwayEngineering:JTGE20—2011[S].Beijing:China Communications Press, 2011.

[11] 刘福明. 沥青混合料动态模量预估方程的验证分析[J]. 中外公路, 2012,32(1):208-213.

LIU Fuming. The validation analysis of dynamic modulus of asphalt mixture forecast equation[J].JournalofChina&ForeignHighway,2012,32(1):208-213.

[12] 沈金安. 沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社, 2001.

SHEN Jin’an.RoadPerformanceofAsphaltandAsphaltMixture[M].Beijing:China Communications Press, 2001.

SplitResilientModulusMasterCurveofAsphaltMixtureConstructedinRainWeatherBasedonTime-TemperatureConversionPrinciple

WANG Hongchen

(Tongliao Traffic Construction Engineering Quality Supervision Station, Tongliao 028000, Inner Mongolia,P.R.China)

2 groups of specimens were molded in laboratory (with and without short-term aging procedure) and 2 groups of core samples were drilled from pavement (constructed in normal and rain condition). And then the volume parameters and split resilient modulus (5 temperature levels and 6 frequency levels) of the above 4 groups of specimens were tested by the AC-20 mixture split resilient modulus master curve generated by time-temperature equivalent principle, and the master curves of these four groups of specimens at 20℃ were compared and analyzed. The results show that it is feasible to simulate the mixing and heating process of asphalt mixture for aging of asphalt by short-term indoor accelerated aging test; the splitting resilient modulus of mixtures will be less sensitive and dependent on loading frequency with the increase of loading frequency; if the asphalt mixture encounters rain weather in construction process, the volume parameters of mixture will meet the requirements of specification, but there will be much decrease of split resilient modulus and mechanics performance; according to sigmoidal model of split resilient modulus,when the temperature is 20℃ and loading frequency is 10Hz, the mixture split resilient modulus will decrease by 42.5%. Therefore, it is suggested that the weather changes in asphalt mixture construction process should be paid close attention to and the mixing floor production status should be adjusted timely; meanwhile, it should be guaranteed to immediately stop the construction when rain condition is encountered.

highway engineering; pavement quality; construction in rain; split resilient modulus; volume parameters;

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.08

2016-08-17；

2016-11-04

王宏臣(1969—)，男，通辽科左后旗人，高级工程师，主要从事公路工程相关工作。E-mail：356188808@qq.com。

U416.2

A

1674-0696(2017)11-037-07

(责任编辑：朱汉容)