混合料疲劳试验机(面向长寿命路面的不同成型方法沥青混合料性能评价)

Posted 2023-06-01

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混合料疲劳试验机(面向长寿命路面的不同成型方法沥青混合料性能评价)

熊少辉 郑远彪 王华涛 蒋应军 易勇

宁波市交通规划设计研究院有限公司 长安大学公路学院

摘 要：长寿命沥青路面是中国路面发展的焦点，而设计方法决定了沥青路面的压实标准与质量，研究提出适应现代施工机械的设计方法是实现路面长寿命的有效途径。研究了垂直振动法(VTM)、马歇尔法(Marshall)和旋转压实法(GTM)对AC-16沥青混合料性能的影响，结果表明：VTM法与GTM法设计的AC-16混合料密度基本相当，约为Marshall法的1.02倍；与Marshall设计法相比，VTM法与GTM法设计的AC-16油石比降低了9.0%,力学性能、动稳定度、抗弯拉强度至少分别提高了30%、34%、17%,水稳性略有提升。可见，VTM法设计AC-16沥青混合料与GTM法设计的混合料具有相同的路用性能。

关键词：道路工程;沥青混合料;垂直振动成型方法;马歇尔方法;旋转压实法;

基金：宁波市交通运输科技项目,项目编号202006;

沥青混合料设计是影响沥青路面使用性能与施工质量的关键环节[1],是实现长寿命路面的必要条件。沥青混合料中具有代表性的设计方法主要有马歇尔(Marshall)法、GTM(旋转压实)法、Superpave法[2,3,4]。随着交通快速发展、长寿命路面设计理念的提出，Marshall法已越来越不适应现今道路要求。马歇尔法为击实成型试件，与实际车辆荷载对路面振动压实和揉搓压实作用相比差距较大，且与现代重交通水平不符[5,6,7]。而设备价格昂贵的揉搓压实法和旋转压实法，尽管与实际工程相关性较好，但难以大规模推广[8,9,10,11]。沥青混合料设计在长寿命路面应用过程中非常重要，亟需一种沥青混合料成型方法为长寿命路面设计服务。

因此，境内外研究者对沥青混合料振动成型方法展开了研究。Hu等通过室内沥青混合料振动压实机对3种沥青混合料的压实特性进行了评估[12]。Liang通过马歇尔法和旋转压实法对比分析了温拌再生沥青混合料的性能，结果表明：旋转压实法比马歇尔法成型试件性能好[13]。Jiang等研究了垂直振动法和马歇尔法设计的沥青混合料的弯曲拉伸疲劳性能，结果表明：垂直振动法比马歇尔法成型的沥青混合料疲劳寿命提高了至少 61% [14]。魏海斌等[15]、李鹏飞等[16]通过研究垂直振动成型法和马歇尔击实法对沥青混合料力学性能和空隙分布特征的影响，发现垂直振动成型的试件具有更好的力学性能，且试件的孔隙结构与力学性能呈现指数分布。杨瑞华等研究不同成型方法对SAC沥青混合料的路用性能影响，结果表明：采用旋转压实100次成型，可实现较好的路用性能[17]。王瑞林等认为根据马歇尔-轮碾分步设计法，其温拌沥青混合料与热拌沥青混合料相比，水稳定性及疲劳性能均好[18]。综上，对沥青混合料振动成型方法的研究大多是检验成型方法对混合料性能的影响，但使用马歇尔法成型的试件密度略低，不能满足长寿命路面对现今重交通荷载沥青混合料的密度要求，与推进长寿命路面成熟发展的要求相距甚远。

鉴于此，蒋应军等通过现场调查，根据路面早期损坏情况，提出了重交通压实标准以及垂直振动成型方法(VTM)。其VTM试件与路面芯样相关性可达93%[19]。通过文献[20,21,22,23,24]进一步验证，认为VTM设计方法可用于长寿命路面中沥青混合料的成型。本文通过室内试验，以AC-16沥青混合料作为研究对象，对比研究Marshall法、GTM法和VTM法对沥青混合料路用性能的影响，验证沥青混合料VTM法的可靠性和优越性，进而展开对长寿命路面路用性能的研究。

1 原材料、矿料级配及试验方法

1.1原材料

1.1.1沥青

试验用沥青为SBS(I-C)改性沥青，其技术指标见表1。

表1 SBS(I-C)改性沥青技术指标 导出到EXCEL

1.1.2矿料

粗集料为斜长角闪岩，细集料是机制砂，矿粉由某公司生产。矿料符合相关规范要求，技术性质略。

1.2矿料级配

本文采用AC-16型沥青混合料为研究对象，其矿料级配见表2。

表2 AC-16沥青混合料矿料级配 导出到EXCEL

1.3试验方法

试验均按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的要求进行。

1.3.1抗剪强度试验

抗剪强度采用单轴贯入试验测定[25,26,27]。采用贯入杆直径为28.5 mm的万能试验机，试验温度为60℃,加载速率为1 mm/min。试验模型及方法如图1所示。

抗剪强度按公式(1)、公式(2)计算。

Rg=4Pπd2         (1)Rg=4Ρπd2         (1)

τd=0.339×Rg (2)

式中：Rg为试件竖向压应力，MPa; P为试件破坏时的极限荷载，N;d为贯入杆直径，mm; τd为抗剪强度，MPa。

1.3.2SCB抗弯拉强度试验

沥青混合料抗弯拉强度采用半圆弯曲试验(SCB)测定[28,29]。该试验在简支半圆形试件跨中，对试件施加一定集中荷载至试件发生断裂破坏，并根据破坏时的最大荷载计算试件的抗弯拉强度。试验模型及试验方法如图2所示。试验温度为25℃,加载速率为50 mm/min。所用压条及支座采用直径0.8 cm的圆条。

图1 单轴贯入试验模型及过程 下载原图

图2 沥青混合料SCB试验模型 下载原图

SCB抗弯拉强度按式(3)计算。

σ=12Patd2         (3)σ=12Ρatd2         (3)

式中：σ为抗弯拉强度，MPa; P为试件破坏时的最大荷载，N;d为试件直径，mm; 2a为支座间距，mm, 一般取0.8 d;t为试件厚度，mm。

2 不同成型方法

2.1马歇尔法(Marshall)

根据体积设计概念，马歇尔法认为沥青混合料的体积参数与路用性能有一定的关系。当混合料的体积设计参数如密度(ρ)、空隙率(VV)、沥青饱和度(VFA)、矿料间隙率(VMA)等，满足相应要求时，认为沥青混合料具有适当的空隙率、饱和度，能获得沥青混合料中沥青的最佳掺量，从而得到较好的路用性能。技术指标及成型方法如表3所示。

表3 马歇尔法技术指标 导出到EXCEL

2.2旋转压实法(GTM)

GTM法采用力学设计理念，认为沥青混合料若要获得良好的路用性能，其抗压、抗剪强度及密实度必须达到一定的要求，从而得到混合料设计密度及最佳沥青掺量。其成型方法及技术指标如表4所示。

表4 GTM法技术指标 导出到EXCEL

2.3垂直振动成型法(VTM)

VTM方法采用体积设计概念。在建立沥青混合料体积参数与路用性能良好对应关系的基础上，提出了基于性能最优原则的体积设计标准。垂直振动仪(Vertical Vibration Testing Equipment)用于试件成型。垂直振动压实机是指没有水平方向的激振力，只有垂直方向的激振力。振动频率为37 Hz±2 Hz, 名义振幅为1.2 mm, 车上工作质量为1.2 kN。振动压实时间为60 s, 下车工作质量为1.8 kN。成型方法及技术指标如表5所示[25]。

表5 VTM法技术指标[25]25] 导出到EXCEL

3 成型方法对沥青混合料性能影响

3.1对体积参数的影响

不同设计方法下的AC-16沥青混合料最佳油石比及性能参数如表6所示。

与Marshall法相比，VTM法与GTM法确定的混合料密度分别提升了1.8%、2.2%。即VTM法与GTM法确定的混合料密度基本相当，也与文献[23]提出的重交通沥青混合料压实标准(为马歇尔密度×1.02)基本一致。可见，VTM法和GTM法相比Marshall法适应了现代重交通的发展。

表6 AC-16沥青混合料不同设计方法结果对比 导出到EXCEL

Marshall法确定的最佳油石比为4.4%,VTM法与GTM法确定的沥青混合料最佳油石比均为4.0%。与Marshall法相比，GTM法与VTM法确定的油石比降低了9%。这是因为Marshall法成型试件密度较小、VMA偏大，为了保证VV满足技术要求，势必会增加沥青掺量。

3.2对力学性能的影响

AC-16沥青混合料在不同设计方法下的力学性能如表7所示。其中，马歇尔法、GTM法、VTM法设计的沥青混合料的各种力学性能使用R(M)、R(G)、R(V)分别代表。

表7 AC-16沥青混合料不同设计方法力学性能对比 导出到EXCEL

由表7可知：VTM与GTM沥青混合料的力学性能基本相当，与Marshall相比，VTM与GTM沥青混合料力学性能至少提高了30%。究其原因，主要是由试件密度、油石比及成型方式间的差异所致。

(1)密度的影响：

已有研究成果[23]表明，压实度增加1%,混合料力学性能、动稳定度分别可提高13%、20%。而VTM法与GTM法确定的混合料密度分别为Marshall法的1.018倍和1.022倍。这是VTM法与GTM法设计的AC-16路用性能高于Marshall法的主要原因之一。

(2)油石比和成型方式的影响：

GTM法与VTM法确定的油石比较Marshall法降低了9%,减少了自由沥青，增大了集料间摩阻力和沥青黏聚力。此外，VTM法与GTM法成型方式更有利于矿料颗粒重新排列。

3.3对高温性能的影响

采用轮碾仪碾压成型车辙板，不同设计方法之间的差别仅体现在成型密度与油石比两方面，试验结果见图3,由图3可得到如下结论。

(1)与Marshall法相比，VTM与GTM沥青混合料动稳定度分别提高34.3%、39.4%,后两者动稳定度基本相当。

(2)采用VTM法与GTM法设计AC-16时最佳油石比相同，由于试验误差，后者密度较前者高0.4%,而动稳定度提高了3.8%。由此可知，沥青混合料密度每提高1%,动稳定度可提高9.5%。

图3 不同设计方法沥青混合料高温性能对比 下载原图

(3)与Marshall方法相比，采用VTM方法设计AC-16沥青混合料时油石比降低了9%,密度和动稳定度分别增大了1.8%、34.3%。由此可知，因密度增大1.8%,动稳定度可提高17.1%;油石比降低9%,动稳定度可增大17.2%。

3.4对低温性能的影响

不同方法设计的沥青混合料低温性能如图4所示，由图4可得到如下结论。

(1)与Marshall法相比，VTM与GTM沥青混合料抗弯拉强度分别提高17.3%、20.4%,弯拉应变分别减小了6.4%、7.4%,即后两者低温性能基本相当。

(2)采用VTM法与GTM法设计AC-16最佳油石比相同，由于试验误差，后者密度较前者高0.4%,而抗弯拉强度提高了2.6%。由此可知，沥青混合料的压实度每提高1%,抗弯拉强度则可提高6.5%。

图4 不同方法设计的沥青混合料低温性能对比 下载原图

图5 不同方法设计的沥青混合料水稳定性对比 下载原图

(3)与Marshall相比，采用VTM法设计AC-16沥青混合料时油石比降低了9%,密度、抗弯拉强度分别增大了1.8%、17.3%。由此可知，压实度增大1.0%,抗弯拉强度可提高11.7%;油石比降低9%,抗弯拉强度可增大5.6%。

3.5对水稳性能的影响

不同设计方法下AC-16沥青混合料的水稳定性能如图5所示。

由图5可知：3种方法设计的沥青混合料，其残余稳定度与冻融劈裂强度比值分别满足规范要求的85%和80%,采用VTM法和GTM法设计时沥青混合料的残余稳定度和冻融劈裂强度比均比Marshall法略有提高。究其原因，主要是因为VTM法与GTM法所采用成型方式更接近现场实际，成型混合料矿料颗粒空间排列更加合理，所成型试件密度大、空隙率低，水分不易渗入，从而具有较好的水稳定性。

4 结语

(1)VTM法与GTM法设计的AC-16混合料密度基本相当，约为Marshall的1.02倍；与Marshall设计法相比，VTM法与GTM法设计的沥青混合料油石比降低了9.0%,力学性能至少提高了30%,动稳定度分别提高了34.3%、39.4%,抗弯拉强度分别提高了17.3%、20.4%,水稳定性略有提升。

(2)相比Marshall法，VTM法和GTM法设计的AC-16沥青混合料密度增大1.8%,动稳定度、抗弯拉强度可分别提高17.1%、11.7%;油石比降低9%,动稳定度、抗弯拉强度可分别提高17.2%、5.6%。

(3)VTM法与GTM法设计的沥青混合料性能相当，指标性能均优于Marshall法。考虑到GTM法成型设备昂贵因而难以大范围推广，建议优先采用VTM法进行沥青混合料配合比设计。

参考文献

[1] 顾倩俪，寇长江，康爱红，等.混合长度玄武岩纤维沥青混合料性能试验研究[J].中国科技论文，2020,15(12):1429-1434+1446.

[2] Xu B,Chen J,Zhou C,et al.Study on Marshall Design parameters of porous asphalt mixture using limestone as coarse aggregate[J].Construction & Building Materials,2016,124:846-854.

[3] Coleri E,Harvey J T,Signore J M,et al.Comparison of Rutting and Cracking Performance Estimates for Hveem and Superpave Mix Designs Utilizing CalME Mechanistic Analysis[C]// Transportation Research Board 94th Annual Meeting,2015.

[4] 柴金玲，栗威.基于GTM的沥青混合料配合比设计方法试验研究[J].材料导报，2020,34(S2):1283-1287.

[5] Rodrigo Pires Leandro,Kamilla L Vasconcelos,Liedi Légi Bariani Bernucci.Evaluation of the laboratory compaction method on the air voids and the mechanical behavior of hot mix asphalt[J].Construction and Building Materials,2017,156.

[6] Zhang Jialin,Zheng Mulian,Xing Xiangyang,et al.Investigation on the designing method of asphalt emulsion cold recycled mixture based on one-time compaction[J].Journal of Cleaner Production,2021,286.

[7] 蒋应军，张勇，张大强，等.不同方法设计SMA沥青混合料路用性能评价[J].公路交通技术，2020,36(3):31-36.

[8] 冯新军，康起.试验室压实方法对热拌沥青混合料空隙率及力学性能的影响[J].中外公路，2020,40(3):291-297.

[9] Bi Yanqiu,Huang Jianyou,Pei Jianzhong,et al.Compaction characteristics assessment of Hot-Mix asphalt mixture using Superpave gyratory compaction and Stribeck curve method[J].Construction and Building Materials,2021,285.

[10] 牛岩，张晨晨，王旭东，等.中法沥青混合料压实特性研究[J].公路，2018,63(11):89-93.

[11] 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.

[12] Hu W,Jia X,Huang B,et al.Evaluation of compactability of asphalt mixture utilizing asphalt vibratory compactor[J].Construction & Building Materials,2017,139:419-429.

[13] Shengchao Liang.Performance Comparison of Different Molding Methods of Sasobit Warm Mix Recycled Asphalt Mixture[J].International Journal of Civil Engineering and Machinery Manufacture,2016,1(2).

[14] Yingjun Jiang,Changqing Deng,Jinshun Xue,et al.Investigation of the fatigue properties of asphalt mixture designed using vertical vibration method[J].Road Materials and Pavement Design,2020,21(5).

[15] 魏海斌，王相焱，王富玉.基于振动成型AC-25沥青混合料力学性能及细观分析[J].吉林大学学报：工学版，2021,51(4):1269-1276.

[16] 李鹏飞，张海涛，马盛盛，等.不同成型方法对沥青混合料回弹模量的影响[J].科学技术与工程，2019,19(32):322-325.

[17] 杨瑞华，彭妙娟.沥青混合料设计成型方法对SAC沥青混合料路用性能的影响[J].土木工程与管理学报，2018,35(3):96-99+105.

[18] 王瑞林，张晓燕.基于分步设计的温拌沥青混合料温度设计方法[J].建筑材料学报，2017,20(2):305-309.

[19] 蒋应军，倪辰秧，张宇，等.垂直振动压实法成型SMA-13混合料体积参数设计标准研究[J].大连理工大学学报，2021,61(2):189-196.

[20] Yingjun Jiang,Jinshun Xue,Zhejiang Chen.Influence of volumetric property on mechanical properties of vertical vibration compacted asphalt mixture[J].Construction and Building Materials,2017,135:612-621.

[21] 陈浙江，徐晓和，蒋应军.重交通道路沥青混合料压实标准及评价[J].交通标准化，2014,42(7):22-26+32.

[22] 姚林虎.沥青混合料试件垂直振动成型方法研究[D].长安大学，2012.

[23] 苏勇文.AC-20沥青混合料试件垂直振动方法及设计方法研究[D].长安大学，2013.

[24] Changqing Deng,Yingjun Jiang,Hongwei Lin,et al.Influence of gradations on performance of emulsified asphalt cold recycled mixture produced using vertical vibration compaction method[J].Road Materials and Pavement Design,2021,22(5).

[25] Ren R,Geng L,An H,et al.Experimental research on shear fatigue characteristics of asphalt mixture based on repeated uniaxial penetrating test[J].Road Materials & Pavement Design,2015,16(2):459-468.

[26] 吴文亮，斯李，卢家志.基于虚拟单轴贯入试验研究集料对沥青混合料抗剪性能的影响[J].公路交通科技，2021,38(2):1-8.

[27] L F Fan,L N Y Wong,G W Ma.Experimental investigation and modeling of viscoelastic behavior of concrete[J].Construction and Building Materials,2013,48 :814-821.

[28] Serin Sercan,Emirogˇlugˇlu Mehmet,Gönül Veysel Ekrem.Investigation of the fracture energy of hot mixtures asphalt incorporating metallic wastes via semi-circular bending test[J].Construction and Building Materials,2021,300.

[29] Lu Dai Xuan,Nguyen Nhu H T,Saleh Mofreh,et al.Experimental and numerical investigations of non-standardised semi-circular bending test for asphalt concrete mixtures[J].International Journal of Pavement Engineering,2021,22(8).

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