基于Superpave和馬歇爾法的最佳油石比對(duì)比分析

徐慶峰，王夢(mèng)浩

（1.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

目前，在進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，我國(guó)主要采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法[1]，而美國(guó)則根據(jù)Superpave設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)[2]。對(duì)于兩種設(shè)計(jì)方法的異同，相關(guān)研究人員已開展了部分研究[3-6]，王昌衡等主要從瀝青混合料成型方法、體積計(jì)算方法和短期老化等方面，對(duì)比評(píng)價(jià)了Superpave和馬歇爾設(shè)計(jì)方法之間的區(qū)別[7]。宋效江根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，將其他瀝青混合料設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的混合料采用馬歇爾方法進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)不同設(shè)計(jì)方法的體積指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析[8]。鄭鑫系統(tǒng)研究了Superpave和馬歇爾兩種設(shè)計(jì)方法關(guān)于膠結(jié)料含量預(yù)估、最大理論密度確定等方面的差異，優(yōu)化完善了混合料設(shè)計(jì)方法[9]。但上述研究?jī)H是針對(duì)最佳油石比和配合比設(shè)計(jì)過程中技術(shù)指標(biāo)的分析評(píng)價(jià)，而未建立起最佳油石比和路用性能的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。

因此，為進(jìn)一步確定科學(xué)合理的最佳油石比，在級(jí)配確定前提下，分別采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法和Superpave設(shè)計(jì)方法確定相應(yīng)的油石比，對(duì)比分析不同油石比條件下瀝青混合料路用性能，包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性等，進(jìn)一步探討瀝青混合料最佳油石比的確定方法，以期為完善我國(guó)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)體系提供一定參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

瀝青混合料所用原材料主要包括瀝青、集料和礦粉。瀝青采用70號(hào)基質(zhì)瀝青摻加一定比例40目膠粉制備而成，其技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果分別見表1和表2。集料為河北贊皇產(chǎn)的玄武巖，礦粉為河北石家莊產(chǎn)的石灰?guī)r，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。同時(shí)，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005），分別測(cè)定粗集料、細(xì)集料和礦粉的密度，見表3。

表1 70號(hào)基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 40目膠粉技術(shù)指標(biāo)

表3 不同粒徑集料和礦粉密度測(cè)試結(jié)果

1.2 混合料組成

1.2.1 級(jí)配

為測(cè)試并評(píng)價(jià)基于Superpave和馬歇爾設(shè)計(jì)方法，不同最佳油石比條件下瀝青混合料的路用性能，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求與現(xiàn)有級(jí)配理論研究成果[10]，確定試驗(yàn)所用礦料級(jí)配采用GAC-13合成級(jí)配，見表4。

表4 GAC-13合成級(jí)配

1.2.2 膠粉最佳摻量確定

采用70號(hào)基質(zhì)瀝青摻加40目膠粉制備改性瀝青，為保證所制備膠粉改性瀝青的基本性能最佳，采用不同摻量（10%、15%、20%）研究其對(duì)膠粉改性瀝青相關(guān)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 不同膠粉摻量下針入度測(cè)試結(jié)果

圖2 不同膠粉摻量下軟化點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

圖3 不同膠粉摻量下延度測(cè)試結(jié)果

分析圖1～圖3可知：

a）與70號(hào)基質(zhì)瀝青相比，膠粉改性瀝青針入度降低了21.6%，延度提高了2.9倍，軟化點(diǎn)提高了55.9%，說明膠粉的摻入有助于改善瀝青的高溫和低溫性能。

b）隨膠粉摻量增加，改性瀝青針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)逐漸升高，延度先升高后降低，考慮到膠粉改性瀝青主要用于路面下面層，重點(diǎn)考慮其低溫抗裂性能，而改性瀝青在摻加15%膠粉時(shí)延度最大，低溫性能最好，綜合考慮下40目膠粉最佳摻量確定為15%。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于馬歇爾試驗(yàn)的最佳油石比確定

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求與現(xiàn)有的級(jí)配理論研究成果[11]，膠粉改性瀝青混凝土的最佳油石比定為4.8%，在其兩側(cè)按±0.5%級(jí)差各取兩個(gè)油石比，作為試驗(yàn)油石比范圍，按照馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)方法成型馬歇爾試件，其密度、空隙率等體積指標(biāo)及穩(wěn)定度和流值測(cè)試結(jié)果見圖4，混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖4 馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

圖5 GAC-13型混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

分析圖5可知：

a）穩(wěn)定度最大值對(duì)應(yīng)瀝青用量a1=4.76%；毛體積密度最大值對(duì)應(yīng)瀝青用量a2=5.38%；空隙率中值對(duì)應(yīng)瀝青用量a3=4.55%；瀝青飽和度中值對(duì)應(yīng)瀝青用量a4=4.75%；按最佳油石比初始值OAC1=，得OAC1=4.86%。

b）各項(xiàng)指標(biāo)均符合瀝青混合料技術(shù)要求的油石比范圍為4.52%～4.90%，最佳油石比初始值OAC1在此范圍內(nèi)，故

c）取OAC1與OAC2的平均值OAC作為瀝青混合料最佳瀝青用量，為4.79%。經(jīng)檢驗(yàn)，OAC相應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求，故基于馬歇爾設(shè)計(jì)方法的GAC-13膠粉改性瀝青混合料最佳油石比確定為4.79%。

2.2 基于Superpave試驗(yàn)的最佳油石比確定

Superpave體積設(shè)計(jì)方法以集料配制瀝青混合料，確定空隙率為4%，利用混合料的體積參數(shù)估算初始瀝青用量。主要步驟為：

a）測(cè)定集料的密度參數(shù)與礦料合成級(jí)配設(shè)計(jì)。

b）計(jì)算混合料的毛體積相對(duì)密度Gsb，礦質(zhì)混合料的表觀密度Gsa.

c）計(jì)算礦質(zhì)混合料的有效密度Gse：

d）計(jì)算單位質(zhì)量混合料的體積V：

式中：Pb為單位質(zhì)量的瀝青混合料中瀝青質(zhì)量，Pb=0.05；Gb為瀝青密度，g/cm3；VV為壓實(shí)后混合料的孔隙率，VV=4%。

e）計(jì)算單位體積的瀝青混合料中被吸收的瀝青體積Vba：

f）計(jì)算單位瀝青混合料內(nèi)的有效瀝青體積Vbe：

式中：Sn為集料的公稱最大粒徑，mm.

g）計(jì)算初始試驗(yàn)瀝青用量Pbi.

根據(jù)初始瀝青用量計(jì)算公式和已測(cè)得數(shù)據(jù)，計(jì)算GAC-13初始瀝青用量Pbi，結(jié)果見表5。

表5 GAC-13初始瀝青用量計(jì)算

所得Superpave試驗(yàn)初始瀝青用量為4.7%，換算油石比為4.9%，以油石比4.4%、4.9%、5.4%和5.9%分別旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，每個(gè)油石比成型兩個(gè)試件，試件尺寸為150 mm×115 mm，不同試件高度差為±3 mm，成型試件結(jié)果示例見圖6。采用真空法測(cè)定不同油石比下瀝青混合料理論最大密度，其試樣如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖6 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件

圖7 瀝青混合料理論最大密度的試樣

圖8 不同油石比下Superpave體積參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Superpave設(shè)計(jì)方法，要求空隙率為4%定值[12]，以此確定最佳油石比，并檢驗(yàn)在該油石比下的礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA。由圖8可知，空隙率4%對(duì)應(yīng)的油石比為4.61，在該油石比下，VMA為14.2%，滿足AASHTO規(guī)定的大于等于13%的要求；VFA為71%，在AASHTO規(guī)定的范圍65%～75%內(nèi)。因此，Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)確定的瀝青混合料最佳油石比為4.61%。

2.3 路用性能對(duì)比分析

分別按照馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定的最佳油石比4.79%和按照Superpave設(shè)計(jì)方法確定的最佳油石比4.61%制作試驗(yàn)試件，以評(píng)價(jià)GAC-13膠粉改性瀝青混合料路用性能。每種方法成型3組試件，采用車轍試驗(yàn)測(cè)出各試件的動(dòng)穩(wěn)定度，取其平均值作為瀝青混合料高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)；采用低溫彎曲試驗(yàn)測(cè)出各試件的破壞應(yīng)變，取其平均值作為瀝青混合料低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)；采用浸水馬歇爾試驗(yàn)測(cè)出各試件的殘留穩(wěn)定度，作為瀝青混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

分析表6可知，根據(jù)兩種不同設(shè)計(jì)方法確定的最佳油石比成型的試件：

表6 不同設(shè)計(jì)方法下瀝青混合料路用性能對(duì)比

a）其動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求。Superpave最佳油石比成型試件的動(dòng)穩(wěn)定度均值為5 218.7次/mm，較馬歇爾最佳油石比成型試件提高了11.5%，這是由于Superpave最佳油石比略小于馬歇爾最佳油石比，而相對(duì)較少的瀝青用量有助于提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，故采用Superpave最佳油石比的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度較大，表現(xiàn)出較好高溫穩(wěn)定性。

b）其破壞應(yīng)變均滿足規(guī)范要求。以Superpave最佳油石比成型的試件，其破壞應(yīng)變均值為3 507 με，較馬歇爾最佳油石比成型試件分別提高了11.7%。破壞應(yīng)變?cè)酱?，表明瀝青混合料在低溫破壞時(shí)能夠承受的應(yīng)變?cè)酱?，瀝青混合料的低溫抗裂性能就越好。因此Superpave最佳油石比成型試件具有較好的低溫性能。

c）其殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，且兩者差異較小。因此兩種方法成型的試件水穩(wěn)定性相差不大。

3 結(jié)語(yǔ)

a）采用Superpave設(shè)計(jì)法和馬歇爾設(shè)計(jì)法確定瀝青混合料的最佳油石比分別為4.61%和4.79%。

b）綜合對(duì)比下，采用Superpave設(shè)計(jì)法較馬歇爾設(shè)計(jì)法成型的試件表現(xiàn)出較好的路用性能，其高溫性能與低溫性能均有所提高，且兩者水穩(wěn)定性相差不大，表明Superpave設(shè)計(jì)方法確定的最佳油石比，更為科學(xué)合理。

c）本試驗(yàn)僅研究了GAC-13級(jí)配下，Superpave和馬歇爾法兩種設(shè)計(jì)方法所確定油石比的合理性，未研究其他不同級(jí)配下兩種方法所確定油石比的優(yōu)劣，今后該方面仍需進(jìn)行深入研究。