旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和馬歇爾擊實(shí)試件體積特性差異的試驗(yàn)研究

張永平

（杭州市公路管理局，浙江杭州 300030）

0 前言

瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法是在總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)瀝青混合料使用設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。世界上絕大部分國(guó)家現(xiàn)行的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法主要是馬歇爾法，該方法使用擊實(shí)法成型試件，并測(cè)試試件體積參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，主要技術(shù)參數(shù)有馬歇爾穩(wěn)定度、流值、空隙率、瀝青飽和度和礦料間隙率等；Superpave熱拌瀝青混合料設(shè)計(jì)方法是美國(guó)SHRP的主要研究成果，該方法分為3個(gè)設(shè)計(jì)水平。目前，設(shè)計(jì)水平II和III由于較為復(fù)雜尚未到實(shí)用階段，設(shè)計(jì)水平I由于概念清晰、方法實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)被普遍接受。

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的混合料設(shè)計(jì)方法和Superpave法的本質(zhì)是體積參數(shù)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定礦料級(jí)配和油石比，兩種設(shè)計(jì)方法的最主要的差別體現(xiàn)在成型方式上。由于馬歇爾試驗(yàn)方法應(yīng)用較為成熟，Superpave方法能夠較好地模擬道路施工過(guò)程中的壓實(shí)作用，因此，工程實(shí)踐中常用的設(shè)計(jì)方法是采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定油石比，然后通過(guò)建立相應(yīng)的馬歇爾擊實(shí)次數(shù)與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)之間的關(guān)系確定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和混合料性能檢驗(yàn)。但是馬歇爾擊實(shí)次數(shù)與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)之間關(guān)系的建立是否具有科學(xué)依據(jù)，并沒(méi)有相關(guān)研究對(duì)其進(jìn)行論證。因此，本文主要研究馬歇爾試驗(yàn)方法與Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)方法之間的相關(guān)性，以驗(yàn)證馬歇爾擊實(shí)次數(shù)與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)之間關(guān)系的建立是否科學(xué)合理。

1 試驗(yàn)材料和試件成型

本研究采用4種混合料級(jí)配，級(jí)配組成設(shè)計(jì)參照規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），5種試驗(yàn)混合料的級(jí)配組成見(jiàn)表1。其中，混合料1和混合料2使用輝綠巖粗集料與針片狀顆粒含量較高的石灰?guī)r細(xì)集料配制；混合料3和混合料4使用輝綠巖粗集料與針片狀顆粒含量較低的石灰?guī)r細(xì)集料配制。混合料1和混合料3級(jí)配曲線近似相同，混合料2和混合料4級(jí)配曲線近似相同，只是細(xì)集料所用材料不同。4種混合料均采用70#瀝青進(jìn)行試驗(yàn)。

馬歇爾試件成型方式為雙面各75次擊實(shí)成型，使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸(φ101.6mm×63.5mm)；Superpave試件成型方式為125次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型（壓強(qiáng)600 kPa、旋轉(zhuǎn)角 1.25°、30r/min），使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸(φ150mm×115mm)。在兩種成型方法中，混合料的拌合和成型溫度相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件的礦料間隙率

圖1中給出了4種試驗(yàn)混合料在不同的成型方式下得到的試件的礦料間隙率（VMA）與油石比的關(guān)系對(duì)比圖。由圖1(a)和圖1(b)可知，采用馬歇爾成型方法與采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法制得的混合料1和混合料2的礦料間隙率隨著油石比的升高而升高，但是隨著油石比的升高，兩種成型方法所得到的混合料1試件的礦料間隙率差值有減小的趨勢(shì)，而兩種成型方法得到的混合料2試件的礦料間隙率差值有變大的趨勢(shì)。且從圖1(a)和圖1(b)可知，對(duì)于兩種不同的成型方法，在相同的油石比條件下，采用馬歇爾成型方法得到的混合料礦料間隙率要高于采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法得到的試件礦料間隙率。

由圖1(c)和圖1(d)可知，采用兩種不同的成型方法得到的混合料3試件和混合料4試件，其礦料間隙率隨著油石比的升高表現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)不一致。在所選擇的油石比范圍內(nèi)，在相同的油石比條件下，采用馬歇爾成型方法得到的混合料礦料間隙率要低于采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法得到的試件礦料間隙率。從圖1(c)可知，隨著油石比的升高，采用馬歇爾擊實(shí)成型方法得到的混合料礦料間隙率有減小的趨勢(shì)，而采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法得到的混合料礦料間隙率有增大的趨勢(shì)；由圖1(d)可知，隨著油石比的升高，兩種成型方法制得的混合料礦料間隙率都有減小的趨勢(shì)。

混合料1和混合料2所采用的石料具有較好的棱角性，有助于增強(qiáng)集料間的嵌擠作用。使用馬歇爾試驗(yàn)方法時(shí)，這種嵌擠作用力會(huì)在一定程度上抵消由于增加瀝青用量而產(chǎn)生的潤(rùn)滑作用，隨著瀝青用量的增加，礦料間隙率也不會(huì)出現(xiàn)明顯的改變；而采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)時(shí)，針片狀含量較高的的顆粒很容易被擊碎，從而使目標(biāo)級(jí)配比設(shè)計(jì)級(jí)配要偏細(xì)。顆粒組成的改變引起集料之間的嵌擠作用隨之改變，瀝青用量的改變就能很明顯的影響混合料的礦料間隙率。因此也就得到了圖1(a)和圖1(b)所表現(xiàn)出來(lái)的情況，即在相同的油石比條件下，使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型得到的混合料礦料間隙率較大。

表1 試驗(yàn)選擇的級(jí)配

圖1 試驗(yàn)混合料在兩種成型條件下試件礦料間隙率的對(duì)比圖

混合料3和混合料4所采用的集料一致，只是級(jí)配組成不同，兩種混合料在不同成型方式下礦料間隙率與油石比的關(guān)系呈現(xiàn)不同的規(guī)律；混合料1和混合料3以及混合料2和混合料4所采用的級(jí)配一致，集料材料不同，混合料1和混合料3以及混合料2和混合料4之間，在不同成型方式下礦料間隙率與油石比的關(guān)系也呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。這表明馬歇爾擊實(shí)成型和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型之間不具備明顯的相關(guān)性。

2.2 試件的空隙率

圖2給出了4種試驗(yàn)混合料在不同的成型方式下得到的試件的空隙率與油石比的關(guān)系對(duì)比圖。由圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)可知，在相同的油石比下，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型混合料的空隙率要高于采用馬歇爾擊實(shí)成型試件的空隙率；由圖2(d)可知，在相同的油石比下，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型混合料的空隙率要低于采用馬歇爾擊實(shí)成型試件的空隙率。由此可知，兩種成型方式得到混合料的空隙率不具有相關(guān)性。

采用相同的方法分析兩種成型方式下其他體積參數(shù)與油石比的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)也不具備較好的相關(guān)性。

圖2 4種級(jí)配混合料兩種成種成型試件的空隙率對(duì)

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在相同的油石比和級(jí)配組成條件下，采用馬歇爾擊實(shí)成型方法和采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法制得的混合料試件，它們礦料間隙率之間，空隙率之間以及其他體積參數(shù)之間，相關(guān)性都不明顯。因此傳統(tǒng)的根據(jù)體積特性等效原則建立馬歇爾擊實(shí)次數(shù)與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)之間關(guān)系的理論是不科學(xué)的。

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