详解丨2019新版《公路工程沥青及沥青混合料试验规程征求意见稿》-沥青混合料篇
发布时间:2019-02-28


2019年初

新版公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20

征求意见稿发布


Part1

沥青混合料试验方法

 

在新规范中新增了29种沥青混合料的试验方法,我们与上篇一样,首先通过一张表格来概况这些新方法和配套的试验设备。

 

表1 JTG E20新规范新增沥青混合料试验方法

规范号

试验名称

主要配套设备

T0759

冷补沥青混合料贯入强度试验

贯入试验仪

T0760

冷补沥青混合料黏附性能试验

烧杯、玻璃板、天平等

T0761

冷补沥青混合料浸水马歇尔试验

马歇尔击实仪和稳定度仪等

T0762

压实沥青混合料密度试验(真空密封法)

Corelok真空密度测试仪

T0763

沥青混合料重复压缩试验(三轴压缩)

UTM动态材料试验机

T0764

沥青混合料重复压缩试验(单轴压缩)

UTM动态材料试验机

T0765

沥青混合料车辙试验(APA)

APA路面分析仪

T0766

沥青混合料车辙试验(汉堡车辙)

APA路面分析仪或汉堡车辙仪

T0767

沥青混合料剪切强度试验(单轴贯入)

UTM动态材料试验机

T0768

浇筑式沥青混合料贯入度试验

贯入试验仪

T0769

沥青混合料二点弯曲疲劳试验(梯形梁法)

独立式二点弯曲疲劳试验仪

UTM动态材料试验机

T0770

沥青混合料直接拉伸循环疲劳测黏弹性损伤试验

UTM动态材料试验机 

AMPT沥青混合料性能试验仪

T0771

沥青混合料裂缝扩展性能试验(半圆弯曲法)

UTM动态材料试验机

AMPT沥青混合料性能试验仪

T0772

沥青混合料裂缝扩展性能试验(OT法)

UTM动态材料试验机

AMPT沥青混合料性能试验仪

独立式Overlay试验仪

T0773

沥青混合料二点弯曲动态模量试验

独立式二点弯曲疲劳试验仪

UTM动态材料试验机

T0774

沥青混合料直接拉伸动态模量试验

UTM动态材料试验机

AMPT沥青混合料性能试验仪

T0775

沥青混合料低温性能试验(半圆弯曲法)

UTM-30动态材料试验机

T0776

沥青混合料低温性能试验(低温约束应力法)

UTM动态材料试验机

独立式低温冻断试验仪

T0777

沥青混合料水热敏感性试验(高温动压水冲刷法)

MiST水敏感试验仪

T0778

沥青混合料水敏感性试验(多烈士法)

压力试验机

T0779

沥青混合料压实特性试验

马歇尔击实仪或旋转压实仪

T0780

沥青混合料流动性试验

料桶/支架/落锤/温度计等

T0781

沥青混合料级配离析敏感性试验

离析测试仪

T0782

碎石封层平板冲击试验

平板/支架/钢球/橡胶滚轮等

T0783

沥青混合料试件制作方法(法国轮胎轮碾机法)

法标充气轮胎压实机

T0784

沥青混合料旋转压实试件制作方法(PCG法)

旋转压实仪

T0785

沥青混合料车辙试验(法国大型车辙仪法)

法标大型车辙仪

T0786

沥青混合料冻融劈裂试验(旋转压实仪试件)

马歇尔试验仪

T0787

沥青混合料浸水膨胀试验

恒温水槽/温度计/烘箱/卡尺等

 

Part2

试验设备解析

 

我们在上篇沥青测试部分中是按照试验方法的顺序进行逐一介绍,但在混合料试验部分,因为有多种试验方法均可以使用同样的设备完成,所以我们是按照新增设备来进行介绍,并介绍这些设备可以完成哪些试验。

 

Corelok真空密度测试仪

完成试验:T0762 压实沥青混合料密度试验(真空密封法)

参考标准:该方法实际在2011年版本规程中的T0707 压实沥青混合料密度试验(蜡封法)的附录中已经进行介绍,国内多年来已经有大量的用户开始用这种方法进行密度测试。

标准的Corelok配置中包括真空密封仪主机、两种尺寸,可以计算密度的聚合物密封袋各100个以及溢流水箱、挂钩等(不含天平)。同时推荐大家选购一款配套设备来提高测试效率:CoreDry真空密封仪,该设备可以在15分钟内快速去除试件的水分,得到干燥的试件,这比规范中推荐的用电风扇吹干12小时以上直至恒重的方法节省了大量的时间,也大幅度节省实验室的电力消耗。

图1 真空密度测试仪

 
 

Corelok真空密度测试仪

 
 
 
 

CoreDry真空密封仪

 
 

 

MiST水敏感性试验仪

完成试验:T0777沥青混合料水热敏感性试验(高温动压水冲刷法)

参考标准:美国ASTM D7870标准

与传统的水煮法相比,高温动压水冲刷法具有2个主要优势

  1. 测试效率大幅度提高,全部的试件处理时间仅需4个小时,较冻融劈裂要求的水煮法24个小时以及浸水马歇尔试验要求的48小时,大幅度减少试件处理时间;

  2. 因为在试件处理过程中,可以模拟动水冲刷的作用,因此相比较静态的水煮法,水分更容易进入混合料的孔隙,浸水的效果也更好。

图2 MiST水敏感性试验仪及其工作原理

 

APA路面分析仪

完成试验:T0765 沥青混合料车辙试验(APA)

参考标准:美国AASHTO T340标准

在美国,车辙试验方法主要有2个标准,一个是AASHTO T340不锈钢轮碾压充气软管对试件加载的APA方法;另一个是AASHTO T324不锈钢轮直接在高温水浴中碾压试件的汉堡车辙试验方法。在美国的50个州中,有41个州在使用APA路面分析仪进行试验。

标准的大型APA路面分析仪是一种多功能的车辙仪,可以在一台设备上同时测试3个梁型试件或6个圆柱体试件;从试验方法上看,可以通过更换测试轮完成T0765 APA方法的车辙试验,或T0766 汉堡方法的车辙试验;通过更换试模,还可以进行疲劳试验;通过调节充气软管的气压和加载轮的活塞荷载还可以模拟大型飞机对机场跑道的荷载作用,美国FAA联邦航空管理局的实验室就是使用了这种改造的APA路面分析仪来进行大飞机的模拟。

美国PTI公司之所以将其命名为APA路面分析仪,而不是车辙仪,是因为这款设备可以大范围调节温度、试件尺寸、轮胎类型、接触压强、测试频率等几乎各种气候-交通荷载条件,不仅可以评估沥青混合料的抗车辙性能,还可以评价抗水损害能力,抗疲劳性能,抵抗重载交通的性能,甚至还可以评估低温抗磨耗性能,稀浆封层微表处的车辙性能等等。

 

因为大型的APA路面分析仪价格昂贵,所以其制造商美国PTI公司将标准版进行简化,提供两种其他型号的选择:其一为功能单一的APA车辙仪(仅满足T0765试验标准或仅满足T0766汉堡车辙试验标准);其二为小型化的APA Junior型车辙仪,一次可以测试两组梁型试件或4个圆柱体试件。

图3 路面分析仪

 
 

APA路面分析仪

 
 
 
 

APA Jr. 小型路面分析仪

 
 

 

汉堡车辙仪

完成试验:T0766沥青混合料车辙试验(汉堡车辙)

参考标准:美国AASHTO T324标准

需要强调的是:汉堡车辙试验方法最初由德国Helmut-Wind Incorporated of Hamburg公司在1970s提出并研发。在之后的40年里,因为这种方法在全世界得以普及,尤其是经美国联邦公路局制订了AASHTO T324试验标准得以发扬光大,反而在发源地德国,这种试验方法反而已经不在EN 12697-22 车辙试验标准列明的小型、大型和超大型车辙试验方法之中。

与其他英国、美国、日本、澳大利亚、法国等地的车辙试验方法不同的是:汉堡车辙试验方法要求使用不锈钢轮碾压浸没在高温水浴中的沥青混合料试件,测试结果不仅可以用于评价抗车辙性能,还可以通过剥落拐点评价混合料的抗水损害性能。

图4 典型的汉堡车辙试验曲线示例

鉴于汉堡车辙试验方法具有全球范围的影响力,得到业界同仁的广泛认可,因此目前世界上诸多的设备制造商均在按照AASHTO T324试验标准要求生产汉堡车辙仪。在众多品牌的汉堡车辙仪中,目前功能最多,技术最先进,性价比最高的一款是意大利CONTROLS的双轮式多功能汉堡车辙仪

CONTROLS这款汉堡车辙仪除了可以完成T0766汉堡车辙试验外,还可以通过更换测试轮,调整配重和碾压速度,按照软件内置的程序按照T0719车辙试验方法进行试验。同时,两个测试轮都通过独立的伺服马达进行控制,其中一个试件提前达到预设的目标车辙深度时可以自动提升而不影响另一个试件的试验。伺服马达控制也可以提供正弦波荷载,高达+80℃的控温范围满足夏季路表高温的模拟,试件变形通过高精度的LVDT传感器进行采集,基于Windows操作系统的测试软件也非常人性化,便于操作。

图5 CONTROLS汉堡车辙仪

 

UTM路面材料多功能试验机

新规范中,多功能路面材料试验机(以下简称UTM)被提到了更高的地位。在新增的试验方法中有多达11个试验方法均可以通过UTM完成,再加上现行规范的5个试验方法,总计有16个试验方法可以在UTM上完成,这些试验方法还不包括马歇尔稳定度、劈裂这种更适合在马歇尔试验仪或路强仪上执行的试验。

16个试验方法:T0715 三点弯曲试验,T0718抗剪强度试验(三轴压缩法),T0728 三点弯曲蠕变试验,T0738单轴压缩动态模量试验,T0739四点弯曲疲劳寿命试验以及表1中的11种新试验方法。

图6 UTM试验夹具系列

 

限于篇幅的原因,我们不再对这11种新方法逐一介绍,我们推荐大家选择澳大利亚IPC多功能路面材料试验机(现被意大利CONTROLS集团收购为全资子公司)。IPC的UTM在全球已经有500多个用户(液压系统300个以上。气压系统200个以上),其中在中国有超过60台UTM在使用中,是世界上用户数量最多的路面材料试验机品牌。我们可以在IPC的UTM上执行现行标准所有的测试,同时基于IPC最新发布的新一代IMACS2控制和数据采集系统和UTS Neutron(中子)研发级试验软件,我们还可以不断扩展其试验功能,通过加工新的试验夹具、开发新的试验程序、外接其他的加载模拟系统和数据采集系统使其可以完成从日常质量控制到尖端研究的所有测试需求。

(*有关UTM的详情,请期待我们的另一篇文章分享,或与我们直接联系)

图7 130kN多功能路面材料试验机(左)和30kN多功能路面材料试验机(右)

 

AMPT沥青混合料性能分析仪和AST沥青混合料标准试验仪

UTM毫无疑问是一种功能强大的,基本可以完成所有试验的设备,但体积、价格都制约了其普及到现场工地实验室中去进行工程质量控制。因此,美国NCHRP 9-19和9-29研究项目组织开发了一种简单的多功能测试设备,最初称为SPT简单性能试验机,现在称为AMPT沥青混合料性能试验仪。这种设备可以更方便、快速的测试沥青混合料的动态模量、通过流值次数和流值时间来评价抗车辙性能;通过SVECD试验、Overlay试验、IDT间接拉伸疲劳试验、SCB半圆弯曲裂缝扩展试验等来评价疲劳性能。

但这种设备在降低了造价、减小体积重量、提高试验便捷程度的同时,还存在一些天然的弊端:

  1. 最大加载能力不超过20kN;

  2. 三轴室的尺寸制约了所能容纳试件的尺寸,无法进行棱柱体梁、梯形梁的试验;

  3. 控温范围窄,无法从事零下低温试验。

为了解决部分这些问题,又在AMPT的基础上开发了AST沥青混合料标准试验仪,用小型的温控箱和小型的反力架取代了AMPT的三轴室,这样执行棱柱体梁和梯形梁试验就变得可能。

 

液压AMPT

 
 

电动AMPT

 
 

液压AST

 
 

电动AST

 

 

法标沥青混合料试验方法设备

我国企业近多年来在非洲承接了大量的海外公路工程施工项目,因为非洲很多国家曾是法国殖民地,因此当地的施工质量控制需要依照法国标准,为了让更多的单位了解法国标准,新规范中收录了法国沥青混合料设计体系4个设计水平的7个主要试验标准,这几个试验方法我们可以通过图9来清晰的展示:

图9 法标高模量沥青混合料设计体系试验

 

水平1

 
 

交通荷载较低的公路,需要通过旋转压实试验进行空隙率的控制以及多烈士水敏感性试验。其中旋转压实试验需要使用满足EN 12697-31试验标准的旋转压实仪进行试验,法国标准与美国标准的主要差别在于内部角,法国标准要求为0.82°,而美国是1.16°,其他指标经换算后基本一致;多烈士水敏感性试验主要参考NF P98-251-1编写,与美国的AASHTO T283试验和中国的冻融劈裂试验相比,法国认为直接压缩破坏试验的重复性和再现性都优于间接拉伸(劈裂)试验,而且静压成型试件的空隙率完全可以通过质量和体积决定,变异系数显著小于马歇尔击实成型。

图10 英国COOPER的法标旋转压实仪(左)和水敏感性试件成型和试验一体机(右)

 

水平2

 
 

交通荷载中等的公路,在水平1试验的基础上,增加车辙试验评价抗高温永久变形的性能。该部分规程主要参考EN 12697-33(成型)和EN 12697-22大型车辙试验方法编写,法国标准的特点是使用充气轮胎的成型机和车辙仪进行试验,以此来模拟真实的行车荷载。

图11 英国COOPER的法标轮胎碾压成型机(左)和法标大型车辙仪(右)

 

水平3

 
 

交通荷载较大的公路,在水平1和2试验的基础上,增加模量试验, 满足设计模型的要求

水平4

 
 

交通荷载更大的公路,在水平1-3试验的基础上,增加疲劳试验,预测路面的使用寿命。

水平3和水平4的试验方法、试件尺寸和设备都是相同的,只是数据计算方法不同,水平3模量试验的数据处理结果为动态模量|E*|及相位角φ,主要目的是用于路面结构设计;水平4疲劳试验的数据处理结果为疲劳方程、疲劳寿命100万次对应的失效应变ε6及疲劳试验质量指数△ε6以及疲劳曲线关系式的斜率和相关系数等。这两种试验方法也可以在UTM多功能路面材料试验机上执行,但是考虑到在这类设备中进行试验时,一次仅能测试1个试件(COOPER的独立式设备可以一次测试2个试件),而且疲劳寿命试验时间很长,以100万次为例,单个试件试验至少需要11-12个小时(25Hz的加载频率),同一种材料至少需要18个试件为1组,即9天日夜不停的连续试验才能完成1组试验,所以将会长时间占有UTM,所以我们强烈建议旨在开展这项试验的用户选择独立式设备进行试验。

图12 英国COOPER的两点梯形梁弯曲试验机(模量与疲劳试验一体机)

 

独立式Overlay罩面层反射裂缝试验仪

完成试验:T0772沥青混合料裂缝扩展性能试验(OT法)

参考标准:美国Tex-248-F德克萨斯州交通部标准

该方法旨在通过测量临界断裂能和抗开裂指数来评价沥青混合料抵抗疲劳和裂缝扩展的性能。该试验可以在UTM、AMPT、AST等多功能试验设备中操作,也可以使用独立式的设备进行试验。对于UTM试验量较大的用户来说,可以增加独立式专用设备来提升试验效率。我们推荐的这款英国COOPER独立式Overlay试验仪除了可以完成Overlay试验外,还可以执行EN 12697-44 SCB半圆弯曲试验和ASTM D7313 DCT碟形试件偏心拉伸试验,通过多种基于断裂能原理的方法来综合判断沥青混合料抵抗裂缝扩展的性能。

图13 英国COOPER独立式Overlay罩面层反射裂缝试验仪

 

独立式低温冻断试验机

完成试验:T0776沥青混合料低温性能试验(低温约束应力法)

参考标准:美国AASHTO TP10和欧盟EN 12697-46 TSRST试验标准

该方法同样可以在UTM多功能路面材料试验机上执行,但要求UTM的温控箱具有低温制冷的功能。国内部分早期UTM的用户温控箱的低温极限为-20℃或-25℃,并不满足低温冻断试验的需求。更换原装进口的低温环境箱费用高昂,采购一台独立专用设备相比之下操作成本更低。所以,我们推荐用户选购英国COOPER的独立式低温冻断试验机来执行这个试验。英国COOPER公司收购了美国OEM公司(该方法的发明者和规范编写组成员),并在OEM的基础上对系统的软硬件进行了升级,比早期系统操作更方便;通过功能扩展,还可以完成AASHTO UTSST草稿试验方法和EN 12697-46中的其他低温试验方法。

图14 英国COOPER独立式低温冻断试验机

 

其他新试验方法

在新的规范中,还有部分新增试验方法在实验室原有的设备上或简单加工一些工具即可完成试验,这部分试验包括:

规范号

试验名称

T0759

冷补沥青混合料贯入强度试验

T0760

冷补沥青混合料黏附性能试验

T0761

冷补沥青混合料浸水马歇尔试验

T0768

浇筑式沥青混合料贯入度试验

T0779

沥青混合料压实特性试验

T0780

沥青混合料流动性试验

T0781

沥青混合料级配离析敏感性试验

T0782

碎石封层平板冲击试验

T0786

沥青混合料冻融劈裂试验(旋转压实仪试件)

T0787

沥青混合料浸水膨胀试验

 

以上即为JTG E20新规范所有新增试验方法和配套设备的介绍,希望通过我们的介绍,能让大家更清楚如何升级您的实验室以满足新规范的要求。
 

欲了解更多《JTG E20新版公路工程沥青及沥青混合料试验规程》信息,欢迎关注欧美大地

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