真空壓實下瀝青混合料壓實性能評價研究

朱武威，馬景存，姚運仕，王瑞龍，馮忠緒

(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(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

近年來，隨著瀝青路面的大力建設(shè)以及路面舒適度、質(zhì)量要求的提升，提高路面質(zhì)量，延長服役壽命成為路面建設(shè)的迫切需求.在瀝青路面建設(shè)中，施工質(zhì)量與路面質(zhì)量密切相關(guān)，而壓實質(zhì)量不高，往往是產(chǎn)生病害的重要原因之一[1-3].公路施工實踐證明，通過高效壓實使瀝青路面達到要求的壓實度，可以減少甚至避免瀝青路面在行車載荷作用下早期破壞，增強抗永久變形能力，延長路面使用壽命[4-6].因此，壓實是提高路面質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，尋找新的壓實方法成為路面建設(shè)的迫切需求.

為了提高路面的壓實質(zhì)量，增強路面的服役性能，國內(nèi)外研究者進行了廣泛的研究.一些學者從材料改進帶動壓實性能提高進行了研究，Celauro等[7]研究添加50%再生料的柔性路面抗車轍性能，通過采用高流變?yōu)r青、嚴格控制瀝青混合料均勻性等措施保證了路面性能；Chen等[8]研究添加纖維的瀝青路面性能，發(fā)現(xiàn)纖維形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不但可以增大動態(tài)模量，而且可以吸收應(yīng)力，從而提高了瀝青路面抗損壞能力；Xiao等[9]研究了橡膠改性瀝青混合料的性能，添加橡膠微粒和添加劑后，瀝青混合料流變特性發(fā)生變化，增強了瀝青路面在凍融作用下的抗破壞能力，從而提高瀝青路面的性能.然而，材料性能的改進對瀝青路面性能的提升遠遠不夠，更多學者從事著壓實方法及壓實工藝改進研究[10-12].趙鐵栓等[13]針對振動壓路機電液調(diào)幅系統(tǒng)具有非線性、大時滯的缺點, 提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 控制策略, 提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，彌補現(xiàn)有振動壓路機振動輪調(diào)幅裝置的不足；劉玉龍[14]對垂直振動壓實技術(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)激振機構(gòu)可以使激振器在水平方向上的激振力相互抵消，不會在其他方向上產(chǎn)生振動的擾動，壓實中能量損失要大大降低，能量輻射深度大大提高；Yao等[15]對雙頻合成振動壓實原理進行研究，在任一擋位下同時存在2個頻率及其對應(yīng)的振幅，與同噸位常規(guī)壓路機相比，雙頻合成振動壓路機工業(yè)樣機各層壓實度較高；VOLVO公司將瀝青路面所用振動壓路機引入智能系統(tǒng)，具有IC 系統(tǒng)的壓實路徑、溫度分布圖顯示及數(shù)據(jù)存儲等，操作人員可以實時獲得能判斷作業(yè)是否達標的壓實值，能夠做到壓實度的實時調(diào)整，使得瀝青路面具有更好的平整度[16].上述研究都是以現(xiàn)有成熟壓實技術(shù)為基礎(chǔ)進行改進，力求解決壓實度、平整度與均勻性的統(tǒng)一問題，對瀝青混合料壓實度的改進已經(jīng)達到一定極限，難以突破閉鎖氣孔的抵抗，不易實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)強化，需要尋找新的壓實原理才能實現(xiàn).

為了進一步提高瀝青路面壓實度、解決瀝青路面壓實不足的引起質(zhì)量問題，本文提出了在一定真空環(huán)境下對瀝青材料進行壓實的新方法，將瀝青混合料置于真空室，瀝青混合料開孔孔隙與真空室連通，受氣體壓差作用，將瀝青混合料內(nèi)部氣體由傳統(tǒng)壓實的“被動擠出”變?yōu)椤爸鲃右绯觥保M一步實現(xiàn)密實度的增加.并基于馬歇爾擊實儀設(shè)計制造了真空擊實儀器，對瀝青混合料在常規(guī)壓實和真空壓實進行對比，評價最終壓實效果.

1 試驗方法與方案

本試驗采用粘性較大、軟化點較高的道路石油瀝青A70，按我國《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2006)對集料的堅固性進行要求，粗集料應(yīng)該具有潔凈、干燥、表面紋理良好、有足夠強度等性質(zhì)，采用破碎礫石；細集料石屑.并采用AC13瀝青混合料路面級配為例進行研究，具體級配如表1所示.礦粉含量為6%，瀝青用量為5%.

表1 試驗用集料(70#AC13)級配Tab.1 Aggregate (70#AC13) gradation in the experiment

試驗時集料用電熱鼓風干燥箱烘干加熱至170 ℃，按集料級配要求確定每種集料的質(zhì)量；同時按配比確定瀝青質(zhì)量，并加熱到160 ℃，與已經(jīng)干燥、稱量好的集料、礦粉進行充分攪拌，得到溫度為155～165 ℃瀝青混合料.

真空壓實試驗在真空擊實筒中進行，如圖1所示為設(shè)計并制造的真空試驗裝置，其腔內(nèi)徑尺寸為101.6 mm，高度63.5 mm.

圖1 瀝青真空擊實試驗裝置Fig.1 Vacuum Compaction Test Device of Asphalt Mixture

為了保證試驗的準確性，試驗時將真空擊實筒與攪拌裝置預(yù)熱到165 ℃，將高溫瀝青混合料倒入真空擊實筒中，并緊固端蓋螺栓，保證真空腔內(nèi)密封.真空擊實過程為：通過真空泵預(yù)先抽取真空擊實筒腔內(nèi)空氣，達到設(shè)定真空度之后待其穩(wěn)定，手動將擊實錘提升到初始最大高度，保證每次下落高度一致，利用擊實桿自由下落的重力對腔內(nèi)的瀝青混合料進行擊實，達到了在真空環(huán)境下壓實瀝青混合料.用游標卡尺測量承力壓實裝置的頂端與端蓋面之間的高度h，擊實前后兩次測量高度之差即為沉降量.在未抽取真空與不同真空度的條件下，用高度游標卡尺測量每一次或者每幾次擊實后混合料的沉降量以及擊實結(jié)束之后的累積沉降量，為了減小誤差，試驗中每次在同一平面測量5組數(shù)據(jù)，計算平均值作為此次數(shù)據(jù).試驗中，每個試驗樣本總的擊實次數(shù)為80次，并將擊實80次后的累積沉降量作為瀝青混合料最終壓實沉降量.通過對比瀝青混合料在普通壓實與在不同真空度環(huán)境下壓實的沉降量來評價真空壓實效果，為后續(xù)研究提供依據(jù).

2 試驗結(jié)果與討論

將制備好的瀝青混合料在瀝青真空裝置中進行常規(guī)擊實和真空擊實.圖2為采用常規(guī)擊實和在真空度為-0.04 MPa下?lián)魧嵉臑r青混合料的沉降量對比.從圖2中可以看出，在相同間隔的擊實次數(shù)下，真空壓實的沉降量都高于普通壓實；在1～5次擊實階段，每擊實1次，真空壓實和普通壓實區(qū)別不大，隨擊實次數(shù)增加沉降量逐漸減小，這是由于密實度逐步增加導(dǎo)致每次的下降量更??；在第6～30次擊實階段，每擊實5次測量一次數(shù)據(jù)，在31～80次階段，每擊實10次測量一次數(shù)據(jù)，結(jié)果表明擊實次數(shù)在6～80次之間時，隨著壓實度的逐步增加，相同間隔下的擊實次數(shù)下累計沉降量逐步變小，但總體上，真空壓實的沉降量高于普通壓實.

圖3為采用普通壓實和在真空度-0.04 MPa下在同等擊實次數(shù)下的瀝青混合料累積沉降量，從圖3中可以看出，兩種情況下的累積沉降量隨擊實次數(shù)增加呈先快速增長后趨于平緩的規(guī)律；在相同的擊實次數(shù)下，真空壓實的累積沉降量都高于普通壓實；另外，在初始1～5次擊實階段，材料易被壓實，真空壓實和普通壓實區(qū)別不大；自6～30次擊實階段，開始累積沉降量差距逐漸變大；在終了31～80次擊實階段，材料已較密實，壓實變得困難，沉降量差距也逐步變大.試驗結(jié)果表明，在瀝青混合料松軟階段，孔隙反彈力小和閉孔少，真空負壓的作用不明顯，但隨著壓實度的增加，瀝青材料之間變得更致密時，真空壓實的效果開始顯現(xiàn)，其實質(zhì)是額外的負壓導(dǎo)致混合料中的一些閉鎖氣孔的力的平衡被打破，并有一些被擠破，形成開孔或是更小的閉孔，最終實現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)的強化，改進壓實效果.

圖4所示為在不同真空度下(-0.04 MPa, -0.06 MPa, -0.08 MPa, -0.09 MPa)瀝青混合料壓實累計沉降量的變化.從圖4中可看出，在0～5次擊實下，真空壓實和普通壓實區(qū)別不大，但隨著擊實次數(shù)逐步增加，真空壓實在每時每刻的壓實沉降量都高于非真空壓實.在真空壓實中，當真空度從-0.04 MPa～-0.08 MPa時，壓實的累積沉降量呈現(xiàn)增加的趨勢，但真空度從-0.06 MPa增加 -0.08 MPa時，壓實的累積沉降量的相對增加值減緩，并出現(xiàn)有交叉現(xiàn)象，表明在這一區(qū)間，真空度的增加沒有使得壓實的沉降量大幅度改變；當真空度從-0.08 MPa增加到-0.09 MPa時，壓實累計沉降量出現(xiàn)下降的趨勢，上述結(jié)果表明，真空壓實能夠明顯的改善瀝青路面的壓實沉降量，且在真空壓實中，-0.08 MPa是一個最佳的壓實真空度，具有明顯的壓實沉降效果.而且，真空提供的負壓在對瀝青微觀結(jié)構(gòu)強化到一定階段后，外部加載和混合料內(nèi)部抵抗力形成彈性抵抗平衡，已經(jīng)大大的提高了壓實度，如進一步提高壓實效果，外部負載需要增加，但在壓實度很高的情況下，壓實將變得更難.

為了進一步驗證真空擊實下壓實效果，采用表干法對在不同擊實狀態(tài)下(常規(guī)擊實，真空度-0.04 MPa、-0.06 MPa、-0.08 MPa、-0.09 MPa)的瀝青混合料進行空隙率測試，如圖5所示為不同擊實狀態(tài)下的瀝青試件的孔隙率變化.從圖5可知，常規(guī)擊實下的瀝青混合料的空隙率最大，達到5.1%，高于所有真空擊實的空隙率；在真空條件下，空隙率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在真空度-0.08 MPa下達到最小值4.6%，而在-0.09 MPa下達到4.7%；圖6也能看出，采用真空壓實方法能降低試件的礦料間隙，在真空度-0.08 MPa結(jié)果最理想，這一結(jié)果表明真空擊實下的壓實度高于常規(guī)擊實的壓實度，而且在真空擊實中，-0.08 MPa為一個最佳的壓實真空度，其空隙率常比常規(guī)擊實減小9.8%，礦料間隙率減小了2.3%，空隙率與礦料間隙率測試結(jié)果與累計擊實深度試驗結(jié)果具有良好的一致性.另外，選取常規(guī)擊實和真空度-0.08 MPa下的瀝青混合料為試驗樣本，對其進行劈裂強度試驗，如圖7所示為兩種壓實條件下的應(yīng)力-應(yīng)變圖，從圖中能夠看出，兩種狀態(tài)下的應(yīng)變規(guī)律圖形基本相似，在低應(yīng)力區(qū)域0.8 MPa以下，曲線變化近乎重合；但在高應(yīng)力階段，也即是峰值區(qū)域的應(yīng)力，真空擊實樣件最大劈裂強度為1.062 MPa，常規(guī)壓實樣件為0.962 MPa，劈裂強度提高了11.52%，結(jié)果表明真空壓實使瀝青混合料更密實，承載能力更高.

圖2 真空與非真空等間隔擊實下沉降量變化Fig.2 Settlement Changing under Vacuum and Non-vacuum at Equal Intervals Compaction

圖3 真空與非真空壓實累積沉降量對比Fig.3 The Comparison of Cumulative Settlement under Vacuum and Non-vacuum

圖4 不同真空度下累計壓實沉降量對比Fig.4 The comparison of cumulative settlement under different vacuum degrees

圖5 不同擊實環(huán)境下的樣件空隙率Fig.5 The void fraction under different vacuum compaction

圖6 不同擊實環(huán)境下的礦料間隙率Fig.6 Voids in Mineral Aggregate under different Vacuum Compaction

圖7 兩種擊實狀態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變Fig.7 Stress-Strain under Vacuum Compaction and Common Compaction

3 結(jié)論

(1)在對等的單次擊實下和相同的累積擊實次數(shù)下，真空下瀝青混合料單次擊實沉降量和累積沉降量都高于常規(guī)擊實的沉降量，真空壓實效果優(yōu)于常規(guī)壓實且-0.08 MPa是一個較優(yōu)的真空壓實環(huán)境；

(2)通過對比常規(guī)壓實和真空擊實下的空隙率和礦料間隙率，發(fā)現(xiàn)在-0.08 MPa下的空隙率比常規(guī)壓實下減小小9.8%，礦料間隙率減小2.3%，證明了真空壓實優(yōu)于常規(guī)壓實，且-0.08 MPa為一個最佳真空度；對比常規(guī)壓實和-0.08 MPa真空度壓實下瀝青真混合料的劈裂強度，真空壓實下提高了11.52%，表明空壓實的路面其結(jié)構(gòu)相對常規(guī)壓實結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，承載力更強.

(3)用自行設(shè)計的擊實裝置制作試驗樣本來近似馬歇爾標準試樣進行試驗參數(shù)的測試，要達到標準試驗的精確度，試驗裝置還需進一步提高精度；而且，試驗中由于真空度較難控制，需更進一步對其更細的劃分，增加區(qū)分度，最終建立真空度對瀝青路面壓實度精準控制關(guān)系，為未來設(shè)計真空壓路機提供依據(jù).