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技术交流
基于取样温度的沥青混合料试体性能研究
朱鹰卢凤军
摘要：对60℃、50℃、40℃、30℃及干冰、水冰温度条件下钻芯取得的沥青混合料，进行了表观密度、空隙率、间接抗拉刚度模量和水稳定性试验研究。研究结果表明，取样温度条件对试体的表观密度和间接抗拉刚度模量具有显著的影响，随着取样温度的下降，试体表观密度和间接抗拉刚度模量显著增加，空隙率显著下降；高温取样，试体易受剪切力而使结构受到影响，间接抗拉强度则较低；低温取样，混合料粘结紧密，试体受到剪切力作用而结构不易受到影响，间接抗拉强度相对较高；水冰取样时，水冰受热融化，会通过混合料空隙而渗入结构内部，对试体的水稳定性产生影响，而干冰不会出现这种情况。
关键词：沥青混合料；表观密度；空隙率；间接抗拉刚度模量；水稳定性。
中图分类号:TU528.0 文献标识: A
沥青混合料是一种典型的粘弹材料，当沥青混合料正常摊铺时，在低温，如果正确操作，取样所得到的试体会是一个规则的圆柱体；但在高温，由于取样时的剪切力，试体的结构将会遭到破坏，这样将对试体物理性能和力学性能产生严重的影响。美国加利福尼亚州交通厅曾使用干冰冷却的方法进行钻芯取样[1]，这样得到的试体结构较为完整。国家规范（沥青混合料取样法T 0701—2000[2]）对钻芯温度精度和试样的保存温度进行了规定，但对明确的取样温度没有相关规定。
通常，通过测试取样试体的某些性能，对摊铺路面的性能进行间接评价。取样试体能否真实反应摊铺沥青路面的性能与试体质量有关。取样试体质量除受到取样方法、工具等的影响外[3,4]，还应受到取样温度的影响。然而，有关取样温度对所取得试体性能的影响，往往被忽略了。本研究就对不同温度条件下，钻芯取得的沥青混合料试样，进行密度、空隙率、间接抗拉刚度模量和稳定性等方面进行分析，研究不同取样温度条件对所钻芯取得的沥青混合料试样密度、空隙率及其它方面性能的影响。
1 试验路段的摊铺
1.1 沥青和骨料
本研究摊铺一段试验路，所用沥青针入度为60~70，含量为5.2%。所有混合料所用的骨料最大粒径为20mm，其级配如图1所示：
图.1. 试验路骨料级配
1.2 钻芯取样温度条件
在试验路段铺设现场，在60℃、50℃、40℃和30℃及干冰、水冰温度条件下，按一定的间隔进行钻芯取样，每个温度条件取不同个数的试体，分别用于表观密度、空隙率、间接康拉刚度模量和间接抗拉强度（水处理前和后），将取得的试体按相关规范在特定温度保存箱内保存完好。
2 实验方法
2.1 密度及空隙率
按照ASTM D 2041 – 00[5]（美国材料测试协会有关沥青路面混合料最大理论体积比重和密度测试标准方法）、ASTM D 2726[6]（美国材料测试协会有关不吸收压实沥青混合料毛体积比重和密度的标准试验方法）和ASTM D 3203-94[7]（美国材料测试协会有关沥青混合料空隙率标准试验方法）对不同温度条件下所钻芯取得的试体进行密度和空隙率测试。
2.2 间接抗拉刚度模量
利用诺丁汉大学沥青混合料实验机（NU-10），根据BS DD 213 [8]规范，对不同温度条件下取得的试体进行间接抗拉刚度模量试验测试。
2.2 间接抗拉强度
根据BS EN 12697-23 [9]规范，对不同取样温度条件下所取得的试体进行间接抗拉强度试验测试。
3 结果与讨论
3.1 表观密度和空隙率
将每种温度条件下取得的试体按照相关规范分别进行表观体积密度和空隙率试验，求取它们的平均值。60℃、50℃、40℃和30℃及水冰、干冰温度条件下，所取的沥青混合料试体平均表观体积密度和孔隙率如表1所示。从试验结果可以看出，不同温度条件下所取得的沥青混合料试体表观体积密度和孔隙率存在较大差异。水冰条件下所取得的沥青混合料试体表观体积密度最大，空隙率最小；干冰条件下所取得的沥青混合料试体次之；虽然水冰和干冰两种条件温度相同，但对所取试体表观密度和空隙率的影响有所不同；60℃和50℃所取得的试体表观体积密度最小，空隙率最大。
表.1. 不同取样温度下试体的表观密度和空隙率
|
取样条件（℃）
|
60
|
50
|
40
|
|||||||||
|
表观密度(kg/m3)
|
2272
|
2273
|
2251
|
2251
|
2264
|
2266
|
2282
|
2274
|
2256
|
2295
|
2308
|
2282
|
|
平均值(kg/m3)
|
2265
|
2260
|
2280
|
|||||||||
|
空隙率(%)
|
5.9
|
5.9
|
6.8
|
6.8
|
6.3
|
6.2
|
5.5
|
5.9
|
6.6
|
5.0
|
4.5
|
5.5
|
|
平均值 (%)
|
6.2
|
6.4
|
5.6
|
|||||||||
|
取样条件（℃）
|
30
|
水冰
|
干冰
|
|||||||||
|
表观密度(kg/m3)
|
2295
|
2293
|
2237
|
2282
|
2343
|
2339
|
2280
|
2294
|
2312
|
2318
|
2251
|
2305
|
|
平均值(kg/m3)
|
2280
|
2314
|
2297
|
|||||||||
|
空隙率(%)
|
5.0
|
5.1
|
7.4
|
5.5
|
3.0
|
3.2
|
5.6
|
5.0
|
4.3
|
4.0
|
6.8
|
4.6
|
|
平均值 (%)
|
5.6
|
4.2
|
4.9
|
|||||||||
3.2 间接抗拉刚度模量
将每种温度条件下取得试体按照相关规范进行间接抗拉刚度模量试验，求取平均值。60℃、50℃、40℃和30℃及水冰、干冰温度条件下，所取的沥青混合料试体平均抗拉刚度模量如标所示。从试验结果可以看出，不同温度条件下的间接抗拉刚度模量存在差异。与表观密度和空隙率相似，水冰温度条件下的试体具有最高的间接抗拉刚度模量；干冰条件下的试体次之；60℃和50℃两种温度条件下的试体间接抗拉刚度模量最小，并且它们之间的差异最小。
表.2. 不同温度条件下所取试体抗拉刚度模量
|
取样条件（℃）
|
60
|
50
|
40
|
|||||||||
|
刚度模量 (MPa)
|
2662
|
2656
|
2465
|
2461
|
2582
|
2603
|
2731
|
2662
|
2514
|
2799
|
2849
|
2731
|
|
均值 (MPa)
|
2597
|
2550
|
2690
|
|||||||||
|
取样条件（℃）
|
30
|
水冰
|
干冰
|
|||||||||
|
刚度模量(MPa)
|
2799
|
2787
|
2300
|
2731
|
2886
|
2890
|
2715
|
2799
|
2863
|
2880
|
2465
|
2840
|
|
平均值(MPa)
|
2690
|
2823
|
2762
|
|||||||||
3.3 水稳定性
将每种温度条件下取得试体按照相关规范分别对水处理前后的间接抗拉强度试验，求取它们的平均值。60℃、50℃、40℃和30℃及水冰、干冰温度条件下，水处理前试体的间接抗拉强度如表3所示。从试验结果可以看出，无论是水处理前还是水处理以后，水冰条件下的试体都具有较高的间接抗拉强度。随着取样温度的降低，试体间接抗拉强度有增加的趋势。较高温度条件下，在取样时，试体易受到剪力而对结构产生较严重的影响（结构遭到破坏或局部变形），因此间接抗拉强度就低。在低温度条件下，沥青冷却，混合料粘紧密，取样受到的剪切力不易对试体结构产生较严重影响，所以试体的间接抗拉强度就高。
表.3. 不同温度条件下所取试体水处理前抗拉强度
|
取样条件（℃）
|
60
|
50
|
43
|
|||||||||
|
ITS (kPa) 水处理前
|
857
|
852
|
774
|
773
|
819
|
828
|
897
|
857
|
792
|
949
|
1004
|
896
|
|
平均值 (kPa)
|
827
|
807
|
890
|
|||||||||
|
ITS (kPa) 水处理后
|
806 809 721
|
722 767 776
|
846 806 739 900 957 846
|
|||||||||
|
平均值 (kPa)
|
779
|
755
|
840
|
|||||||||
|
取样条件（℃）
|
43
|
水冰
|
干冰
|
|||||||||
|
ITS (kPa) 水处理前
|
948
|
938
|
723
|
898
|
1185
|
1160
|
887
|
950
|
1027
|
1062
|
774
|
993
|
|
平均值 (kPa)
|
890
|
1045
|
964
|
|||||||||
|
ITS (kPa) 水处理后
|
902 889 671 848
|
1130 1103 824 888
|
981 1017 723 945
|
|||||||||
|
平均值(kPa)
|
840
|
987
|
916
|
|||||||||
不同条件下的水稳定系数如表4所示。水冰条件下的试体与干冰条件下的试体相比，水稳定性相对降低。这种现象说明，水冰取样温度条件对试体的水稳定性产生了更大的影响，这种可能归因于水冰与干冰受热后出现的不同状态有关。水冰与新铺路面接触后，受热融化成水，水会通过沥青混凝土的空隙而渗入结构内部，对试体的水稳定性产生影响。然干冰与水冰不同，当干冰与新铺路面接触后，受热会融化成气体，散发于空气里，不会对沥青混合料的水稳定性产生影响。
表 4 水处理前后水稳定系数的变化
4 结论
（1）取样温度条件对所取得的沥青混合料试体的表观密度和间接抗拉刚度模量有显著的影响，随着取样温度的降低，表观密度和间接抗拉刚度模量增加。
（2）取样温度条件对所取得的沥青混合料试体的空隙率也有显著的影响，随着取样温度的降低，空隙率下降。
（3）高温取样时，试体受剪切力作用对其结构产生较严重影响，最后导致其间接抗拉强度下降。低温取样时，试体受到剪切力而不易对其结构产生显著的影响，所以其间接抗拉强度较高。水冰取样时，水冰受热融化，会通过混合料空隙而渗入结构内部，对试体的水稳定性产生影响，而干冰不会出现这类情况。
参考文献
[1] California department of transportation, “field inspection and acceptance sacramento county”, Appendix H, CALTRANS, 2001.
[2] T 0701—2000.Coring of bituminous mixture [s].
[3] 陈忠达，袁万杰.沥青混合料密度试验方法合理选择研究[J].辽宁交通科技.2005.12(8):24～27.
[4] 尹如军，伍石生.热拌沥青混合料密度的确定和测定方法[J].长安大学学报.2004.24(1):17～20.
[5] ASTM D 2041 – 00 standard Test Method for Theoretical Maximum Specific Gravity and Density of Bituminous Paving Mixtures” American Society for Testing and Materials[s].
[6] ASTM D 2726.Standard Test Method for Bulk Specific Gravity and Density of Non-Absorptive Compacted Bituminous Mixtures[s].
[7] ASTM D 3203-94. Standard Test Method for Percent Air Voids in Compacted Dense and Open Bituminous Paving Mixtures[s].
[8] BS DD 213. Method for Determination of the Indirect Tensile Stiffness Modulus of Bituminous Mixtures[s].
[9] BS EN 12697-23. Bituminous mixtures test methods for hot mix asphalt ”, part 25: cyclic compression test[s].
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