基于旋转压实法的沥青混合料劈裂抗拉强度试验分析

■李艳月

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 前言

沥青混合料劈裂试验使试件圆柱体侧面处于荷载作用的状态， 由于在荷载作用下沥青混合料试件中心部位材料处于拉伸状态， 所以劈裂试验也可称为间接拉伸试验。 我国沥青路面设计规范计算层底拉应力时， 正是采用了间接拉伸试验得到的强度。 沥青混合料面层通常是采用多层摊铺的形式，使用摊铺机摊铺沥青混合料，在沥青混合料得到充分压实并自然冷却后可开放交通。 沥青混合料试件制作通常采用击实的方式压实， 但击实的方式容易导致沥青混合料的碎石出现被砸裂的情况， 对评价沥青混合料的劈裂抗拉强度不准确[1-5]。 因此，为模拟沥青混合料压实之后的强度，本文以密集配沥青混合料AC-13C 为试验对象，通过设计集料配合比， 使用沥青混合料拌和机拌制AC-13C 沥青混合料， 采用旋转压实法对沥青混合料进行压实， 并对旋转压实的沥青混合料试件与击实压实的沥青混合料试件进行劈裂抗拉强度试验， 从而评价旋转压实法沥青混合料试验的性能。

2 沥青混合料配合比设计

为保证旋转压实的沥青混合料试件与击实压实的沥青混合料试件是使用同种材料、在同种环境中制作，2 种压实方式的沥青混合料配合比都取相同。 沥青混合料试验选用标准马歇尔试件，直径为101.6 mm，高度为63.5 mm（图1）。 试验所采用的沥青是SBS 改性沥青，粗集料是玄武岩（>2.36 mm），细集料是机制砂（<2.36 mm），矿粉是采用研磨后的石灰岩矿粉（<0.075 mm）。集料需要经过方孔筛筛分后才能使用。根据国家规范要求《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），沥青混合料各不同粒径集料与所选用最佳沥青用量如表1 所示。

图1 标准马歇尔试件

表1 AC-13C 沥青混合料级配及沥青用量

3 沥青混合料拌制过程

沥青混合料经过配合比设计后， 将原材料放入烘箱中加热备用。本文选取SBS 改性沥青，因此配制沥青混合料的集料、矿粉、沥青等的预热、拌和、压实、脱模的温度需要适当提高，设定拌和温度为165℃， 拌和完成后入模时的压实温度为150℃。 拌和机具有自动加热功能，并且能保持温度， 拌和机的叶片能够自转和公转， 叶片性能良好，能使沥青混合料充分搅拌，根据试验规程选用自转70 r/min，公转40 r/min 的拌和速度，拌和机如图2 所示。 首先，将加热的粗细集料倒入拌和机的料斗，人工适当搅拌均匀，然后加入SBS 改性沥青，开动搅拌机搅拌90 s，暂停搅拌加入矿粉，然后继续搅拌90 s。

图2 拌合机搅拌沥青混合料

4 旋转压实沥青混合料

旋转压实仪主要由反力架、加载装置、旋转基座、计算机控制系统、内旋转角测量装置、试模、锤头（上压盘）、底座（下压盘）、测力装置和压力传感器等组成[6-11]。 试模采用钢材制造，试模壁的厚度大于7.5 mm， 试模内壁应足够光滑，φ101.6 mm 试件的试模内径为101.5 mm。旋转压实步骤如下：（1）打开压实仪的电源开关、配件的电源开关、计算机，并与压实仪连接。 （2）设定旋转压实仪旋转角、垂直压力和旋转速率。 有效内旋转角为1.16°，垂直压力为600 kPa，旋转速率为30 r/min。 （3）设定要求的旋转压实次数作为试验结束条件，分别为90 次、120 次、150 次。 （4）当旋转压实仪压头具有保温功能时，在旋转压实前需将压头加热保温不少于15 min。 （5）用蘸有少许黄油的棉纱擦净试模及下压盘等, 然后置烘箱中加热并保持到压实温度±5 ℃，恒温不少于45 min。 （6）将沥青混合料拌和好后,均匀称取一个试件所需的混合料质量，混合料的质量应使成型后的试件高度达到试验所需高度±3 mm。（7）从烘箱中取出预热的试模、下压盘，在下压盘上垫一张圆形纸片，防止沥青粘到下压盘上。 将称好的沥青混合料迅速倒入试模内，将混合料的表面整平，然后在顶面盖上一张圆形纸片（图3）。（8）将盛有沥青混合料的试模放入旋转压实仪中，启动计算机（或控制面板），设定各试验参数，开动旋转压实仪，将压实棰头降下，直至施加的压力达到设定值±18 kPa。 旋转压实仪将按照设置的旋转次数开始自动成型试件。 （9）试验过程中自动连续记录不同压实次数下的试件高度，并显示垂直压力。 升起旋转压头，从旋转压实仪中取出试模（图4）。 （10）刚成型好的热试件不宜马上脱模，需在室温下适当冷却。 （11）用于测定试件体积参数时平行试验一般不少于4 个。 按照式（1）计算不同旋转压实次数下的试件密度，取3 位小数。

图3 沥青混合料入模

图4 沥青混合料试件脱模

式（1）中： ρx为不同旋转压实次数下的试件密度（体积法）（g/cm3）；m 为沥青混合料试件质量（g）；hx为不同旋转压实次数下的试件高度（mm）；d 为试模的直径（mm）。

分别计算压实旋转次数分别为90 次、120 次、150 次的试件密度（表2）。 在压实方式为旋转压实的情况下，随着旋转压实次数的增加，沥青混合料的密度也随之增加， 从90 次增加至120 次的情况下密度增加了0.053 g/cm3，而从120 次增加至150次的情况下密度仅增加了0.013 g/cm3（表2），可知在旋转次数90 次的情况下沥青混合料的压实密度还不足够，而旋转次数增加至150 次时，相较于120次旋转次数的增加对沥青混合料的密度增长作用不大， 所以本文选择120 次作为测定劈裂抗拉强度的试验压实次数。 同时，测得压实后的不同旋转压实次数下的沥青混合料压实度，结果显示90 次压实情况下的压实度平均值为95.4%；120 次压实情况下的压实度平均值为97.5%；150 次压实情况下的压实度平均值为97.8%。 通过对压实度数据进行对比， 且由于在沥青混合料的路面施工中需要达到96%以上的压实度， 因此选择120 次压实遍数的沥青混合料较为合理， 可以更好地满足压实效果。

表2 不同旋转压实次数下的试件密度

当采用击实压实法压实φ101.6 mm×63.5 mm沥青混合料时，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，使击实锤从457 mm 的高度自由落下到击实规定的次数 （选取75 次）， 经检测压实度为96.4%； 结果显示旋转压实法采用120 次的压实次数所达到的压实度高于击实法压实。

5 沥青混合料劈裂抗拉强度试验

劈裂抗拉试验通过沿沥青混合料圆柱体的侧面加载（图5），使荷载从加载侧面传递到底部侧面，沥青混合料的中间附件材料承受拉应力。 材料试验机安装有记录荷载传感器和竖直位移传感器，可以测定加载的力和位移数值。 根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定，在温度为15℃的环境下进行试验， 加载头加载速率为50 mm/min，试件直径为100 mm±2.0 mm，劈裂试验压条宽度为12.7 mm。 劈裂试验强度按式（2）进行计算。

图5 劈裂抗拉强度

式（2）中：RT为劈裂抗拉强度（MPa）；PT为试验荷载的最大值（N）；h 为试件高度（mm）。

对经过120 次旋转压实的AC-13C 沥青混合料进行劈裂抗拉强度试验， 测试结果如表3 所示；对采用击实压实的沥青混合料进行劈裂试验，测试结果如表4 所示。 同时对比2 种测试方法的劈裂抗拉强度趋势变化情况如图6 所示。

图6 2 种压实方法劈裂抗拉强度

表3 旋转压实法AC-13C 沥青混合料劈裂抗拉强度

表4 击实压实法AC-13C 沥青混合料劈裂抗拉强度

从表3、4 和图6 可知，旋转压实法沥青混合料劈裂抗拉强度均值为1.319 MPa， 击实压实法沥青混合料劈裂抗拉强度均值为1.282 MPa， 且旋转压实法沥青混合料劈裂抗拉强度的标准差比击实压实法的标准差小，可以得出沥青混合料使用旋转压实法能够在确保沥青混合料压实度的同时，保证沥青混合料集料的完整性，避免击实法击实过程中击实面受到冲击，保证了沥青混合料的测试数据的准确。 旋转压实法得出的劈裂抗拉强度数据更为稳定，压实过程模拟了类似压路机的压实原理更符合沥青混合料的压实要求。

6 结论

（1）本文以密集配沥青混合料AC-13C 为试验对象， 采用旋转压实法对沥青混合料进行压实，经过测定不同旋转压实次数的沥青混合料试件的密度，可知选用120 次旋转压实的沥青混合料能达到较好的压实效果。

（2）通过对比旋转压实法AC-13C 沥青混合料劈裂抗拉强度和击实压实法AC-13C 沥青混合料劈裂抗拉强度，表明旋转压实法能够保证沥青混合料压实度的同时，避免在击实法击实过程中击实面受到冲击。

（3）旋转压实法模拟了类似压路机的压实原理更好符合沥青混合料的压实要求，因此在制作沥青混合料试件时采用旋转压实法是合理可行的。