沥青混合料试件成型形状和空隙率对APA车辙试验的影响

王　慧　 谭好奇　 张久鹏,

(1山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室, 太原030006)(2长安大学公路学院, 西安710064)

沥青混合料试件成型形状和空隙率对APA车辙试验的影响

王慧1谭好奇2张久鹏1,2

(1山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室, 太原030006)(2长安大学公路学院, 西安710064)

摘要:为研究沥青混合料试件成型形状对APA车辙试验的影响,采用2种沥青和3种级配制备了6种类型的沥青混合料,利用轮碾法和SGC旋转压实法分别制作了空隙率为4%和7%的梁式试件和圆柱体试件.对不同形状试件的力学响应进行了有限元分析,并通过室内试验研究了沥青混合料试件成型的形状和空隙率对APA车辙深度的影响.结果表明:在APA车辙试验中,梁式试件和圆柱体试件的力学响应基本一致,且采用圆柱体试件时APA车辙试验的平行性和复现性更好;采用空隙率为4%和7%的圆柱体进行APA车辙试验时,前者的复现性更优.因此,推荐APA车辙试验采用SGC旋转压实法制备的空隙率为4%的圆柱体试件.

关键词:APA车辙试验;梁式试件;圆柱体试件;空隙率

车辙是沥青路面的一种典型病害,严重降低了沥青路面的使用性能和服务水平.国内外研究人员建立了多种车辙试验方法来评价、分析沥青路面的抗车辙能力,其中室内往复车辙试验应用最为广泛.室内往复车辙试验在一定程度上反映了沥青路面车辙的发展规律,但不能真实模拟沥青路面的实际荷载和环境状态,因此与沥青路面现场车辙规律的相关性不强.采用沥青路面分析仪(APA)可以真实模拟现场荷载和环境状态,是一种更为先进、合理的车辙试验方法.美国国家沥青技术中心NCAT对比评价了多种抗车辙性能评价方法,最终推荐采用APA进行抗车辙性能评价.除此之外,APA还可用于沥青混合料水稳定性、抗疲劳性能评价等[1].韩海峰等[2]、曹林涛等[3]采用APA研究了不同类型沥青混合料的车辙变形规律,重点分析了细级配沥青混合料的抗车辙能力;周志刚等[4]采用APA模拟研究了沥青路面在多种荷载条件下的疲劳行为,分析了加筋沥青路面的抗疲劳性能;吴文亮等[5]开展了AC-13沥青混合料APA车辙试验,并结合数字图像技术分析了APA试验过程中粗颗粒的运动轨迹;袁峻等[6]采用APA分析了纤维改性沥青混凝土的抗车辙性能,揭示了纤维改性沥青混合料的高温增强机理.Malladi等[7]、Zhao等[8]进行了热拌与温拌沥青混合料的APA车辙试验,发现温拌沥青混合料具有更好的抗车辙能力;Xiao等[9-10]采用APA研究了服役阶段不同类型沥青混合料的密实特性,分析了开级配磨耗层沥青混合料的抗车辙能力和抗水损害能力.

沥青路面分析仪APA可以利用梁式试件和圆柱体试件进行试验.梁式试件一般是在室内采用轮碾仪制备的,其成型过程比较复杂,试件的空隙率难以准确控制.圆柱体试件既可在室内利用SGC旋转压实仪成型,也可在沥青路面现场通过钻芯获得,其成型过程比较简单,试件的空隙率易于控制.目前,APA车辙试验方法研究仍然存在不足,例如关于沥青混合料试件成型形状和空隙率对APA车辙试验结果的影响还缺乏足够的认识.因此,本文通过有限元方法分析了APA试验中圆柱体和梁式试件的力学响应,通过室内APA试验研究了沥青混合料试件成型的形状和空隙率对车辙深度测试结果及变异性的影响,为APA车辙试验在我国的推广应用提供参考.

1试件制备与试验方案

1.1沥青混合料组成设计

本试验采用壳牌70#基质沥青和SBS改性沥青,其技术性能均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)的技术要求.采用AC-20粗型、AC-20细型、AC-13等3种级配(见表1),分别与2种沥青进行拌和,制备得到6种沥青混合料,并采用Marshall方法确定不同类型沥青混合料的最佳油石比.采用基质沥青时,AC-20粗型、AC-20细型和AC-13沥青混合料的最佳油石比分别为4.0%,4.3%和5.1%;采用SBS改性沥青时,AC-20粗型、AC-20细型和AC-13沥青混合料的最佳油石比分别为4.2%,4.3%和4.9%.

表1　沥青混合料的设计级配　%

注:d为筛孔直径.

1.2试验方案

分别采用SGC旋转压实仪和轮碾仪制备了φ150mm×75mm的圆柱体试件和300mm×125mm×75mm的梁式试件,其中圆柱体试件的空隙率为4%和7%,梁式试件的空隙率为4%.

在旋转压实和轮碾压实前,将沥青混合料于160 ℃下保温2h,以模拟沥青混合料生产过程中的短期老化.APA车辙试验温度为(60±1)℃,故需要将成型好的试件放入沥青路面分析仪APA内,在60 ℃下恒温6～24h,以保证试件达到测试温度并且其内部温度均衡.APA通过凹形轮在充气橡胶管上施加荷载,并间接传递至试件表面,因此设定凹形轮载为(445±22)N,橡胶管充气压强为(690±22)kPa.凹形轮运行频率为60Hz.

2试验结果与分析

2.1试件形状对APA车辙试验影响的有限元分析

为分析圆柱体试件和梁式试件对APA车辙试验结果的影响,采用ANSYS软件建立了梁式试件和圆柱体试件APA车辙试验的三维有限元模型(见图1).参考文献[11]确定有限元分析的荷载模型及材料参数,并据此进行力学响应分析.梁式试件分别选取边缘处和1/4处剖面作为分析剖面;而对于2个圆柱体试件,选取其中一个试件的边缘处和1/2处剖面作为分析剖面.重点分析了荷载作用于不同位置的水平剪应力,结果表明,梁式试件和圆柱体试件由于形状不同,侧向约束具有一定差异,故其剪应力响应也略有不同,但分布规律相似;从位移、应力云图和等值线图等其他力学响应分析结果中也发现了类似规律.这与文献[12]的结论基本一致,说明梁式试件和圆柱体试件的APA车辙形成和发展规律一致,可以采用圆柱体试件进行后续APA车辙试验.

(a) 梁式试件

(b) 圆柱体试件

2.2试件形状对APA车辙深度影响的试验分析

在有限元分析的基础上,采用空隙率为4%的圆柱体试件和梁式试件进行了室内APA车辙试验,车辙深度测试结果见表2.根据不同形状试件的APA车辙深度试验结果,评价了沥青混合料抗车辙性能,发现抗车辙性能优劣排序一致,由优至劣依次为AC-20粗型改性沥青混合料、AC-13改性沥青混合料、AC-20细型改性沥青混合料、AC-20粗型基质、AC-13基质沥青混合料、AC-20细型基质沥青混合料.梁式试件与圆柱体试件的APA车辙深度相关性见图2.图中,复相关系数R=0.877 4.取显著性水平α=0.05,复相关系数临界值Rmin=0.468;R>Rmin,说明梁式试件与圆柱体试件的APA车辙深度具有良好的线性相关性.

对不同形状试件的APA车辙深度变异系数进行对比分析后发现,对于圆柱体试件,AC-20粗型基

表2不同形状沥青混合料试件的APA车辙深度

mm

图2不同形状沥青混合料试件APA车辙深度的相关性

质沥青混合料、AC-20粗型改性沥青混合料、AC-20细型基质沥青混合料、AC-20细型改性沥青混合料、AC-13基质沥青混合料、AC-13改性沥青混合料的车辙深度平均值分别为6.324,2.351,8.319,3.444,7.702,2.837mm,标准偏差分别为0.499,0.341,1.122,0.515,0.864,0.855mm,对应的变异系数分别为7.886%,14.497%,13.483%,14.948%,11.213%,30.141%;对于梁式试件, 6种沥青混合料的车辙深度平均值分别为7.557,3.393,9.869,4.101,9.744,3.717mm,标准偏差分别为1.423,0.936,1.878,1.302,1.119,1.114mm,对应的变异系数分别为18.836%,27.578%,19.025%,31.748%,11.480%,29.983%.对同种沥青混合料而言,梁式试件的变异系数大于圆柱体试件,究其原因在于,SGC成型的圆柱体试件均匀性更好,抗车辙性能的变异性更小,试验结果的平行性也更好.

为更全面地分析圆柱体试件的适用性,按照上述方法进行了不同批次的APA车辙试验,分析了不同形状试件APA车辙试验的复现性,结果见表3.由表可知,改性沥青混合料的APA车辙深度和相对偏差均小于基质沥青混合料,表明抗车辙性能更好的沥青混合料的复现性更好,同等条件下采用圆柱体试件进行APA车辙试验时,其复现性优于梁式试件.

综上所述,可以采用SGC旋转压实法制备的圆柱体试件取代轮碾法成型的梁式试件进行APA车辙试验,且圆柱体试验的平行性和复现性更好.

表3　不同形状沥青混合料试件APA车辙试验的复现性分析

2.3试件空隙率对APA车辙深度影响的试验分析

空隙率对沥青混合料的高/低温性能、水稳定性及抗疲劳性能等影响显著[13].本文采用SGC旋转压实法分别制备了空隙率为4%和7%的圆柱体试件,对比分析了试件成型空隙率对APA车辙深度的影响,结果见表4.根据不同空隙率试件的APA车辙深度,评价了沥青混合料抗车辙性能,发现抗车辙性能优劣排序一致,由优至劣依次为AC-20粗型改性沥青混合料、AC-13改性沥青混合料、AC-20细型改性沥青混合料、AC-20粗型基质沥青混合料、AC-13基质沥青混合料、AC-20细型基质沥青混合料,而空隙率为7%的试件的APA车辙深度明显较大.此外,粗型级配沥青混合料的APA车辙深度随空隙率的增长速率明显高于细型级配沥青混合料,表明粗型级配沥青混合料对空隙率的敏感性更高.不同空隙率试件APA车辙深度的相关性见图3.图中,复相关系数R=0.915 9.取显著性水平α=0.05时,复相关系数临界值Rmin=0.468.R>Rmin,表明2种空隙率沥青混合料试件的APA车辙深度具有良好的线性相关性.

表4不同空隙率沥青混合料试件的APA车辙深度

mm

图3不同空隙率沥青混合料试件APA车辙深度的相关性

对空隙率为4%和7%的试件的APA车辙深度变异性进行对比分析后发现,对于空隙率为4%的试件,AC-20粗型基质沥青混合料、AC-20粗型改性沥青混合料、AC-20细型基质沥青混合料、AC-20细型改性沥青混合料、AC-13基质沥青混合料、AC-13改性沥青混合料的车辙深度平均值分别为6.324,2.351,8.319,3.444,7.702,2.837mm,标准偏差分别为0.499,0.341,1.122,0.515,0.864,0.855mm,对应的变异系数分别为7.886%,14.497%,13.483%,14.948%,11.213%,30.141%;对于空隙率为7%的试件, 6种沥青混合料的车辙深度平均值分别为7.653,2.833,8.584,3.502,8.578,3.373mm,标准偏差分别为0.970,0.289,0.926,1.295,0.435,0.401mm,对应的变异系数分别为12.676%,10.201%,10.787%,36.974%,5.076%,11.882%.空隙率为4%和7%的试件的APA车辙深度变异性均较小,具有较好的平行性.

为更全面地分析不同空隙率试件的适用性,按上述方法进行了不同批次APA车辙试验,分析了不同空隙率试件APA车辙试验的复现性,结果见表5.由表可知,空隙率为4%和7%的试件的APA车辙深度相对偏差分别为6.7%～13.6%和11.6%～23.4%,说明前者的APA车辙试验复现性更优.

综上所述,采用空隙率为4%和7%的圆柱体试件进行的APA车辙试验,均具有良好的平行性和复现性,但前者的复现性更优.故APA车辙试验中推荐采用SGC成型空隙率为4%的圆柱体试件.

3结论

1) 建立了梁式试件和圆柱体试件APA车辙试验的三维有限元模型,分析了不同形状试件的力学响应,发现梁式试件和圆柱体试件的力学响应基本一致.

2) 分析了沥青混合料试件成型形状对APA车辙深度的影响规律.结果表明,利用圆柱体试件和梁式试件进行APA车辙试验时,两者的车辙深度具有良好的线性相关性,而圆柱体试件所得到的试验结果变异性更小,平行性和复现性更好.

3) 分析了沥青混合料试件空隙率对APA车辙深度的影响规律.结果表明,利用空隙率为4%和7%的试件进行APA车辙试验时,两者的车辙深度具有良好的线性相关性,而利用空隙率为4%的试件进行APA车辙试验,其复现性更优.

表5　不同空隙率试件APA车辙试验复现性分析

4) 综合考虑试件成型的方便性以及试验结果的复现性和平行性,推荐在APA车辙试验采用SGC旋转压实法制备的空隙率为4%的圆柱体试件.

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EffectsofmoldingshapeandairvoidofasphaltmixturespecimenonAPAruttingtests

WangHui1TanHaoqi2ZhangJiupeng1,2

(1KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyinLoessRegion,ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan030006,China) (2SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Abstract:In order to study the effects of specimen molding of asphalt mixture on APA(asphalt pavement analyzer)rutting tests, two kinds of asphalt binder and three kinds of aggregate gradation were selected to prepare six kinds of asphalt mixture, and the beam specimens and cylinder specimens with the air voids of 4% and 7% were molded by using the wheel-grind method and the SGC(superpave gyratory compactor) rotary compaction method, respectively. The finite element analysis was conducted to reveal the mechanical responses of asphalt mixture with different shapes, and the indoor tests were carried out to study the effects of the molding shape and air void of asphalt mixture specimen on the APA rutting depth. The results show that the mechanical responses of the cylinder specimens are almost same with those of the beam specimens in the APA rutting tests, and the parallelism and reproducibility of the APA rutting tests with the cylinder specimens is better. The reproducibility of the APA rutting tests with the cylinder specimens with the air void of 4% is better than that with the air void of 7%. Therefore, the cylinder specimens with the air void of 4% by using the SGC rotary compaction method are recommend for the APA rutting tests.

Key words:asphalt pavement analyzer (APA) rutting test; beam specimen; cylinder specimen; air void

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.022

收稿日期:2015-12-06.

作者简介:王慧(1985—),女,硕士,工程师;张久鹏(联系人),男,博士,副教授,zhjiupeng@163.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378073,51408043)、黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室开放基金资助项目(KLTLR-Y11-7)、中央高校基本科研业务经费资助项目(310821152003,310821153502).

中图分类号:U416

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0589-05

引用本文: 王慧，谭好奇，张久鹏.沥青混合料试件成型形状和空隙率对APA车辙试验的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):589-593.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.022.