蠕变试验评价沥青稳定碎石高温流动变形性能--改稿

蠕变试验评价沥青稳定碎石高温流动变形性能杨大田1， 夏文军2， 杨锡武1（1. 重庆交通大学山区道路建设与维护技术实验室，重庆市 400074，2.重庆高速公路发展有限公司渝东分公司，重庆市 401147）摘要：本文基于大型马歇尔试验确定6种沥青稳定碎石混合料的最佳油石比，击实成型蠕变试验试件。利用单轴静态蠕变试验结果蠕变模量和拟合曲线斜率值，及动态蠕变试验拟合曲线斜率值综合评价6种沥青稳定碎石抗高温流动变形能力，试验表明在矿料级配范围上限与中值之间的沥青稳定碎石混合料抗高温变形能力最强。因此，在沥青稳定碎石混合料组成设计时矿料级配曲线应在上限与中值之间；特别地，ATB-25矿料级配曲线应靠近中值，ATB-30矿料级配曲线应靠近上限。关 键 词：蠕变，沥青稳定碎石，流动变形中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：The Creep Experiments Evaluating the Flowing Deformation of the Asphalt-treated Permeable Base in High Temperature ConditionYang Datian1 Xia Wenjun2 Yang Xiwu1(1.Hi-tech Laboratory for Mountain Road Construction and Maintenance, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China 2.Chongqing Yudong Expressway Co.Ltd,Chongqing,401147,China)Abstract: In this text, firstly the optimum asphalt content of six kinds of asphalt-treated permeable bases according to large scale Marshall test. The samples of using the creep test are stroked by the large scale Marshall sample. Creep modulus and value gained by the static creep experiment evaluate the flowing deformation of six types of asphalt-treated permeable bases on the high temperature .At the same way, value gained by the dynamic creep test also can do this. This studies Certificate the best ant-deforming abilities of mixtures between upper limit to the middle value in the minerals aggregate grades on the high temperature condition. Therefore, minerals aggregate grade curve should be between upper limit to the middle value; ATB-25 should close to the medium value, and ATB-30 should close to the upper limit.Key words: Creep, the Asphalt-treated Permeable Base, Flowing deformation71 引言收稿日期：2008-01-25；修订日期：2008-2-26作者简介：杨大田（1973-），男，重庆市人，硕士生，主要从事路面材料和结构设计研究及实验教学.Email：tywo沥青稳定碎石基层具有半刚性基层所不具备的优点，因此近年来在我国高速公路沥青路面结构中得到广泛使用，许多学者对沥青稳定碎石的组成设计、路面性能进行广泛研究，少数学者还对13个矿料级配类型混合料做了静态蠕变试验15；文献1指出柔量一时间半对数曲线直线部分的截距a值和斜率m值越大，混合料的高温性能越差，相关性相对较差；文献2研究表明,蠕变试验是评价材料的抗变形性能和预估材料发生永久变形的简便、有效的方法，可用来指导掰青混合料的组成设计；还有学者使用车辙仪对不同厚度的沥青稳定碎石做车辙试验，发现动稳定度随试件增厚而增大，并存在临界厚度3。目前车辙仪的标准试件厚度为5cm，如果试件厚度增加到510cm，试验轮的接触压力将小于0.7MPa，同时规范6规定沥青稳定碎石铺面厚度不少于公称最大粒径的2.53倍，因此用普通车辙仪是不能准确评估沥青稳定碎石动稳定度，但用单轴蠕变试验能克服上述问题。本文选用ATB-30和ATB-25级配的上、中和下限，共6个级配，系统地对6个矿料级配沥青稳定碎石进行高温蠕变试验，计算了蠕变模量，拟合关系曲线，分析数据的相关性，评估6个矿料级配沥青稳定碎石的高温流动变形能力，为其组成设计提供参考。由大型马歇尔法，确定6个矿料级配沥青稳定碎石混合料的最佳油石比，再以最佳油石比击实成型蠕变试验的试件。2原材料及矿料级配2.1沥青沥青选用中海油AH-70，SBS改性，其性能指标检测结果，见表1沥青技术性能指标 表1试验项目技术要求实测结果（25，100g，5s）针入度（0.1mm）608068（5，5cm/min）延度（cm）30100（环球法）软化点（）55652.2矿料粗集料、细集料和矿粉都采用石灰岩，其性能检测结果如满足规范要求。2.3 矿料级配本次试验取ATB-25和ATB-30级配的上限、下限和中值，见表2、3.沥青稳定碎石ATB-25矿料级配 表2级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)0.0750.150.30.61.182.364.759.513.216.019.026.531.5ATB-25上限610141825324052626880100100ATB-25中值46.59.51317.523.5304152587095100ATB-25下限23581015203242486090100级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)0.0750.150.30.61.182.364.759.513.2161926.531.537.5ATB-30上限61014182532405160667290100100ATB-30中值46.59.51317.523.5304149.55562.58095100ATB-30下限2358101520313944537090100沥青稳定碎石ATB-30矿料级配 表33大型马歇尔试验根据大型马歇尔试验结果，得到6种沥青稳定碎石的最佳油石比，见表4。级配最佳油石比(%)毛体积密度(g/cm3)矿料间隙率(%)空隙率(%)沥青饱和度(%)稳定度(KN)流值(mm)ATB-25上限3.22.49510.82.872.630.4254.6ATB-25中值3.12.47711.43.966.226.9258.4ATB-25下限3.02.43812.65.556.119.5954.3ATB-30上限3.02.50710.12.872.534.1953.3ATB-30中值3.02.49810.43.270.129.4055.5ATB-30下限2.92.46911.44.262.121.5051.1ATB-25和ATB-30最佳油石比、物理与力学指标汇总 表45单轴动态和静态蠕变试验5.1 试验设备英国Cooper Research公司生产的数字式控制气动伺服试验机，在气压7bar时，最大静载14kN，循环频率070Hz，16位伺服控制数据采集系统。5.2 试验条件1）以6种沥青稳定碎石的最佳油石比，击实成型试验用的试件：直径152.4mm，高度95.3mm，双面击实112次。2）试验温度：400.5。3）预压荷载：10kPa，预压时间10min；4）试验荷载100kPa，静态蠕变：加载1小时，卸载1小时；动态蠕变：加载2小时，频率0.5Hz，即3600次。在试件上下两端垫有硅胶膜，减少加载板与试件端部的摩擦。试件在温度400.5保温箱中保温47小时。 在试验前后，分别测试每种混合料的密度，计算空隙率，分析试验前、动态蠕变和静态蠕变试验与空隙率变化关系，研究蠕变试验后混合料内部结构的变化，其毛体积密度和空隙率结果，见表5级配蠕变试验前动态蠕变试验静态蠕变试验最佳油石比(%)毛体积密度(g/cm3)空隙率(%)毛体积密度(g/cm3)空隙率(%)毛体积密度(g/cm3)空隙率(%)ATB-25上限3.22.4594.82.4365.72.4355.7ATB-25中值3.12.4136.92.4226.52.4266.4ATB-25下限3.02.4156.82.4057.22.4206.7ATB-30上限3.02.4336.32.4445.9ATB-30中值3.02.4416.02.4455.8ATB-30下限2.92.4137.2蠕变试验前后沥青稳定碎石毛体积密度和空隙率变化表 表5从表5可以得到在试验前后试件的空隙率变形规律不明显。有待进一步试验研究由于空隙率变化引起试件内部的损伤累积与模量、变形的相关关系。5.3试验结果及分析5.3.1静态蠕变试验结果及分析计算蠕变模量，按幂函数S=Btm回归，得到B、m和相关系数R，其结果见表6。 ATB-25和ATB-30静态蠕变试验结果 表6级配类型最佳油石比(%)2s时蠕变模量(MPa)加载3600秒时蠕变模量(MPa)卸载3600秒时蠕变模量(MPa)加载段回归系数S=Btm相关系数R卸载段回归系数S=Btm相关系数RBmBmATB-25上限3.256.832.565.355.117-0.06770.972433.9000.08130.9950ATB-25中值3.150.529.451.048.009-0.06310.958931.5730.05960.9846ATB-25下限3.043.223.634.940.046-0.06850.944425.2810.04020.9711ATB-30上限3.051.532.177.450.047-0.05640.971830.1100.11520.9936ATB-30中值3.047.229.247.745.532-0.05690.965931.8180.05060.9707ATB-30下限2.944.523.838.041.721-0.07200.954124.7770.05300.9938从表6可知，根据加载瞬间时的蠕变模量的大小，可得到ATB-25和ATB-30在加载瞬间的瞬时弹性变形能力：ATB-25上限ATB-25中值ATB-25下限，ATB-30上限ATB-30中值ATB-30下限。根据加载3600秒时蠕变模量的大小，可知在蠕变第二阶段ATB-25和ATB-30抗变形能力：ATB-25上限ATB-25中值ATB-25下限，ATB-30上限ATB-30中值ATB-30下限。因此在2种沥青稳定碎石组成设计时，其矿料级配曲线在上限与中值之间较为合适。在加载瞬间和稳定加载期间，ATB-25的上、中和下限的蠕变模量大小与ATB-30的上、中和下限的几乎相等。利用幂函数S=Btm对加载段和卸载段蠕变模量时间关系曲线进行拟合，6种沥青稳定碎石的蠕变模量时间的相关性都比较好，见图1、2、3和4。图1 ATB-25加载段蠕变模量与时间双对数曲线图2 ATB-25卸载段蠕变模量与时间双对数曲线从图1可知在加载段ATB-25上限混合料的曲线处于其它2个混合料的上方，但ATB-25中值混合料的拟合曲线斜率绝对值比其它2个小。这说明总体上ATB-25上限混合料的蠕变模量比其它2个混合料大，因此其抗高温变形能力比其2个混合料强。ATB-25中值混合料的蠕变模量变化率比其它2个混合料小，这说明其高温变形速率比其它2个混合料慢。进一步说明在对ATB-25混合料组成设计时其矿料级配曲线尽量靠近在上限与中值范围内，这样既能提高整体高温抗变形能力，又能放慢变形速率，从而延长车辙变形时间。从图2可知在卸载段ATB-25上限混合料的曲线处于其它2个混合料的上方，其拟合曲线斜率值比其它2个混合料大，ATB-25下限混合料的拟合曲线斜率最小。这说明ATB-25上限混合料卸载后的残余变形小，并弹性变形恢复比较快。再进一步说明在对ATB-25混合料组成设计时其矿料级配曲线尽量靠近在上限与中值范围内。图3 ATB-30加载段蠕变模量与时间双对数曲线图4 ATB-30加载段蠕变模量与时间双对数曲线同样根据图3、4对于ATB-30沥青稳定碎石具有相似的规律，在这里不做具体说明。5.3.2动态蠕变试验结果及分析计算在加载3600次末的动态蠕变模量，并用半对数坐标对应变与时间关系曲线进行拟合，得到得到b、m和相关系数R，结果见表7。级配最佳油石比(%)加载3600次时应变(10-6)加载3600次时蠕变模量(MPa)回归系数s=aLn（t）+b相关系数RabATB-25上限3.2461321.7409.61067.60.9888ATB-25中限3.1358527.9334.81649.460.9965ATB-25下值3.0580417.2510.64779.180.9991ATB-30上限3.0317531.5255.60714.830.9940ATB-30中值3.0369527.1289.16666.550.9964ATB-30下限2.9447722.3437.81645.340.9965ATB-25和ATB-30动态蠕变试验结果 表7从表7可以看出：图5 ATB-25应变与时间的半对数曲线图6 ATB-30应变与时间的半对数曲线1）在ATB-25的上、中和下3种混合料中，ATB-25中值混合料在加载3600次即7200秒末的动态应变最小，相应地其动态蠕变模量最大，这说明在ATB-25的上、中和下限3种沥青稳定碎石混合料中ATB-25中值级配混合料抗高温变形能力最强。因此对于ATB-25的组成设计时，其级配曲线尽量靠近中值范围。从图5清楚地看到，3种ATB-25沥青稳定碎石的应变时间关系曲线在半对数坐标中具有极高的相关性。ATB-25中值混合料的曲线处在其他2个混合料下方，且其拟合直线的斜率a值最小，这说明ATB-25中值混合料在高温、动态荷载作用下应变小，同时变形速率也较小，从而证明了其抗高温、动荷载能力比较强，大大延长车辙形成时间。2）在ATB-30的上、中和下3种混合料中，ATB-30上限混合料在加载3600次即7200秒末的动态应变最小，动态模量最大，其抗高温变形能力最大。从图6看到ATB-30上限混合料的应变时间关系曲线处在其他2个混合料的下面，其拟合直线的斜率a为255.6，是3种混合料的斜率中最小的一个，可知在高温、动态荷载作用下其变形速率较小，抗变形能力强，大大延长车辙形成时间。6 结论1）单轴静态蠕变试验和动态蠕变试验能克服试件厚度的限制，满足规范规定的铺面厚度不少于公称最大粒径的2.53倍，使试验更接近实际情况。2）根据单轴静态蠕变和动态蠕变试验结果表明对于ATB-25和ATB-30的矿料级配组成应在上限与中值之间；ATB-25矿料级配曲线应靠近中值，ATB-30矿料级配曲线应靠近上限。3)在ATB-25和ATB-30矿料级配的上限与中值混合料的蠕变模量较大，并变形速率较小，抗高温变形能力较强。4）应用拟合曲线斜率表征ATB-25和ATB-30混合料的高温稳定性是可行的。5）根据试验前后空隙率变化反映混合料内部的连续损伤需要进一步试验研究。参考文献1李辉，张久鹏，黄晓明. 沥青混合料高温稳定性的单轴静载蠕变试验J.河南科技大学学报，2006年，Vol.27（3）：4851。2杨群 黄晓明.沥青稳定基层混合料变形性能试验研究J.东南大学学报，2001年，Vol.31（5）：4852。3 袁承栋 顾江鸣 薛华 陆长兵. 大粒径沥青混合料高温稳定性能研究.石油沥青，2004年，Vol.18(3)：1417。4王玲娟.沥青稳定碎石基层混合料设计方法和路用性能研究D.长安大学学位论文，2004年。5赵新坡.密级配沥青稳定碎石基层材料与性能研究D.长安大学学位论文，2006年。6Ven de Loo PJ.Creep testing a sample tool to judge asphalt mix stabilityJ. 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