基于动态响应的沥青混合料冲击“嵌锁点”判别方法

2021-10-25程志强POLACZYKPawelAndrzej张德胡伟黄宝山

中南大学学报（自然科学版） 2021年7期

程志强，POLACZYK Pawel Andrzej，张德，胡伟，黄宝山

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海，201804；2.上海公路桥梁(集团)有限公司，上海，200433；3.田纳西大学土木与环境工程系，田纳西州诺克斯维尔，37996)

沥青混合料的压实质量与其空隙含量密切相关。已有研究表明，在不合理的空隙率范围内(例如超过标准空隙率7%)，空隙率每增加1%会导致沥青路面使用寿命下降10%[1]。压实应保证一个合适的空隙率，过高或过低都可能导致沥青混合料集料的破坏[2]。因此，在路面施工控制中，沥青混合料空隙率通常低于8%，来避免对其透水性造成不利影响。调查表明，为了有效提高抗车辙性能，在路面开放交通后最终现场空隙率应为4%左右[3]。在混合料配比室内试验中，目标空隙率是确定混合料配比设计中最佳沥青用量的关键因素。混合料试件压实成型方法也由静压法发展到人工夯实、机械冲压、揉搓、旋转压实、振动压实以及滚动压实模拟[4]。目前，常用的室内试验压实成型方法主要有马歇尔(Marshall)成型法、维姆(Hveem)成型法以及旋转压实法[5]。其中，基于旋转压实成型方法的Superpave gyratory compactor(SGC)在美国沥青混合料配比设计中得到了广泛应用[6]，它能够降低集料颗粒破碎现象，从而减少试验结果变异性，并且其大尺寸试样能够容纳更大粒径的骨料[7]。根据SGC 致密化曲线，可以获得相应体积指标参数来描述各种沥青混合料的压实特性，例如：在初始旋转数(Nini)时理论最大相对密度(Gmm)[8]、压实能量指数(CEI)[9]、压实曲线斜率以及能够表征抵抗永久变形强度的“嵌锁点”(locking point)[10]。“嵌锁点”可以定义为沥青骨料在压实过程中形成稳定骨架结构互相“嵌锁状态”的时刻，当超过“嵌锁点”后，外界压实功并不能有效增加压实密度，相反会增加集料破损的风险。“嵌锁点”的概念最初是由LI 等[11]为了减少因过度压实导致SGC 试样集料破损潜在风险而提出的。目前，研究者们主要基于压实高度来进行“嵌锁点”的判别。VAVRIK 等[10]按照当满足旋转压实过程中连续3 次压实高度相同，取其中第一次旋转次数作为“嵌锁点”。ANDERSON 等[12]在此基础上进行了修正，取2组旋转压实试样连续3次压实高度相同时首次旋转次数作为“嵌锁点”，且这2 组试样压实高度相同。此外，美国交通部门机构(包括阿拉巴马州交通部门[12-13]和佐治亚州交通部门[14])还推荐了几种“嵌锁点”的判别方法。目前，“嵌锁点”的主要判别方法如下：1)压实过程中将首次连续2次旋转压实高度相同的旋转次数作为“嵌锁点”(locking point 2-1)；2)压实过程中将第二次发生连续2次旋转压实高度相同的旋转次数作为“嵌锁点”(locking point 2-2)；3)压实过程中将第三次发生连续两2次旋转压实高度相同的旋转次数作为“嵌锁点”(locking point 2-3)[15]。然而，上述判别方法仅依赖于压实过程中试件高度的变化，与压实过程中时间内部结构演化联系并不明确，因此目前仍缺乏对“嵌锁点”识别依据以及判别方法的统一认识。

相比美国，世界很多其他地区(包括中国在内)仍采用基于机械冲压的马歇尔冲击压实仪为主。在相同压实功下，根据不同模具尺寸，主要有2种单位体积的马歇尔击实仪[16]，包括模具直径为101.6 mm 的标准马歇尔击实仪和模具直径为152.4 mm的大型马歇尔击实仪。然而这2种马歇尔压实仪都不能像旋转压实仪一样在压实过程中记录试件准确高度(或者其他与压实过程中的体积参数相关数据，例如空隙率、沥青混合料间隙率以及压实密度等)。另外，尽管使用了旋转压实或冲击压实，但体积指标仍不能直接反映沥青混合料的强度或刚度变化。已有研究表明，冲击压实过程中的动力响应与混合料的刚度有很强的相关性。对此，CLEGG[17]设计了一种用于现场和实验室的手持式峰值加速度计，并用来测试路基材料强度指标[17]。POLACZYK等[18-21]在美国马歇尔击实仪的击实锤上安装了加速度传感器，用来记录冲击压实过程中的动态响应数据。该研究团队根据压实过程中击实锤的加速度脉冲信号，通过比较每次冲击的加速度脉冲信号模式(包括加速度峰值与持续时间)，提出了冲击“嵌锁点”的概念。当加速度脉冲信号达到稳定时，则将该时刻的击实次数来作为沥青混合料的压实特征指标。然而，该方法是通过人为比对每次冲击的加速度脉冲信号，数据处理成本较高，信号噪声以及人为截取误差等因素会影响其判断结果的准确性与稳定性。

因此，为了更快速准确地判断冲击“嵌锁点”，本文作者通过构建试件压实过程中完整的密实曲线，提出一种修正的判别方法。为了研究该方法对于不同结构马歇尔击实仪以及不同类型沥青适用性与稳定性，采用14 种类型的沥青材料以及3种马歇尔压实仪分别进行试验研究。其中，沥青材料包括基层混合料、表层密级配混合料以及沥青玛蹄脂碎石(SMA)混合料等，而3种马歇尔压实仪分别为美国标准马歇尔击实仪、中国标准马歇尔击实仪以及中国大型马歇尔击实仪。测试方法则同样采用在击实锤上布置加速度传感器来监测冲击脉冲信号。同时，对比相同混合料旋转压实“嵌锁点”，再次验证该方法对中美各类马歇尔压实仪的有效性。

1 试验测试方法

1.1 沥青混合料试验材料

为了考虑不同类型沥青混合料对“嵌锁点”判别方法稳定性的影响，采用14种沥青混合材料，包括10种美国沥青混合料(选自田纳西州)以及4种中国沥青混合料(选自上海)。

1.1.1 美国田纳西州沥青混合料

本次试验选用的田纳西州沥青混合料配合比设计参照美国相关规范标准[22-23]，可分为3 组：1)基层沥青混合料(混合物A，B，BM2 和C)；2)面层沥青混合料(混合物D，E 和TLD)；3)满足田纳西州规范要求的沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA9.5，SMA12.5 和SMA19.0)。石灰石骨料来自东田纳西州，包括4号石材，5号石材，56号石材，7 号石材和10 号筛网。沥青结合料选用PG 64-22。将沥青混合料在154.4°C的温度下进行拌合，并在143.3°C的温度下进行压实以消除温度影响。表1与表2所示分别为这10种沥青混合料的级配以及其他设计参数。

表1 沥青混合料配合比设计表(田纳西州)Table 1 Gradation design for asphalt mixture(Tennessee)

表2 沥青混合料设计要求(田纳西州)Table 2 Requirements for asphalt mixes design(Tennessee)

1.1.2 上海沥青混合料

选取上海地区4 种常见类型的沥青混合料(AC-25C，AC-20C，AC-13C 和SMA-13，其级配以及相关要求分别如表3和表4所示)。其中，AC-25，AC-20C和AC-13C沥青混合料中使用重交沥青结合料和石灰石骨料，而SMA-13沥青混合料中则采用改性沥青结合料和一种玄武岩骨料。混合料拌合温度为180 ℃，并且压实温度为170 ℃。采用中国马歇尔击实仪进行测试[24]。

表3 沥青混合料配合比设计(上海地区)Table 3 Gradation design for asphalt mixture(Shanghai)

表4 沥青混合料设计要求(上海地区)Table 4 Requirements for asphalt mix design(Shanghai)

1.2 马歇尔击实仪与测试装置

为了考虑不同结构马歇尔击实仪对“嵌锁点”判别方法适用性的影响，采用3种结构的马歇尔击实仪，包括美国标准马歇尔击实仪(如图1所示)、中国标准马歇尔击实仪和大型马歇尔击实仪(如图2所示)。美国和中国标准马歇尔击实仪均采用直径为101.6 mm 试件模具，而中国大型马歇尔击实仪则采用直径为152.4 mm 试件模具。较大尺寸的试样有利于粗骨料的移动和相互咬合，从而提高压实密度[16,25-26]。在相同单位体积压实功作用下，直径为152.4 mm 试件的击实设计次数是直径为101.6 mm 样品的1.5 倍。例如，SMA 沥青混合料在101.6 mm的模具中需进行每面50次击实(两面共计100 次)，而在152.4 mm 的模具中每面需要击实75次(两面共计150次)。

图1 美国马歇尔击实仪(直径Φ101.6 mm模具)Fig.1 American Marshall compactor(Φ101.6 mm)

图2 中国马歇尔击实仪(标准直径Φ101.6 mm模具与大直径Φ152.4 mm模具)Fig.2 Chinese Marshall compactors(Φ101.6 mm and Φ152.4 mm)

尽管美国和中国标准马歇尔击实仪具有相同的击实质量和击实高度，但马歇尔击实锤的结构和形状却有所不同。与美国的圆柱型马歇尔锤相比，中国的马歇尔锤前后平直，左侧和右侧呈圆柱状，如图3所示。另外，中国标准马歇尔击实仪的压头在压实过程中可发生转动，试件模具在每次击实时是固定的，冲击后再旋转90°，而美国的马歇尔击实仪的压头在压实过程中是固定的。

图3 马歇尔击实仪结构差异Fig.3 Structural differences between Marshall compactors

本次试验通过在每种马歇尔击实仪的冲击锤上放置一个加速度计来监视系统的动态响应，如图1和图2所示。该加速度计可检测每次击实的击实锤的加速度时程曲线，并由数据采集系统来收集传输到软件。该系统由4个模块组成，包括传感器、适配器、数据采集设备和管理软件(LabVIEW)，如图4所示。本研究中加速度计的最大量程为49 050 m/s2(5 000g)，误差范围为±1%(即±50g)，采样频率设置为10 kHz。

图4 数据采集系统Fig.4 Data acquisition system

Superpave 旋转压实仪的转速为30 次/min 旋转，压实应力为600 kPa，旋转角度为1.25°，以获得所有混合料的旋转嵌锁点。将样品在150 mm的模具和100 mm的模具中压实，并记录旋转压实过程中的高度变化。

2 沥青混合料压实“嵌锁点”的判别方法

基于马歇尔击实仪测试得到的加速度响应数据来判别冲击“嵌锁点”，根据POLACZYK等[18]提出的方法需要对每次的冲击加速度脉冲响应进行对比。图5所示为由美国标准马歇尔击实仪试验沥青混合料D 的第1 次，第50 次，第100 次，第108次，第125次和第150次击实加速度脉冲信号。图5中，散点是数据采集系统收集的原始加速度响应数据，并进行5 点均值进行平滑处理得到拟合曲线。POLACZYK 等[18]指出按照加速度峰值与持续时间进行“嵌锁点”的判别。图5(a)所示为第1次冲击时的加速度峰值为370.114 5g，持续时间为0.003 s。随着击实次数的增加，当第108 次击实时，加速度峰值为516.813 0g，持续时间减少到0.002 5 s，如图5(d)所示。第108 次击实后，加速度峰值在488.387 5g至516.813 0g之间范围内波动，且持续时间保持在0.002 5 s 不变。根据POLACZYK 等[18]提出的判别方法，则将第108 次确定为沥青混合料D的“嵌锁点”。然而，由于该方法必须通过比较每次击实的加速时间曲线来确定冲击“嵌锁点”，而测试数据量大，判别非常耗时。

图5 混合料D加速度时程曲线Fig.5 Acceleration-time curves of mix D

对此，本文提出了一种修正的判别方法，通过完整构造试件压实过程中的加速度峰值压实曲线，从加速度峰值随击实次数的变化趋势曲线来进行判断，而非对比单次加速度峰值持续时间，这样能够更快速确定“嵌锁点”。图6(a)所示为第109 次击实到110 次击实的整个加速度数据，相邻击实的间隔大约是1 s。通常，由于冲击锤与试件钢垫接触的击实瞬间很短，而大部分时间内冲击锤与试件钢垫是分离的。因此，图6(b)所示为第109 次到110 次击实过程中的冲击脉冲部分，其持续时间为3.725～3.785 s。由于锤子和钢垫之间的撞击会引起共振(锤子不会直接撞击到样本表面)，因此加速度数据会同时受到样本强度和结构噪声的影响。稳定噪声在-14.87g～17.1g的误差范围内波动，这在测量误差范围(±50g)内是可以接受的。本方法先通过5点均值对原始加速度数据拟合曲线获得每次击实的加速度峰值，然后，通过对加速度峰值进行3点均值平滑拟合来构造趋势线，如图6(c)所示。从图6(c)可知：试样的强度从开始到第75 次冲击逐渐增加。图6中由于进行试样翻面击实，加速度峰值存在突降，而后迅速恢复，并最终在压实结束时达到稳定值。由构建的压实曲线可以很容易地确定出从109次击实到150次击实趋于稳定。因此，将第109次确定为该试件的“嵌锁点”。具体判别方法流程如图7所示。

图6 判定冲击“嵌锁点”过程Fig.6 Process of determining impact locking point

图7 冲击“嵌锁点”判定方法流程图Fig.7 Flow chart of impact locking point determining method

另外，计算第109次时稳定阶段加速度最大值(或最小值)与平均加速度之差作为加速度误差，得到沥青混合料D 在稳定阶段误差范围为-11.79g～7.48g(见表5)，这使得连续2次击打之间稳定段的误差范围(-14.87g～17.1g)变窄，并且在测量误差范围(±50g)内也是可以接受的。因此，可以确定第109次为冲击“嵌锁点”。

表5 混合料D的误差范围分析Table 5 Error range analysis of mixture D

3 测试结果与各类混合料冲击“嵌锁点”判别

3.1 田纳西州基层沥青混合料

根据上述提出的方法，对田纳西州基层沥青混合料A、混合料B、混合料BM2以及混合料C加速度实测值构造压实曲线，如图8所示。从图8可以看到：随着击实次数的增加，平均加速度峰值最初前30 次击实随击实次数增长迅速，然后呈现相对稳定增长，表明刚度略有增加。横坐标击实次数为双面击实次数(见图8、图9及图10)，试件在击实翻面(75 次或50 次)时，由于加速度传感器本身原因，第二面的初始加速度峰值会有比较大的变化，此外双面击实过程的加速度峰值整体变化趋势基本连续。根据所提方法可确定混合料B、混合料BM2 以及混合料C 在压实结束前达到稳定状态，“嵌锁点”分别为第143次，第139次以及第128次。而图8中混合料A在压实结束时加速度峰值仍存在较大波动，因此很难获得其准确“嵌锁点”。

图8 基层混合料加速度峰值压实曲线Fig.8 Peak acceleration curves of asphalt mixtures of base course

3.2 田纳西州面层沥青混合料

类似地，田纳西州面层沥青混合料D 与混合料E的加速度数据进行分析。图9所示为面层混合料加速度峰值压实曲线。从图9可以看出：加速度峰值3点平滑曲线的趋势在初始快速增长后呈现出稳定的收敛平台。因此，沥青混合料D与混合料E的“嵌锁点”分别为第109次与第102次。混合料TLD的加速度峰值曲线在压实结束前仍存在波动，因此无法确定锁定点，这可能是由于试件制备过程中的问题所致。

图9 面层混合料加速度峰值压实曲线Fig.9 Peak acceleration curves of asphalt mixtures of surface course

3.3 田纳西州的沥青玛蹄脂碎石混合料

由于沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)为骨架密实结构，因此该混合料的加速度压实曲线与前述基层和面层混合料压实曲线不同，如图10所示。SMA 加速度压实曲线从最初阶段一直稳定持续增长，直到达到最终的稳定平台。SMA12.5 和SMA19.0 混合料可根据压实曲线确定“嵌锁点”分别为第106 次与第102 次。然而，对于SMA9.5混合料而言，由于压实曲线在压实结束前仍在一定范围内上下波动，无法识别其“嵌锁状态”。

图10 SMA混合料加速度峰值压实曲线Fig.10 Peak acceleration curves of asphalt mixtures of SMA Mixtures

表6所示为各混合料在达到“嵌锁点”后的加速度峰值的误差分析结果。在“嵌锁”阶段，计算加速度峰值与加速度平均值之间的差确定误差范围。表6中最大和最小误差均在误差范围内。

表6 混合料误差范围分析Table 6 Error range analysis of mixtures

为了进一步验证所提出方法对冲击“嵌锁点”判断的适用性，对冲击“嵌锁点”与不同尺寸试件旋转“嵌锁点”进行了比较，如表7所示。在本研究中，旋转压实“嵌锁点”被定义为试件首次出现3个相同高度时的第一次旋转对应的次数，在此之前试件出现连续2 组2 个相同高度[11]。表7中还包含了通过比较每个冲击脉冲来确定先前研究中的冲击“嵌锁点”的方法。从表7可知：改进方法确定的10 种混合物中有7 种冲击“嵌锁点”接近于先前方法确定的冲击“嵌锁点”。在2 种评估方法中，混合料A 均无法达到“嵌锁”状态。修改后的方法则无法识别TLD 和SMA9.5 混合料的“嵌锁点”，证明先前的方法得到的结果均存在误判。同样，观察到公称最大粒径越大，在粗集料骨架的形成中需要更多的压实功。

表7 冲击“嵌锁点”与旋转“嵌锁点”相关性Table 7 Correlation of impact and gyratory compaction locking points

另外，采用100 mm 与150 mm 模具进行旋转压实的SMA(密级配结构)和其他混合物(悬浮密级配结构)试件判别得到的“嵌锁点”具有很强的线性相关性，如图11(a)所示。根据所提方法判别得到的马歇尔击实试验冲击“嵌锁点”与旋转压实试验得到的旋转“嵌锁点”同样具有很好的线性相关性，如图11(b)所示。需要说明的是，这里由于本次试验SMA 仅有2 个数据组，因此无法进行相关性分析。

图11 不同压实仪“嵌锁点”对比Fig.11 Comparison of locking points among various compactors

3.4 中国马歇尔击实试验

采用中国马歇尔击实仪对4种典型沥青混合料进行试验，并获取其加速度峰值压实曲线，结果如图12所示。其中标准马歇尔击实试验与大型马歇尔击实试验均采用相同类型的混合料进行压实比较。

图12 中国混合料马歇尔击实加速度峰值压实曲线Fig.12 Peak acceleration curves with chinese marshall compactors

与美国田纳西州沥青混合料压实加速度峰值压实曲线相比，中国的混合料压实加速度峰值结果同样显示出类似的变化总体趋势，然而直到最终压实结束时仍没有收敛，存在较大波动。对于同种沥青混合料试件，直径152.4 mm 模具的大型马歇尔击实仪试验加速度峰值的离散性比直径101.6 mm 模具的马歇尔击实仪试验加速度峰值明显要小，但仍无法判别2类结果的冲击“嵌锁点”。

针对4种不同沥青混合料的标准马歇尔击实过程，最大公称粒径较大时，加速度峰值曲线相对波动性较小。大型马歇尔击实过程中，离散点整体离散性较小。横坐标击实次数为双面击实次数，试件在击实翻面(75 次或50 次)时，第二面的初始加速度峰值会有比较大的变化，此外双面击实过程的加速度峰值整体变化趋势基本连续。

3.5 实验结果讨论

综上所述，采用改进的方法来判别沥青混合料的冲击“嵌锁点”是实用且有效的。对于美国田纳西州的沥青混合物，冲击“嵌锁点”受混合料的标称最大粒径影响。公称最大粒径较小的沥青混合料因为具有较高的沥青含量，导致沥青润滑作用增强，因而在同样的压实功作用下更易达到“嵌锁”状态，其“嵌锁点”可以通过修正的方法快速识别。然而，本次试验中存在3 个例外，包括混合料A、混合料TLD和混合料SMA9.5。其中，混合料A的公称最大粒径大于25.4 mm，而当压实试件模具直径为101.6 mm 时，该模具可能无法容纳较大粒径的骨料，而随着击实次数的增加，集料颗粒易产生破碎而无法达到咬合嵌锁状态，导致在压实最后阶段试件强度仍会发生变化。而作为面层沥青混合料的TLD和SMA9.5在试验中也无法判别“嵌锁点”，其原因可能是由于面层沥青混合料属于悬浮密级配易于压实，冲击压实并不适用于面层沥青混合料。因此，在压实后期，冲击压实可能会造成面层混合料过度压实，并破坏混合物的结构。尽管如此，应进一步研究体积参数与刚度参数之间的关系。

对于中国沥青混合料马歇尔击实试验，大型马歇尔击实试验测试加速度峰值压实曲线比标准马歇尔击实试验测试结果波动小。这表明中国在压实过程中大型马歇尔击实仪的结构噪声影响更小，这可能由于大型马歇尔击实仪的试件模具更大，可包含颗粒的数量更多，粒径更大，并且具有较大的表面积，这有助于减少结果变异性。然而，无论标准马歇尔击实仪还是大型马歇尔击实仪所获取的加速度峰值压实曲线均无法进行“嵌锁点”判别，考虑到中国马歇尔击实仪和美国马歇尔击实仪之间的差异，可能是由于落锤到底板的距离不同或锤子形状的不同，这可能导致在撞击过程中加速度计的信号噪声干扰增强。

本文提出的基于动态响应的沥青混合料冲击压实过程“嵌锁点”判定方法适用于美国标准马歇尔击实仪试验的多数混合料，沥青混合料最大公称粒径范围宜为12.5～25.4 mm。最大公称粒径小于12.5 mm的混合料可能在冲击压实过程中达不到嵌锁点。而最大公称粒径大于25.4 mm的混合料可考虑在下一步研究中采用152.4 mm 模具美国大型马歇尔击实仪来测试，验证该判定方法的实用性。中国马歇尔击实仪无论是标准型还是大型，由于构造的不同，导致实验过程加速度计采集的数据受到影响较大，无法达到美国马歇尔压实仪离散性较小的结果，故目前仍无法用该修正方法来准确判断压实“嵌锁点”。因此，在将来的研究中，可对以下几个方面对中国马歇尔击实试验进行改进，来提高混合料“嵌锁点”判定准确性：1)加速度计的安装方法，以避免噪声影响；2)各种类型的沥青黏合剂；3)骨料级配的影响；4)压实温度和沥青含量；5)与机械性能的相关性。