瀝青路面真空壓實的試驗研究

陳世斌，袁永強，姚運仕，李曉輝

(1.長安大學 公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710064；2.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

近年來，隨著我國公路交通的迅猛發(fā)展，瀝青路面已占據(jù)我國高速公路的90%以上，伴隨著我國從交通大國向交通強國的邁進，提高瀝青路面服役性能和壽命是重要一環(huán)[1-3].壓實是路面建設中一個重要過程，相關研究表明高效的壓實可使瀝青路面取得更高的壓實度、增強瀝青路面抗變形能力、提高瀝青路面使用壽命[4-6].為提高路面的質(zhì)量，許多學者從材料壓實特性、新的壓實技術及工藝等方面展開了廣泛的研究.馬士賓研究集了料棱角對瀝青混合料性能的影響，認為優(yōu)化粗、細集料的棱角能改善瀝青混合料的微觀結構、提高抗車轍性能、降低混合料的抗開裂性[7]；朱浩然研究了活性橡膠瀝青膠結料的改性機理，發(fā)現(xiàn)其能分散在瀝青內(nèi)部形成網(wǎng)狀互聯(lián)結構, 顯著提高瀝青膠結料高溫性能[8]；YOU等認為納米黏土改性瀝青能夠增加瀝青路面承受剪切力，提高粘結強度[9].在壓實技術和工藝方面，除了傳統(tǒng)的靜壓、振動壓實技術，也出現(xiàn)了一些新技術[10-12].YAO設計了雙頻振動壓路機，實現(xiàn)更深的壓實深度[13]；JIANG等的研究認為垂直振動壓實方法能提高瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定性、劈裂強度和抗剪切力[14]；TAN等采用光纖布拉格光柵傳感技術對瀝青路面壓實進行質(zhì)量控制，有效提高壓實均勻性及減少壓實遍數(shù)[15]；XU等評估了智能壓實技術(IC)，認為計算機輔助技術能夠改善瀝青路面壓實質(zhì)量[16].上述壓實技術或工藝是基于傳統(tǒng)壓實方法的深化，瀝青路面的空隙率仍然有降低可能.

因此，本文提出瀝青路面真空壓實方法，旨在突破傳統(tǒng)壓實方法的束縛，使瀝青混合料在真空環(huán)境中壓實，以強化其微觀結構，進一步提高瀝青混合料壓實質(zhì)量.

1 真空壓實機理

瀝青混合料是由氣相(空氣)、液相(瀝青)和固相(集料)組成的三相體系.壓實的實質(zhì)是移除氣相，使液相和固相發(fā)生重新排列而減少空隙率，因微觀結構得到強化而提高宏觀壓實質(zhì)量.

瀝青混合料中的空氣主要有兩部分：一部分是存在于開口孔隙與大氣連通的自由氣體，另一部分是封閉于閉口孔隙的氣體，見圖1.在壓實時，對于開口孔隙，其中大部分自由氣體被直接擠出，少部分自由氣體因開口孔隙閉合形成新的封閉氣體；對于閉口孔隙，其中的一部分封閉氣體因氣泡破裂而變成自由氣體排出，其余部分則因閉口孔隙受擠壓而分裂為多個更小氣泡而被封閉.隨著壓實的進行，氣體不斷被排出，瀝青混合料持續(xù)發(fā)生塑性變形而密實.當壓實到一定程度，自由氣體變得很少，剩下難于溢出存在于閉口孔隙的封閉氣體，這些被瀝青包裹的大量氣泡形成了數(shù)量可觀的“氣體彈簧”，與所支撐的集料形成“彈簧質(zhì)量系統(tǒng)”，抵抗瀝青混合料塑性變形，見圖2，其法向和切向彈簧剛度可表征公式1和公式2，壓實中將耗散大量壓實能量，同時也使壓實變得困難，.因此，將瀝青混合料置于真空室中，利用內(nèi)外壓力差打破氣相、液相和固相間暫時的力平衡關系，消除“氣體彈簧”效應，使液相和固相發(fā)生重新排列而減少空隙率、提高承載力.

(1)

(2)

圖1 瀝青混合料內(nèi)部氣孔分布Fig.1 Airhole distribution inside asphalt mixtures

圖2 “氣體彈簧”效應示意圖Fig.2 Schematic diagram of “gas spring” effect

2 真空壓實樣機的設計

真空室作用于被壓實材料時，即微孔網(wǎng)絡處于真空室下，這樣就破壞了瀝青混合料內(nèi)部相互作用的氣、液、固三相間不穩(wěn)定的力平衡，因此，需要在瀝青混合料壓實的時候形成一個真空環(huán)境，圖3所示的真空壓實樣機結構示意圖.圖3中，通過前后兩個鋼輪、以及處于同一水平面的兩邊支撐架形成一個封閉空間，當需要形成真空時，采用高壓離心風機抽出封閉空間的空氣，最終形成一個真空室與壓實的瀝青材料共同作用的環(huán)境，當壓路機行走時，路面材料始終處在一個真空壓實的狀態(tài)下.

圖3 真空樣機三維模型Fig.3 Three-dimensional model of vacuum prototype

圖4 真空壓實樣機Fig.4 Vacuum compaction prototype

真空壓實試驗樣機主要包括動力裝置、振動動力裝置、真空罩、鋼輪、機架和扶手等六部分.真空度通過一個三通閥的開口來調(diào)節(jié)，圖4所示為真空壓實樣機，表1為真空壓實試驗樣機的主要參數(shù).通過控制振動電機及風機開啟，該樣機能完成靜壓、振動壓實、靜壓+真空和振動+真空等四種不同工況的對比試驗.

表1 真空壓實試驗樣機主要參數(shù)

3 瀝青路面真空壓實試驗研究

3.1 試驗方案

試驗對象為細粒式AC-13冷拌瀝青混合料，配比見表2.采用雙螺旋無軸攪拌機攪拌，人工攤鋪成原高度7 cm的4.5 m×1 m的松鋪層.試驗共有四種工況：常規(guī)靜壓、靜壓+真空、常規(guī)振動壓實和振動+真空，其中兩種真空壓實時真空度值為-0.01 MPa.四種工況的壓實工藝相同，首先預壓2遍，然后在不同的區(qū)域分別壓實2遍、4遍、6遍、8遍和10遍，根據(jù)試驗要求取芯進行試驗測試.

表2 冷拌瀝青混合料的配比

3.2 空隙率試驗及結果分析

為了評價瀝青路面微觀結構，采用表干法對瀝青路面的空隙率進行測量，圖5為瀝青路面在不同工況下的空隙率.對比靜壓和靜壓+真空下瀝青混合料空隙度，在壓實2遍后，靜壓路面空隙率為18.15%，靜壓+真空路面空隙率為15.17%；隨著壓實遍數(shù)增加，靜壓+真空的空隙率總體趨勢是小于靜壓；但在碾壓遍數(shù)為6次之后，靜壓+真空下的空隙率比單純的靜壓變化小，這表明靜壓+真空工藝在壓實前期就具有較好的壓實效果，即需要較少的壓實遍數(shù)就能達靜壓的壓實效果.隨著壓實遍數(shù)進一步增加，靜壓+真空的空隙率還能進一步減小.進一步對比振動壓實與振動壓實+真空的效果，發(fā)現(xiàn)在壓實10遍后，振動壓實+真空方法的空隙率始終低于普通的振動壓實，平均低1%左右，表明振動壓實在引入真空這一效應后，起到了對路面微觀效果強化的作用；另一個特征是，在壓實6遍后，振動壓實+真空的空隙率變化不明顯，表明由于真空的作用，其在很少的壓實遍數(shù)下就能實現(xiàn)更好的壓實效果.

圖5 空隙率隨壓實遍數(shù)的變化Fig.5 The variation of void fraction with compaction number

圖6與圖7分別為四種不同壓實工況瀝青路面的瀝青飽和度和礦料空隙率隨壓實遍數(shù)的變化.從圖6上可知，從整體趨勢上看，在不同工況下，隨著壓實遍數(shù)的增加瀝青飽和度呈現(xiàn)增大的趨勢，在碾壓的前6遍中，增加較為明顯，壓實6遍后，增加趨勢減緩；對比普通壓實與真空壓實下的瀝青飽和度與壓實遍數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)加入真空作用后，無論是靜壓還是振動壓實，瀝青路面的瀝青飽和度大于未加入真空前，其中振動壓實更為明顯，在碾壓10遍后，路面瀝青飽和度平均增加值1.98%，在壓實4遍時更是從42.1%增加到47.2%，高于普通振動壓實10遍時的值，試驗結果表明引入真空壓實能夠有效的增加瀝青路面中瀝青的飽和度，增加微觀結構的緊密型.圖7中同樣能夠看出，當引入真空壓實效應后，無論是靜壓還是振動壓實，礦粉間隙率比未引入真空時有明顯減小，表明在真空環(huán)境下能夠起到強化作用.

圖6 瀝青飽和度隨壓實遍數(shù)的變化Fig.6 Variation of saturation of asphalt with compaction number

圖7 礦料間隙率隨壓實遍數(shù)的變化Fig.7 Variation of mineral clearance rate with compaction number

為進一步驗證真空壓實對瀝青路面微觀結構的強化作用，對四種工況下瀝青路面微觀結構進行分析，圖8為四種工況下瀝青路面內(nèi)部的SEM.由圖8(a)知，在靜壓下，瀝青路面的瀝青膠漿與集料界面處有寬度較大的連續(xù)裂紋，且分界面清晰并分布較多窄小的微裂紋；由圖8(b)可知，在靜壓+真空下，瀝青混合料瀝青膠漿與集料界面處也出現(xiàn)一些裂紋，但其寬度不大、不連續(xù)且彼此相互獨立；由圖8(c)看出，在振動壓實下，瀝青膠漿與集料界面處有少許斷斷續(xù)續(xù)的裂紋，裂紋寬度較小，邊界模糊，瀝青膠漿-集料界面成絲絮狀粘接相互間較獨立；由圖8(d)可知，在振動壓實+真空下，在瀝青膠漿與集料界面間幾乎沒有微裂紋，與其它工況相比，界面粘結緊湊、平滑微觀結構最好.可見，無論靜壓還是振動壓實，引入真空時瀝青混合料中瀝青膠漿-集料界面處的裂紋數(shù)量明顯減少，寬度較窄，呈現(xiàn)出更為緊湊的微觀結構.

圖8 不同壓實工況下瀝青混合料的SEM圖像Fig.8 SEM images of asphalt mixtures under different compacting conditions

由上述試驗可知，真空壓實能夠極大的強化瀝青路面的微觀結構，增加顆粒間的緊密型，最終實現(xiàn)壓實度的提高.其原因主要歸結于以下兩點：一方面瀝青混合料中存在大量的微孔網(wǎng)絡，當真空室與其相連并作用時，由于負壓的作用，破壞了瀝青混合料內(nèi)部相互作用的氣、液、固三相間不穩(wěn)定的力平衡，瀝青混合料中形成了壓力差，通道中的氣體就會朝氣壓低的真空室內(nèi)流動，使顆粒之間更為緊密；另一方面，正常壓實下難以刺破的閉口孔隙將有一部分破裂，其中封閉氣體更易排出，一部分孔隙受擠壓而分裂為多個更小的氣泡孔.這兩種現(xiàn)象在壓實過程同步交叉發(fā)生，不斷相互演變，隨著壓實的進行，氣體不斷被排出，瀝青混合料持續(xù)發(fā)生塑性變形而密實.

4 結論

對真空壓實樣機進行設計并制造，利用真空壓實樣機對瀝青混合料進行了不同工況下的壓實試驗對比，主要結論如下：

(1)分析了真空壓實機理，完成了手扶式真空樣機設計與制造，實現(xiàn)靜壓、靜壓+真空、振動壓實、振動壓實+真空四種不同工況下的壓實試驗；

(2)無論靜壓、振動壓實，在加入真空作用后，靜壓+真空下瀝青路面空隙率比靜壓下減小了4.53%，振動+真空下比振動下降低了5%，礦粉間隙率和瀝青飽和度也顯示真空壓實具有更好的效果.

(3)對四種工況下的瀝青混合料進行SEM發(fā)現(xiàn)，帶真空壓實時瀝青混合料中瀝青膠漿-集料界面處的裂紋數(shù)量明顯減少，寬度較窄，對內(nèi)部顆粒的微觀結構具有明顯的強化作用.