瀝青混合料設(shè)計(jì)成型方法對SAC瀝青混合料路用性能的影響

楊瑞華， 彭妙娟

(1. 上海城建職業(yè)學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院， 上海 201999； 2. 上海大學(xué) 土木工程系， 上海 200444)

瀝青混合料設(shè)計(jì)中試件的成型方法對瀝青混合料路用性能起著非常重要的作用。若在設(shè)計(jì)中混合料試件所受壓實(shí)功偏小，實(shí)際路面上的瀝青混合料在高溫環(huán)境下容易引起泛油、車轍等問題。反之，若設(shè)計(jì)中混合料試件所受的壓實(shí)功偏大，則實(shí)際路面上瀝青混合料容易引起水損壞、疲勞損壞等一系列耐久性問題。

我國目前的瀝青混合料設(shè)計(jì)主要采用馬歇爾擊實(shí)方法成型試件。這種方法物理指標(biāo)明確，試驗(yàn)簡單方便，易于室內(nèi)和施工現(xiàn)場操作。但是隨著交通量、輪胎壓力和軸載的迅速增長，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，這種方法逐漸顯現(xiàn)出它的局限性，主要體現(xiàn)在：與路面設(shè)計(jì)不掛鉤，不能準(zhǔn)確的判斷不同交通量對瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)，試件成型方法不能模擬行車壓實(shí)等。

美國SHRP利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法利用汽車輪胎對路面的實(shí)際接觸壓強(qiáng)設(shè)定試驗(yàn)時的設(shè)計(jì)壓強(qiáng)，考慮了豎向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，模擬了現(xiàn)代壓實(shí)機(jī)具，使混合料中的集料分布更接近現(xiàn)場的壓實(shí)過程。

SAC瀝青混合料采用較多的粗碎石形成骨架，瀝青砂膠填充骨架中的孔隙并使骨架膠合在一起而形成的一種骨架密實(shí)型的瀝青混合料。本次實(shí)驗(yàn)通過對SAC瀝青混合料進(jìn)行SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)與馬歇爾擊實(shí)研究，分析不同成型方法設(shè)計(jì)對SAC瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性、疲勞性能的差別，將對SAC瀝青混合料的設(shè)計(jì)、施工提供一些指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)方案

混合料類型采用SAC-13瀝青混合料。首先采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)方法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)125次成型試件，以4%空隙率所對應(yīng)的油石比作為最佳油石比。然后再采用車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、小梁彎曲疲勞試驗(yàn)分別評價(jià)不同成型方法設(shè)計(jì)的同種級配的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和疲勞性。

本次研究采用SBS改性瀝青，PG分級為70-22。粗集料采用輝綠巖，壓碎值13%，粘附性5級。細(xì)集料采用石灰?guī)r，壓碎值21.5%，粘附性4級。填料采用32.5級水泥，水泥視密度為3 g/cm3。混合料類型為SAC-13，級配見表1。

表1 試驗(yàn)所用SAC-13級配 %

采用相同的集料、級配、以及同種類型的瀝青，而成型方法不同，得到的最佳油石比匯總見表2。

表2 不同成型方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料最佳油石比 %

2 不同成型方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料高溫性能比較

2.1 車轍試件成型

本次研究選用車轍試驗(yàn)方法評價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。采用馬歇爾方法設(shè)計(jì)的SAC瀝青混合料，其輪碾成型試件壓至馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度100%±1%；采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次設(shè)計(jì)的瀝青混合料，其輪碾成型試件壓至旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次的標(biāo)準(zhǔn)密度100%±1%；采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)125次設(shè)計(jì)的瀝青混合料，其輪碾成型試件壓至旋轉(zhuǎn)壓實(shí)125次的標(biāo)準(zhǔn)密度100%±1%。通過反復(fù)試壓，確定了不同成型方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料輪碾成型次數(shù)見表3。

表3 車轍試件碾壓成型次數(shù)及體積指標(biāo)匯總

2.2 車轍試驗(yàn)

進(jìn)行60 ℃車轍試驗(yàn)，采取動穩(wěn)定度和60 min末的相對變形值作為評價(jià)高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)。不同成型方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從車轍試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無論是動穩(wěn)定度指標(biāo)還是60 min末的相對變形，SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次設(shè)計(jì)的混合料高穩(wěn)定性能最好，而標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾成型設(shè)計(jì)的混合料高溫性能最差。我國現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)范中，對于平行試驗(yàn)動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)允許值為20%，而SGC旋轉(zhuǎn)100次的動穩(wěn)定度結(jié)果與SGC旋轉(zhuǎn)125次結(jié)果的變異系數(shù)才僅為0.38%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20%。這說明，這兩組動穩(wěn)定度結(jié)果應(yīng)該是屬于同一水平。

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3 不同成型方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料水穩(wěn)定性能比較

瀝青路面水損害是路面早期破壞的重要因素之一。采用凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，也有利于與我國其他工程的水穩(wěn)定性進(jìn)行比較。三種不同成型方式設(shè)計(jì)的瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果匯總見表5。

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果匯總

按照三種成型方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料，其凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足現(xiàn)行規(guī)范中大于75%的要求。其中按標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾成型方法設(shè)計(jì)的混合料水穩(wěn)定性最好，而按照SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)125次設(shè)計(jì)的混合料水穩(wěn)定最差。

4 不同成型方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料疲勞性能比較

道路受環(huán)境氣溫影響和車輪荷載的反復(fù)作用，長期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，當(dāng)荷載重復(fù)作用超過一定次數(shù)后，產(chǎn)生疲勞斷裂破壞，路面出現(xiàn)裂紋。

在本次研究中，采用小梁彎曲疲勞試驗(yàn)測試瀝青混合料的疲勞性能。加載控制方式采用應(yīng)力控制，三分點(diǎn)加載。荷載波形采用正弦波荷載，加載頻率為10 HZ，試驗(yàn)溫度為15 ℃。疲勞試驗(yàn)的小梁試件采用輪碾成型切割而成，試件尺寸為50×50×250 mm3。試驗(yàn)過程中，首先測出每一種瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度，根據(jù)彎拉強(qiáng)度確定0.2，0.3，0.4，0.6，0.7等五個不同的應(yīng)力比作為應(yīng)力水平。

4.1 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)之前，對瀝青混合料小梁試件進(jìn)行了彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，三種不同成型方法設(shè)計(jì)的SAC-13瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度均值見表6。從表6可以看出，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)125次設(shè)計(jì)的瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度最大，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次設(shè)計(jì)的瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度最小。

表6 SAC-13瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度 Mpa

4.2 疲勞試驗(yàn)分析

采用三種不同成型方法設(shè)計(jì)的SAC-13瀝青混合料小梁彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表7，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，不同成型方法設(shè)計(jì)得到的瀝青混合料應(yīng)力與疲勞壽命雙對數(shù)曲線見圖1，雙對數(shù)曲線基本呈線性關(guān)系，回歸系數(shù)R2均大于0.9，這說明曲線的相關(guān)性都比較好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高?；貧w得到的SAC-13瀝青混合料疲勞方程匯總見表8，疲勞方程基本形式為：

圖1 不同設(shè)計(jì)成型方法設(shè)計(jì)的SAC-13雙對數(shù)疲勞壽命曲線

設(shè)計(jì)成型方法應(yīng)力水平彎拉強(qiáng)度/MPa疲勞壽命平均值對數(shù)疲勞壽命平均值標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾成型0.20.96400824.60080.05280.31.44144334.15050.10810.41.9281023.90560.06130.62.8820853.30000.1535310.73.33611833.06800.0788旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次0.20.96670884.82660.00430.31.44216614.33310.05820.41.9269953.84290.04970.62.8823213.34760.15550.73.38412083.08190.0200旋轉(zhuǎn)壓實(shí)125次0.20.912372034.57050.01060.31.392260024.41020.07920.41.848135394.13120.02370.62.78419663.28550.10330.73.2414733.15610.1289

式中：Nf為疲勞壽命；σt為施加的應(yīng)力；K，n為系數(shù)。

疲勞方程中的系數(shù)n反映了瀝青混合料疲勞壽命對所施加應(yīng)力的敏感程度，n越大表明疲勞壽命對應(yīng)力變化的敏感程度越大，試驗(yàn)結(jié)果表明采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次設(shè)計(jì)的混合料疲勞壽命對應(yīng)力變化的敏感度最大，而標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)設(shè)計(jì)的混合料疲勞壽命對應(yīng)力變化的敏感度最小。疲勞方程中的系數(shù)k反映了瀝青混合料疲勞性能的好壞，k越大表明材料的抗疲勞性能越好，試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次設(shè)計(jì)的混合料具有最好的抗疲勞性，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)設(shè)計(jì)的混合料抗疲勞性最差。

表8 不同方法設(shè)計(jì)的SAC-13疲勞壽命方程

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)結(jié)果表明，對于骨架密實(shí)型的SAC多碎石瀝青混合料采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次成型設(shè)計(jì)，能得到更好的綜合路用性能。這主要是因?yàn)椋篠AC多碎石瀝青混合料中的粗集料較多，4.75 mm粒徑以上的粗集料含量比例達(dá)70%。標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)方法是采用標(biāo)準(zhǔn)錘沖擊的方法對材料進(jìn)行壓實(shí)，成型的沖擊力容易使粗集料擊碎，不利于粗集料的重新定向排列，改變了集料級配組成。而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法的壓實(shí)機(jī)理與施工現(xiàn)場壓實(shí)機(jī)具的作用機(jī)理相似，對集料有定向壓實(shí)作用，有利于粗集料的定向排列形成骨架，同時降低了粗集料擊碎值，保持了級配的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)125次成型設(shè)計(jì)混合料路用性能與100次成型相比有所降低，這說明單純通過增加壓實(shí)功的方式提高混合料密實(shí)度是有限的，壓實(shí)次數(shù)超過100次后，對于SAC-13瀝青混合料的壓實(shí)效果增加不明顯，而且會增加粗集料的破碎率。

標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)成型設(shè)計(jì)的瀝青混合料最佳油石比最大，達(dá)到5.7% ，較旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型設(shè)計(jì)的最佳油石比多2%～4%。這說明，為了達(dá)到混合料4%的空隙率，馬歇爾成型的瀝青混合料需要更多的瀝青去填充集料間空隙。瀝青的增加，勢必會造成瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的減弱，水穩(wěn)定性的增強(qiáng)。這也是造成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)成型設(shè)計(jì)的SAC瀝青混合料動穩(wěn)定度結(jié)果最差，而凍融劈裂強(qiáng)度比TSR最小的原因。

為進(jìn)一步驗(yàn)證分析的結(jié)論，對不同成型方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料成型前后4.75 mm篩孔通過率進(jìn)行分析，對比不同成型方式下SAC-13瀝青混合料的粗集料破碎率，試驗(yàn)結(jié)果見表9。試驗(yàn)結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)對集料的破碎作用最大，破碎率高達(dá)9.1%；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的集料破碎率明顯小于標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)成型，且隨著旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的增加，粗集料破碎率呈增加趨勢。

表9不同成型方式下SAC-13粗集料破碎率%

成型方式成型前4.75 mm通過率成型后4.75 mm通過率粗集料(4.75 mm以上)破碎率標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)3039.19.1旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次3033.33.3旋轉(zhuǎn)壓實(shí)110次3034.14.1旋轉(zhuǎn)壓實(shí)120次3034.84.8

基于以上分析，可以發(fā)現(xiàn)SAC多碎石瀝青混合料粗集料含量很大，標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)方法難以壓實(shí)，結(jié)合施工現(xiàn)場情況，建議施工現(xiàn)場多增加重型壓實(shí)機(jī)具，以克服粗集料之間摩阻力，并提高混合料攤鋪溫度和壓實(shí)溫度，增加混合料的有效壓實(shí)時間。

7 結(jié) 論

(1)綜合高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及疲勞性能的試驗(yàn)結(jié)果，對于骨架密實(shí)型的SAC多碎石瀝青混合料采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次成型設(shè)計(jì)，會得到更好的綜合路用性能。

(2)當(dāng)瀝青混合料中粗集料較多時，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)會造成較多粗集料破碎，使用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次的壓實(shí)效果較好.

(3)SAC瀝青混合料現(xiàn)場施工應(yīng)多增加重型壓實(shí)機(jī)具，提高混合料攤鋪溫度和壓實(shí)溫度，增加混合料的有效壓實(shí)時間。

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