CN113092361A - 一种沥青混合料压实性能表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料压实性能表征方法，包括步骤：(1)成型内部埋置智能颗粒的试件；(2)对试件进行旋转压实试验，并计算试验过程中沥青混合料内部各个方向的应力值；(3)定义为试验过程中智能颗粒受到的平均应力值；(4)计算G_mm和应力比％σ，并绘制G_mm曲线和％σ曲线；(5)采用对数函数对G_mm曲线和％σ曲线进行拟合，得出k_Gmm和k_％σ。本发明通过将智能颗粒嵌入到混合料内部从而实现对压实过程中混合料内部颗粒之间的应力监测，得出沥青混合料在旋转压实过程中混合料内部的内部响应规律与混合料的压实性能之间的关系；对不同最大公称粒径、不同级配类型以及不同试样位置处的沥青混合料内部应力和压实性能进行综合分析，为评价沥青混合料的压实性能提供试验依据。

Description

一种沥青混合料压实性能表征方法

技术领域

本发明涉及沥青混合料性能表征技术领域，特别地，涉及一种沥青混合料压实性能表征方法。

背景技术

目前沥青混合料试验室压实成型方法通常有马歇尔击实法和旋转压实法。不同的压实方式会对成型后的沥青混合料力学性能产生一定的影响。目前不少学者已经针对不同的沥青混合料室内成型方法与混合料力学性能之间的关系进行了研究，并提出给予Superpave的沥青混合料旋转压实(SGC)法能够更好的还原碾压施工结束后成型的混合料力学性能，从而成为目前研究沥青混合料力学性能的主要成型方式。

在沥青混合料旋转压实试验过程中，混合料中的颗粒在旋转压实仪的剪切力和压缩力的作用下连续移动，进而导致颗粒之间相互挤压并形成稳定的骨架结构而达到密实状态。目前关于沥青混合料旋转压实成型的研究中，绝大多数研究人员只是专注于混合料试件的成型以及对混合料料进行力学性能分析，很少研究沥青混合料在旋转压实过程中混合料内部的内部响应规律与混合料的压实性能之间的关系。因此，沥青混合料内部颗粒的动力响应规律与混合料的压实性能之间的关系需要进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沥青混合料压实性能表征方法，以在细观尺度上研究旋转压实过程中不同级配类型以及不同最大公称粒径的沥青混合料内部颗粒的动力响应规律与混合料的压实性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种沥青混合料压实性能表征方法，包括以下步骤：

步骤S1、搅拌沥青混合料并成型试件，所述试件的内部埋置有智能颗粒；

步骤S2、利用旋转压实仪对步骤S1中的所述试件进行旋转压实试验，试验过程中所述智能颗粒监测沥青混合料的温度；对所述智能颗粒监测到的沥青混合料的温度数据进行线性拟合，得到各个时刻下智能颗粒的应变片电压数据所对应的温度数据，并利用式1)计算试验过程中沥青混合料内部某处的应力值：

式1)中，U为试验过程中智能颗粒的应力电压信号，U₀为未加载之前智能颗粒的基础电压，T为智能颗粒的温度读数，a、b、c为每个智能颗粒对应的系数，A为应变片的面积；

步骤S3、基于旋转压实试验过程中获得的混合料内部的应力值，将试验过程中每个周期内智能颗粒z方向上所受的最大应力与最小应力的均值定义为试验过程中智能颗粒受到的平均应力值，并根据所述平均应力值绘制沥青混合料在整个试验过程中的Z方向平均应力曲线；

步骤S4、计算沥青混合料在旋转压实过程中压实程度G_mm和应力比％σ，并绘制G_mm曲线和％σ曲线；G_mm和％σ的计算公式分别如式2)和3)所示：

式2)中，ρ_max为试验结束后混合料的最大理论密度，ρ_i为每一圈沥青混合料对应的密度；式3)中，σ_g为试验过程中的压实应力，σ_i为每一圈的平均应力。

进一步的，所述沥青混合料压实性能表征方法还包括：

步骤S5、采用对数函数对G_mm曲线和％σ曲线进行拟合，得到对数坐标下的G_mm拟合曲线和％σ拟合曲线，分析曲线得出所述G_mm拟合曲线的k_Gmm和％σ拟合曲线的k_％σ，以分别用于表示沥青混合料在旋转压实过程中的密实度及应力变化的速率。

进一步的，所述步骤S1中，沿沥青混合料高度方向布置多个智能颗粒，以获得沥青混合料不同位置处的压实特征。

进一步的，所述旋转压实仪的参数为：压实旋转角为1.16°，转速为30r/min，压实时设置垂直压力为600kPa。

进一步的，所述智能颗粒为Smart Rock传感器。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种沥青混合料压实性能表征方法，通过将智能颗粒嵌入到混合料内部从而实现对压实过程中混合料内部颗粒之间的应力进行监测，得出沥青混合料在旋转压实过程中混合料内部的内部响应规律与混合料的压实性能之间的关系。通过对不同最大公称粒径、不同级配类型以及不同试样位置处的沥青混合料内部应力和压实性能进行综合分析，为评价沥青混合料的压实性能提供试验依据。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种沥青混合料压实性能表征方法的旋转压实试验方案的结构示意图；

图2是本发明中各类型混合料级配曲线及沥青用量的结构示意图；

图3是本发明中旋转压实试件实际温度与智能颗粒内部温度对比图；

图4是本发明中AC-16沥青混合料旋转压实过程中应力变化曲线；

图5是本发明中智能颗粒在整个压实过程中的平均应力示意图；

图6是本发明中旋转压实过程中平均应力与试件高度变化规律对比图；其中，图(a)是平均应力曲线与试件高度曲线；(b)Gmm曲线和％σ曲线；

图7是本发明中旋转压实过程中G_mm曲线以及％σ曲线拟合及坐标转换示意图；

图8中(a)、(b)和(c)分别是对数坐标下AC-16、AC-20、AC-25三种不同级配类型沥青混合料Gmm及％σ拟合曲线；

图9是AC-16、AC-20、AC-25三种不同级配类型沥青混合料k_Gmm及k_％σ；

图10是对数坐标下埋置于AC-20沥青混合料试件内部的不同轴向位置处的％σ拟合曲线；

图11中(a)和(b)分别是埋置于AC-20沥青混合料试件内部的不同轴向位置处的k_％σ与孔隙尺寸分布图；

图12中(a)、(b)和(c)分别是对数坐标下AC-16、AC-20、AC-25三种不同级配类型沥青混合料G_mm及％σ拟合曲线；

图13是AC-16、AC-20、AC-25三种不同级配类型沥青混合料k_Gmm和k_％σ。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本实施例提供一种沥青混合料压实性能表征方法，包括以下步骤：

S1、在160℃控温的搅拌锅中完成沥青混合料的搅拌，随后将混合料倒入测试筒内成型试件，并在试件的内部埋置有智能颗粒；如图1所示，智能颗粒的z轴与试件中心轴重合。试验材料选择AC-25、AC-20、AC-16、PAC-16或SMA-16来研究不同最大公称粒径(NMAS)及级配类型的沥青混合料。如图2是各类型沥青混合料均采用其对应的最佳沥青用量以及集料级配曲线；表1为所用沥青混合料的技术参数。智能颗粒(即Smart Rock传感器)是为研究结构动力响应而研发的小型智能传感器，可直接购买获得。智能颗粒的直径与沥青混合料中的粗集料粒径相近，且外壳与沥青混合料具有较好的粘结性，智能颗粒内置了12轴传感器以及温度传感器，可以检测混合料旋转压实过程中的转角、线性加速度以及三轴应力等动态数据。

表1沥青混合料的技术参数

S2、利用旋转压实仪对步骤S1中的沥青混合料试件进行旋转压实试验，沥青混合料旋转压实试验选择IPC global公司通用旋转压实仪进行，压实旋转角度为1.16°，转速为30r/min，压实时设置垂直压力为600kPa。由图3可以看出，由于试验时间较短，因此压实过程中混合料的温度变化可以忽略不计，即认为温度对混合料压实过程中的性能变化无影响。此外，由于智能颗粒外壳的隔温效应以及较短的压实时间，导致智能颗粒测试到的温度与混合料实际温度不一致。试验过程中智能颗粒监测到的沥青混合料的温度整体呈现出线性变化规律，由于智能颗粒数据采集参数的限制，应力采集频率大于温度采集频率，因此对压实过程中颗粒温度进行线性拟合，得到各个时刻下智能颗粒应变片电压数据所对应的温度数据，从而利用式1)计算旋转压实过程中的沥青混合料内部某处的应力值σ：

式1)中，U为试验过程中智能颗粒的应力电压信号，U₀为未加载之前智能颗粒的基础电压，T为智能颗粒的温度读数，a、b、c为每个智能颗粒对应的系数，A为应变片的面积。

参见图4所示，其中图4(a)是旋转压实过程中智能颗粒z方向所受到应力时程曲线，图4(b)是旋转压实过程中智能颗粒z方向及y方向所受到应力时程曲线；由图4(a)和图4(b)可知：

(1)由于旋转角的存在，压实过程中试件中部智能颗粒检测到的z方向应力与y方向应力均随着旋转压实仪旋转呈现周期性变化，且该应力变化周期与旋转压实仪的旋转周期相同。

(2)在压实初期，沥青混合料被松散的堆积在试模中，混合料颗粒之间的接触非常有限。压实开始后，在旋转压实仪的压缩和剪切作用下混合料颗粒产生明显的位移变化并且开始剧烈碰撞，从而使得混合料颗粒在z方向上出现较大的应力(应力集中现象)。随着压实次数的增加，混合料颗粒在z方向上的应力数值明显减小，y方向受到的应力则开始增加。由此可知，随着试样高度的减小，混合料颗粒在压缩方向上受到的阻力增加，此时混合料颗粒倾向于横向移动从而导致在y方向上的应力增加。

(3)随着压实过程的进行，沥青混合料内部颗粒z方向所受到的应力稳定在旋转压实仪的压实应力(0.6MPa)附近；y方向上的应力则稳定在0.65MPa左右，大于压实仪的压实应力，因此除了应力扩散效应之外使得混合料试件在压实力作用下y方向出现应力作用之外，压实仪旋转角的存在同时还会引起y方向的颗粒间挤压而产生应力值。这种条件下，混合料内部集料之间相互嵌挤形成稳定的骨架结构，从而达到密实状态。

S3、基于步驟S2中获取的混合料内部的应力值，将试验过程中每个周期内智能颗粒z方向上所受的最大应力σ_max与最小应力σ_min的均值定义为试验过程中智能颗粒受到的平均应力值，即

该平均应力值表示颗粒在整个压实过程中整体应力变化规律；并根据平均应力值绘制沥青混合料在整个试验过程中的Z方向平均应力曲线，如图5所示。

步骤S4、通过对比图6(a)中沥青混合料高度变化曲线及平均应力曲线，可以看出旋转压实过程中沥青混合料内部所受到的z方向平均应力与混合料高度变化趋势非常接近。为了进一步分析，计算表示沥青混合料在旋转压实过程中压实程度的Gmm和应力比％σ，并绘制如图6(b)所示的G_mm曲线和％σ曲线。其中，G_mm和％σ的具体计算公式分别如式2)和3)所示：

式2)中，ρ_max为试验结束后混合料的最大理论密度，ρ_i为每一圈沥青混合料对应的密度；式3)中，σ_g为试验过程中的压实应力，σ_i为每一圈的平均应力。

通过图6(b)可以看出，G_mm与％σ两条曲线具有相同的变化规律。即前期增加速度较快，后期缓慢增加。该变化规律符合对数增长规律，因此可以采用对数函数对两条曲线进行拟合。

S5、为了进一步研究混合料应力与压实性能的关系，采用对数函数对G_mm曲线和％σ曲线进行拟合，分别将拟合曲线横坐标取对数坐标，从而将拟合线转变为直线，如图7所示，k_Gmm和k_％σ分别表示沥青混合料在旋转压实过程中的密实度及应力变化的速率。

在本发明一种较佳的实施例中，由于公路路面通常在不同面层结构中采用不同最大公称粒径(NMAS)的沥青混合料作为结构层材料，因此需要研究混合料粒径尺寸对压实性能的影响，从而针对不同路面结构层级沥青混合料调整相应的压实工艺。由于智能颗粒尺寸限制，为了使颗粒尽可能的接近混合料中粗集料尺寸，试验分别取AC-16、AC-20、AC-25沥青混合料在相同的条件下进行旋转压实。图8为上述混合料旋转压实得到的对数坐标下G_mm及％σ拟合曲线，图9为三种不同粒径下的k_Gmm和k_％σ。通过对比可以看出，随着最大公称粒径的增加，沥青混合料的k_Gmm和k_％σ均增加，说明对于密集配沥青混合料，最大公称粒径大的混合料越容易达到压实状态。如前所述，混合料中粗骨料之间的挤压在沥青混合料的压实度和强度养成方面起主要作用。具有较大尺寸的集料可以在发生较小的位移条件下彼此接触从而增加了混合料的压实度。换句话说，具有较大最大公称粒径的沥青混合料在相同条件下具有更好的压实性能。

在本发明一种较佳的实施例中，沥青混合料作为多孔非均质材料，在压实过程中同一试件不同高度处的压实状态也存在差异。如图10(a)中试件内埋置有多个智能颗粒的示意图：为研究沥青混合料在旋转压实过程中的压实度沿高度方向的分布规律，通过对于埋置于AC-20试件内部不同轴向位置处的智能颗粒在压实过程中测得的％σ拟合曲线分别如式4)；图10(b)为对数坐标下混合料不同位置处％σ拟合曲线(Z方向)。

图11(a)为不同位置处沥青混合料试件k％σ分布图，通过比较图11(a)中所列出的曲线，混合料试样中间深度的k％σ为8.39，而试样底部和顶部的结果分别为6.186和7.01。由此可知，试样中间处的混合料可以更快、更有效地被压实，进而导致最终压实完成后该位置处的混合料将具有更高的密度。图11(a)为由Walubita通过CT扫描获得了采用SGC方法制备的试样的孔隙尺寸分布图，由图11(b)可以得到类似的结论。值得注意的是，在对三个位置处的％σ曲线进行拟合时，试件两端曲线拟合时的相关系数R2相对试件中部小，说明该区域位置处颗粒所受到的应力情况较为复杂。换句话说，在旋转压实过程中两端(包括试样顶部和底部)混合料受到了模具的边界制约，且水平方向受到摩擦力等复杂受力，颗粒的运动状态复杂，所以试件两端混合料均匀性较差，而中部集料由于边界约束较小，在压实力作用下不断嵌挤，从而更快速形成骨架结构。

不同级配类型沥青混合料有着不同的物理及力学特性，不同级配类型路面结构在使用过程中会产生不同的路用效果，从而被用在不同类型的功能性路面。例如，开级配沥青混凝土路面，其粗集料含量多，细集料含量少，在施工结束后会形成多孔路面结构，因而被用作排水路面材料。为了研究不同级配类型的沥青混合料压实性能，分别对相同最大公称粒径的AC-16、PAC-16、SMA-16进行旋转压实，得到三种类型混合料的％σ和G_mm曲线并拟合得到k_Gmm和k_％σ分别如图12和图13所示，其中：图12a为AC-16混合料的％σ和G_mm拟合曲线，图12b为SMA-16混合料的％σ和G_mm拟合曲线，图12c为PAC-16混合料的％σ和G_mm拟合曲线。通过图12和13的对比可以看出，在最大公称粒径及压实作用相同的条件下密级配沥青混凝土(AC-16)的k_Gmm和k_％σ最小，而开级配沥青混合料(PAC-16)的k_Gmm和k_％σ最大。这说明在压实过程中开级配沥青混合料(PAC-16)和间断级沥青混合料(SMA-16)的内部颗粒应力和可压实性对压实力更为敏感，并且比密级配沥青混合料更容易形成稳定密实结构。这是由于密集配沥青混合料中含有大量细集料，粗集料相对较少，因此在压实过程中较难形成稳定的嵌挤结构，而开级配沥青混合料粗集料多，细集料少，能够在压实力作用下迅速形成稳定石-石接触的骨架空隙结构，间断沥青混合料中既有一定数量的粗集料在压实过程中形成骨架结构，又有相对于开级配更多的细料砂浆起到填充和促进粗集料滑动的作用，因而其k_Gmm和k_％σ介于开级配及密级配沥青混合料之间。

在本发明实施例中，对于开级配混合料，由于其粗集料含量多，为防止粗集料在压实力作用下被压碎而导致级配特征改变，压实过程中设置该级配类型沥青混合料压实圈数为60圈，其余类型沥青混合料压实次数均为90圈。试验过程中智能颗粒每转一圈采集20个数据，依据旋转压实仪转速可知数据采集频率为10Hz。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种沥青混合料压实性能表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、搅拌沥青混合料并成型试件，所述试件的内部埋置有智能颗粒；

步骤S2、利用旋转压实仪对步骤S1中的所述试件进行旋转压实试验，试验过程中所述智能颗粒监测沥青混合料的温度；对所述智能颗粒监测到的沥青混合料的温度数据进行线性拟合，得到各个时刻下智能颗粒的应变片电压数据所对应的温度数据，并利用式1)计算试验过程中沥青混合料内部某处的应力值：

式1)中，U为试验过程中智能颗粒的应力电压信号，U₀为未加载之前智能颗粒的基础电压；T为智能颗粒的温度读数；a、b、c为每个智能颗粒对应的系数；A为应变片的面积；

步骤S3、基于步骤S2中获得的混合料内部的应力值，将旋转压实试验过程中每个周期内智能颗粒z方向上所受的最大应力与最小应力的均值定义为试验过程中智能颗粒受到的平均应力值，并根据所述平均应力值绘制沥青混合料在整个试验过程中的Z方向平均应力曲线；

步骤S4、计算沥青混合料在旋转压实过程中压实程度G_mm和应力比％σ，并绘制G_mm曲线和％σ曲线；G_mm和％σ的计算公式分别如式2)和3)所示：

式2)中，ρ_max为试验结束后沥青混合料的最大理论密度，ρ_i为每一圈沥青混合料对应的密度；式3)中，σ_g为试验过程中的压实应力，σ_i为每一圈的平均应力。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料压实性能表征方法，其特征在于，还包括：

步骤S5、采用对数函数对G_mm曲线和％σ曲线进行拟合，得到对数坐标下的G_mm拟合曲线和％σ拟合曲线，分析曲线得出所述G_mm拟合曲线的k_Gmm和％σ拟合曲线的k_％σ，以分别用于表示沥青混合料在旋转压实过程中的密实度及应力变化的速率。

3.根据权利要求1所述的沥青混合料压实性能表征方法，其特征在于，所述步骤S1中，沿沥青混合料高度方向布置多个智能颗粒，以获得沥青混合料不同位置处的压实特征。

4.根据权利要求1所述的沥青混合料压实性能表征方法，其特征在于，所述旋转压实仪的参数为：压实旋转角为1.16°，转速为30r/min，压实时设置垂直压力为600kPa。

5.根据权利要求1所述的沥青混合料压实性能表征方法，其特征在于，所述智能颗粒为Smart Rock传感器。

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