基于GTM旋转压实参数的AC-13高温性能评价指标研究

杨 博

(湖南湘建检测有限公司，湖南 长沙 410013)

基于GTM旋转压实参数的AC-13高温性能评价指标研究

杨 博

(湖南湘建检测有限公司，湖南 长沙 410013)

采用GTM试验机对工程常用表面层沥青混合料AC — 13进行成型，并对成型试件进行三轴重复加载蠕变试验，检测试件的蠕变劲度模量。蠕变劲度模量能够表征混合料的高温稳定性。对GTM试验过程的6个变量参数与蠕变劲度模量进行回归分析。分析表明：GSI与高温稳定性不具相关性，GSF、GSF/GSI相关系数相对较大，旋压次数N相关性不显著；P1与蠕变劲度模量有良好的相关性，P1能够有效评判AC — 13沥青混合料的高温稳定性,推荐采用其作为沥青混合料高温稳定性的评判指标。

AC — 13; GTM；压实曲线；高温性能；斜率；稳定度指数；GSF

0 引言

目前用于评定(或间接表征)沥青混合料高温稳定性的试验方法较多[1，2]，主要有车辙模拟试验、马歇尔稳定度试验、蠕变试验等，但大都具有局限性。如马歇尔试验的MS和FL两个指标，虽在GBJ 92 — 93中规定采用MS来评价混合料的高温稳定性[3]，但在之后的研究认为MS与路面车辙量之间的相关性不强，MS仅能够一定程度上间接地反映混合料高温时的内聚力[4]。

车辙模拟试验主要有车辙试验、大型直道、环道试验等。小型室内往复式车辙试验因为其试验设备简单，工作原理也比较直观，因此被许多国家广泛接受。但车辙试验主要是模拟车载的重复作用，其评价指标动稳定度，仅是一个经验指标，不能用于力学验算和车辙量化预测。动稳定度是基于碾压至45～60 min过程混合料变形曲线的斜率获得，不能代表沥青混合料的整个永久变形过程，如压实、剪切和流动等。因此，动稳定度相同，混合料的永久变形可能相差很大[5]，且试验条件的波动对动稳定度值存在很大影响[6]。环道试验、直道试验等足尺试验与路面结构及路面实际受力状态一致，检测结果最具代表性，然而足尺试验成本高且循环周期长，仅适用于科学研究。

蠕变试验，如单轴静态蠕变试验、三轴重复加载蠕变试验等，尤其是动态三轴压缩剪切蠕变试验，与道路受力状态十分相似，试验过程能够检测蠕变劲度模量、弹性模量、泊松比以及永久变形与加载频率间的关系[7]，蠕变劲度模量指标与沥青混合料高温性能相关性显著。理论上采用本实验评定混合料抗车辙性能可具代表性，但实验过程对人员以及设备要求较高，难以在全国范围内使用普及。虽然单轴压缩蠕变试验相对简易，但其力学模型不具备横向约束条件的模拟。因此，单轴压缩蠕变试验仅能够用来评判悬浮密实型沥青混合料，其强度贡献主要依靠沥青玛蹄脂的粘附性；而不能够用来评价强度的形成主要依靠骨架间的嵌挤作用的混合料，如骨架空隙型和骨架密实型沥青混合料。

因此，以上所述试验在评定沥青混合料高温性能具有其局限性。GTM试验原理表明其能够用于评定沥青混合料的高温性能，在世界上也是较为前言的评估方法。本文选用工程常用AC — 13表面层沥青混合料，采用GTM试验机成型试件，继而对成型的试件进行三轴重复加载蠕变试验，测得试件的蠕变劲度模量(表征混合料的高温稳定性)。将GTM成型过程的6个变量参数与蠕变劲度模量进行回归分析，与蠕变劲度模量具有良好相关性的参数，用此评定混合料的高温性能，为AC — 13沥青混合料高温稳定性的评价提供一项便捷且具代表性的方法。

1 试验原材料

为尽可能地模拟路面状态，不同级配的沥青混合料为现场摊铺过程摊铺机布料器处取样。采用抽提、筛分检测所取混合料的配比，分别将矿料合成级配曲线按从上至下拟定为细级配、中级配和粗级配，如表1所示。不同油石比的沥青混合料为室内自动拌合机拌制，矿料级配为抽屉筛分的中级配。

沥青为齐鲁70#A级道路石油沥青(表2)。粗、细集料均为破碎玄武岩，矿粉为石灰岩磨细的矿粉。

表1 细、中和粗级配沥青混合料矿料筛分结果

表2 #沥青技术指标

2 试验方案

2.1 GTM成型

沥青混合料旋转压实剪切性能试验(GTM)是美国工程兵团60年代发明的用来解决机场跑道承受重型轰炸机的轮载作用，1978 年被列入美国 ASTM规范，对试件旋转揉搓成型的同时测出材料的抗剪强度及剪应力[9]。GTM能够最大限度地模拟车载对路面的作用，采用了和应力有关的推理方法进行沥青混合料的力学分析和设计，避免了马歇尔等经验方法的不足[10]。

试件的成型采用GTM旋转压实成型，试件成型以极限平衡状态进行控制[9]。GTM试验机滚轴驱动方式为油压式，旋转压实角为0.8°，竖向压力0.7 MPa。试件成型温度150～155 ℃，试件尺寸100 mm×100 mm。在旋压过程沥青混合料的沥青两个重要力学参数：稳定度指数(GSI)和抗剪强度安全系数(GSF)，其中GSI指标表示沥青混合料旋转压实至平衡状态(每旋转压实100次试件密度变化率不大于0.016 g/cm3)时是否会产生塑性形变；表示沥青混凝土被压实到平衡状态时的抗剪强度是否能承受行车荷载作用下所产生的剪应力[11]。故GTM适用于设计高温稳定性优良沥青混合料。此外，GTM试验还能够得到沥青混合料压实至所需抗剪强度的压实曲线。

2.2 三轴重复加载蠕变试验

目前评定沥青混合料高温稳定性的方法较多，而蠕变试验则在世界范围内广受认可。在众多蠕变试验中，三轴重复加载蠕变试验是与路面受力状态最为接近的方法[12，13]。选用工程常用AC — 13沥青混合料，以GTM成型的试件进行蠕变试验，测定其蠕变劲度模量，用以代表沥青混合料的高温稳定性，蠕变劲度模量大则混合料高温稳定性好，蠕变劲度小则高温稳定性差。

在汽车荷载作用下，沥青路面的永久变形主要发生在气温高于25 ℃，路表温度高于40 ℃的高温情况[14]。在40 ℃以下，沥青混合料产生的永久变形小，且我国车辙试验及马歇尔稳定度试验温度均选取60 ℃，故试验温度选取60 ℃。采用英国生产的Cooper NU — 14试验系统进行三轴重复加载蠕变试验，检测重复加载结束时混合料的蠕变劲度模量，以评定沥青混合料的高温稳定性。蠕变试验试验参数选取：半正弦波间歇荷载，每次加载和卸载时间分别为0.2 s和0.8 s；竖向压力为0.7 MPa，围压为0.1 MPa。

3 试验结果及分析

虽然GTM试验所得GSI和GSF理论上能够反映混合料高温剪切变形性能，实际上仍需进一步分析。旋压过程的压实曲线包含了很多有用信息，通过对压实曲线的剖析，很有可能得到能够反映混合料高温稳定性的参数。

对旋压过程试件密度与旋转次数进行回归分析，知二者存在对数关系，且相关系数达R2=0.96，表明相关性良好[15]。路面摊铺现场所得沥青混合料的密度一般约为GTM旋压成型试件密度的97%。对压实曲线进行对数模型回归，并考虑将旋压至极限平衡状态的参数GSI，GSF，GSF/GSI以及P1、P2作为沥青混合料高温稳定性的评定指标。其中P1为试件初始压实至97%压实度过程压实曲线的平均斜率，P2为试件97%压实度至压实至极限平衡状态压实曲线的平均斜率。如本文引言所述，蠕变劲度模量评价沥青混合料高温性能最具代表性。故为了能够将各指标与沥青混合料高温性能相联系，特对GTM旋压成型的试件进行三轴重复加载蠕变试验，检测试件的蠕变劲度模量。

3.1 试验结果汇总

分别对油石比为4.4%粗、中、细级配的AC — 13沥青混合料旋转压实成型和三轴重复加载蠕变试验，旋转压实曲线参数结果见表3，不同油石比AC — 13中级配沥青混合料旋转压实参数及三轴重复加载蠕变试验结果表4。

表3 不用级配混合料旋转压实参数以及三轴重复加载蠕变试验结果

表4 不同油石比混合料旋转压实参数以及三轴重复加载蠕变试验结果

3.2 试验结果分析

由表3知，AC — 13不同级配混合料中，粗级配的蠕变劲度模量最大，高温稳定性最好，粗级配混合料比细级配提高43.5%；由表4知，不同油石比的AC — 13中级配混合料，随着油石比的提高，混合料的蠕变劲度模量降低，油石比由3.8%增加至5.0%，蠕变劲度模量降低51.4%。即随着油石比的增大，沥青混合料的高温性能下降，此趋势与工程经验相符。

将不同级配(粗、中、细)AC — 13GTM试验各参数与蠕变劲度模量进行回归分析，如图1所示。

由图1得不同级配AC — 13混合料压实曲线参数与蠕变劲度模量线性回归相关系数，相关系数由大到小依次为：P1>P2>旋压次数N>GSF/GSI>GSF>GSI。P1与蠕变劲度模量的相关系数最大，相关系数为R2=0.986 2，为高度相关；GSI与蠕变劲度模量的相关系数小于0.3，与蠕变劲度模量不具相关性。

图1 不同级配各参数与蠕变劲度模量

将不同油石比AC — 13GTM试验各参数与蠕变劲度模量进行回归分析，见图2。

由图2得不同油石比AC — 13混合料压实曲线参数与蠕变劲度模量线性回归相关系数，相关系数由大到小依次为：P1>GSF/GSI>GSF>P2>GSI>旋压次数N。旋压次数N与蠕变劲度模量的相关系数最小，甚至小于0.3，表明旋压次数N与蠕变劲度模量不具相关性。与不同级配AC — 13混合料压实曲线参数与蠕变劲度模量线性回归相比，P1相关系数均最大，表明GTM试验压实曲线参数中P1是具沥青混合料的高温稳定性代表性的一个重要参数。

图2 不同油石比各参数与蠕变劲度模量

对不同级配和不同油石比压实曲线参数与蠕变劲度模量回归分析相关系数汇总，如表5所示。

表5 GTM试验压实曲线参数与蠕变劲度模量线性回归相关系数汇总

表5中不同级配和不同油石比GTM试验所有参数与蠕变劲度模量回归分析相关系数汇总知，GSI与沥青混合料蠕变劲度模量的相关系数R2的平均值最小，表明GSI与高温稳定性不具相关性；GSF、GSF/GSI与沥青混合料蠕变劲度模量的相关系数相对较大，接近高度相关；旋压次数N与沥青混合料蠕变劲度模量R2为0.529 1，小于0.800，属于中度相关范围。

压实曲线平均斜率P1与蠕变劲度模量的相关系数最大，R2平均值为0.967 4，接近1.00，相关性最好；压实曲线平均斜率P2次之，但相关系数R2的平均值也超过0.80。进一步表明P1和P2与沥青混合料高温稳定性具有良好的相关性。

推荐采用压实曲线平均斜率P1评定AC — 13沥青混合料的高温稳定性，随着平均斜率P1的减小蠕变劲度模量增大，即混合料高温稳定性增强。平均斜率P1小，表明混合料具有好的高温稳定性；平均斜率P1大，表明混合料的高温稳定性相对较差。

4 结论

1)AC — 13不同级配混合料中，粗级配的蠕变劲度模量最大，高温稳定性最好；随着油石比的提高，混合料的蠕变劲度模量降低，沥青混合料的高温性能下降。

2)不同油石比AC — 13混合料压实曲线参数与蠕变劲度模量线性回归相关系数，相关系数由大到小依次为：P1>P2>GSF/GSI>GSF>旋压次数N>GSI；不同级配则为：P1>GSF/GSI>GSF>P2>GSI>旋压次数N。

3)GSI与高温稳定性不具相关性；GSF、GSF/GSI与沥青混合料蠕变劲度模量接近高度相关；旋压次数N与沥青混合料蠕变劲度模量中度相关。

4)推荐采用压实曲线平均斜率P1评定AC — 13沥青混合料的高温稳定性，随着平均斜率P1的减小蠕变劲度模量增大，即混合料高温稳定性增强。平均斜率P1小，表明混合料具有好的高温稳定性；平均斜率P1大，表明混合料的高温稳定性相对较差。

[1] 叶遇春. 沥青混合料高温稳定性评价指标的试验研究[J]. 中外公路，2004(3)：87-90.

[2] 姚祖康. 对国外沥青路面设计指标的评述(续)[J]. 公路，2003(4)：49-56.

[3] 李闯民，李元元，李宏高. 30#沥青混合料设计及施工监控过程灰关联分析[J]. 长沙理工大学学报，2015(1)：10-17.

[4] 沈金安. 关于沥青混合料的均匀性和离析问题[J]. 公路交通科技，2001，18(6)：20-24.

[5] 陈忠达，袁万杰，薛航，等. 沥青混合料高温性能评价指标[J]. 长安大学学报(自然科学版)，2006，26(5)：1-4.

[6] 孟书涛，黄晓明，范要武，等. 沥青混合料动稳定度试验的分析[J]. 公路交通科技，2005，22(11)：14-18.

[7] 樊统江，何兆益. 沥青混合料蠕变劲度模量的静态和动态响应[J]. 建筑材料学报，2008(6)：736-740.

[8] JTG F40 — 2004,公路沥青路面施工技术规范[S] .

[9] 任立锋. 沥青混合料设计GTM成型方法的研究[D]. 长春：吉林大学，2006.

[10] JTG E20 — 2011, 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[11] 刘朝晖，沙庆林. 超薄层沥青混凝土SAC — 10矿料级配比较试验研究[J]. 中国公路学报，2005，18(1)：7-14.

[12] Williams, C. R.,Prowell B. D. Comparison of Laboratory Wheel-Tracking Test Results to WesTrack Performance. In Transportation Research Record[J]. Transportation Research Board No. 1681 ,TRB , National Research Council , Washington , D.C., 2000.

[13] Brown,E. R. , Kandhal P. S. , Zhang J. Performance Testing for Hot Mix Asphalt[R]. NCAT Report No. 2001-05, Auburn, Ala:2015.

[14] 祁峰. 采用蠕变试验评价沥青混合料的高温稳定性研究[D]. 西安：长安大学，2009.

[15] 吴传海. 重载交通沥青路面车辙成因及混合料组成设计研究[D]. 西安：长安大学，2008.

1008-844X(2017)02-0068-04

U 414

A