基于重交通壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)Marshall擊實(shí)方法的修正*

陳 豫 李權(quán)威 范人杰 蔣應(yīng)軍

(婺城區(qū)公路管理段1) 金華 321000) (長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 西安 710064) (金華市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司3) 金華 321015)

0 引 言

馬歇爾法(Marshall)于1939年由美國密西西比州公路局Bruce Marshall首次提出，1958年列入ASTMD1559，并成為當(dāng)今世界主流瀝青混合料設(shè)計(jì)方法.上世紀(jì)70年代以來，我國也開始應(yīng)用Marshall設(shè)計(jì)方法，并納入了規(guī)范一直沿用至今[1-2].Marshall法理論精髓是在室內(nèi)采用某一擊實(shí)功使得到的試件密度與設(shè)計(jì)年限內(nèi)交通荷載作用下路面最終密度相等,即馬歇爾法的壓實(shí)功應(yīng)隨著交通荷載的發(fā)展而調(diào)整[3].我國針對(duì)逐漸增加的交通量對(duì)馬歇爾法的擊實(shí)功有了一定的調(diào)整，80年代初將馬歇爾擊實(shí)功由雙面擊實(shí)50次調(diào)整為75次并一直沿用至今[4].但隨著80年代后交通量與施工工藝的發(fā)展，以及工程實(shí)踐的深入，超載、重載、渠化等問題日益嚴(yán)重，馬歇爾方法已落后于生產(chǎn)實(shí)際，瀝青路面出現(xiàn)了如車轍、泛油、松散及水損害等早期破壞，加速了路面性能的衰減，降低了路面的使用壽命.在此背景下，研究人員基于新的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法展開了研究.周衛(wèi)峰等研究均發(fā)現(xiàn)GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)時(shí)間密度大于標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件密度，比值平均為1.024[5-6].蘇勇文等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)壓實(shí)方法成型試件密度約為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件密度的1.02倍.姚林虎等[9-13]分析了路面車轍、混合料性能與壓實(shí)之間的關(guān)系以及當(dāng)前施工機(jī)械所能達(dá)到的壓實(shí)水平，提出了重交通道路瀝青混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明當(dāng)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用馬歇爾密度的1.02倍時(shí)，可有效提高瀝青混合料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo).

本文以AC-16型瀝青混合料為研究對(duì)象，通過改變馬歇爾落錘質(zhì)量和擊實(shí)次數(shù)，使試件密度約為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的1.02倍，同時(shí)比較修正前后的礦料級(jí)配變化情況以及力學(xué)性能，最終提出一種基于重交通的修正Marshall擊實(shí)方法.

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

瀝青為某有限公司生產(chǎn)的SBS(I-C)改性瀝青，技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 SBS(I-C)改性瀝青技術(shù)參數(shù)

粗集料為某采石場生產(chǎn)的斜長角閃巖，技術(shù)參數(shù)見表2.

表2 粗集料技術(shù)參數(shù)

細(xì)集料是由某有限公司生產(chǎn)的9.5～19 mm石灰?guī)r碎石，技術(shù)參數(shù)見表3.

表3 細(xì)集料技術(shù)參數(shù)

礦粉是由某有限公司生產(chǎn)的4.75～9.5 mm石灰?guī)r碎石，技術(shù)參數(shù)見表4.

表4 礦粉技術(shù)參數(shù)

1.2 配合比

混合料礦料級(jí)配見表5.經(jīng)過計(jì)算，馬歇爾法設(shè)計(jì)瀝青混合料最佳油石比為4.4%.

表5 AC-16瀝青混合料礦料級(jí)配

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1基于重交通Marshall擊實(shí)方法的修正

1) 落錘質(zhì)量4.5 kg，研究擊實(shí)次數(shù)對(duì)馬歇爾試件溫度、密度、礦料級(jí)配影響規(guī)律.擊實(shí)次數(shù)擬分別采用雙面各擊實(shí)75，95，105，135， 155，175，195次.

2)擊實(shí)次數(shù)75次，研究落錘質(zhì)量對(duì)馬歇爾試件密度、礦料級(jí)配的影響規(guī)律.落錘質(zhì)量擬分別采用4.5，6.0，7.5，8.0，8.5 kg.

3)研究落錘質(zhì)量、擊實(shí)次數(shù)對(duì)馬歇爾試件密度、礦料級(jí)配的影響規(guī)律.落錘質(zhì)量擬分別采用5.5，6.5，7.0，7.5，8.0 kg，擊實(shí)次數(shù)擬分別采用75，95，105，115，135，145次.

擬采用推薦的多種擊實(shí)組合成型試件，與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件密度比較，在對(duì)混合料的礦料級(jí)配影響盡可能小的情況下，選出密度最接近標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件密度1.02倍的組合作為馬歇爾修正擊實(shí)方法，并對(duì)試件的馬歇爾穩(wěn)定度、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行測定[14-16].

1.3.2修正Marshall試件的力學(xué)性能評(píng)價(jià)

馬歇爾試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)按照文獻(xiàn)[17]中規(guī)定方法分別進(jìn)行，見圖1.單軸貫入試驗(yàn)采用直徑d=28.5 mm的貫入桿，試驗(yàn)溫度為60 ℃，加載速率為1 mm/min，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒ㄒ妶D1[18-19]，得到試件的抗剪強(qiáng)度.

圖1 單軸貫入試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)方法

2 修正Marshall擊實(shí)方法對(duì)瀝青混合料的影響

2.1 擊實(shí)次數(shù)對(duì)瀝青混合料溫度、密度及礦料級(jí)配的影響

2.1.1擊實(shí)次數(shù)對(duì)瀝青混合料溫度的影響

瀝青混合料成型溫度對(duì)其性能影響較大，溫度較高時(shí)，混合料易于壓實(shí)，且能達(dá)到較高的密實(shí)度，溫度較低時(shí)，顆粒間粘聚力較大，難以移動(dòng)，不易壓實(shí)，很難到達(dá)施工設(shè)計(jì)的壓實(shí)度.因此，實(shí)際施工過程中要將溫度控制在合理的范圍內(nèi)，為滿足上述要求，應(yīng)合理控制混合料的碾壓時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)進(jìn)行壓實(shí)能獲得較優(yōu)的效果[20-21].室內(nèi)成型試件溫度應(yīng)滿足文獻(xiàn)[17]中瀝青混合料最低壓實(shí)溫度140 ℃的要求，即當(dāng)成型試件溫度為140 ℃時(shí)，所對(duì)應(yīng)擊實(shí)次數(shù)為馬歇爾最大擊實(shí)次數(shù)，后續(xù)研究中擊實(shí)次數(shù)均不能超過此值.

錘重4.5 kg(標(biāo)準(zhǔn)錘重)時(shí)，AC-16瀝青混合料不同擊實(shí)次數(shù)成型試件溫度見圖2.

圖2 擊實(shí)次數(shù)對(duì)AC-16瀝青混合料溫度影響曲線

由圖2可知：

1) 瀝青混合料成型試件溫度隨擊實(shí)次數(shù)的增加逐漸降低，降低速率減緩.這是因?yàn)樵嚰尚椭酰旌狭咸幱谒缮顟B(tài)，顆粒間的接觸較少，混合料間連通的通道較多，與外界進(jìn)行熱量傳遞較容易，混合料熱量散失較快，致其溫度降低較快；隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，混合料密度逐漸增大，顆粒間的接觸逐漸增加，連通的通道逐漸被擠壓、阻斷，減緩了混合料熱量的散失，從而混合料溫度降低速率變緩.

2) 在滿足規(guī)范規(guī)定的瀝青混合料成型溫度條件下，馬歇爾最大擊實(shí)次數(shù)約為157次，因此，在后續(xù)研究中，為確?；旌狭蠐魧?shí)溫度滿足規(guī)范要求，規(guī)定馬歇爾雙面擊實(shí)次數(shù)不得大于155次.

2.1.2擊實(shí)次數(shù)對(duì)瀝青混合料密度的影響

錘重4.5 kg時(shí)，不同擊實(shí)次數(shù)成型試件密度見圖3.標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件密度的1.02倍約為2.576 g/cm3.

圖3 擊實(shí)次數(shù)對(duì)AC-16瀝青混合料成型密度影響曲線

由圖3可知：

1) AC-16瀝青混合料成型密度，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加而增大，增大速率降低.這是因?yàn)槌尚椭?，混合料處于松散狀態(tài)，易于壓實(shí)，密度增長較快，隨著密實(shí)度的提高，混合料壓實(shí)難度進(jìn)一步增大，密度增長速率減緩.同時(shí)，混合料溫度較高較高時(shí)，瀝青粘度低、易于流動(dòng)，具有良好的潤滑作用，礦料顆粒更易移動(dòng)；隨著混合料溫度的降低，瀝青粘度增大，潤滑作用減弱，顆粒移動(dòng)變緩，密度增長速率變緩.

2) 當(dāng)擊實(shí)次數(shù)增加至145次時(shí)，馬歇爾擊實(shí)成型試件密度達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)試件密度的1.02倍，推薦將馬歇爾擊擊實(shí)次數(shù)提高至145次，作為馬歇爾修正擊實(shí)方法.

2.1.3擊實(shí)次數(shù)對(duì)瀝青混合料礦料級(jí)配的影響

標(biāo)準(zhǔn)Marshall法(記M4.5&75，指落錘質(zhì)量為4.5 kg時(shí)，雙面各擊實(shí)75次，以此類推)、Marshall修正法(記M4.5&145)對(duì)AC-16瀝青混合料礦料級(jí)配的影響見表6.

表6 AC-16瀝青混合料成型前后級(jí)配變化

由表6可知，與標(biāo)準(zhǔn)Marshall法相比，Marshall修正法對(duì)瀝青混合料礦料級(jí)配影響略有提高，通過增加擊實(shí)次數(shù)來提高壓實(shí)功，較多的擊實(shí)次數(shù)將進(jìn)一步加重礦料顆粒的破碎.集料的破碎主要集中于9.5，13.2 mm粒徑顆粒，4.75 mm粒徑顆粒含量與成型前原級(jí)配相差無幾.這主要是因?yàn)?，混合料在成型過程中，9.5 mm以上粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，混合料顆粒間的作用力通過骨架結(jié)構(gòu)向下傳遞，同時(shí)，較大粒徑礦料顆粒內(nèi)部包含有較多的微裂縫，在垂直沖擊荷載作用下裂縫進(jìn)一步發(fā)展的可能性較大，由此大粒徑顆粒破碎程度較嚴(yán)重.

2.2 落錘質(zhì)量對(duì)瀝青混合料密度及礦料級(jí)配的影響

2.2.1落錘質(zhì)量對(duì)瀝青混合料密度的影響

擊實(shí)次數(shù)75次時(shí)，不同落錘質(zhì)量成型AC-16瀝青混合料試件密度見圖4.

圖4 Marshall落錘質(zhì)量對(duì)AC-16瀝青 混合料密度影響曲線

由圖4可知：

1) AC-16瀝青混合料密度，隨著落錘質(zhì)量的增加而增長，增大速率逐漸降低.這主要是因?yàn)?，馬歇爾單次錘擊產(chǎn)生的擊實(shí)功隨落錘質(zhì)量的增加而增大，混合料能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到更加密實(shí)的狀態(tài)，隨著密實(shí)度的提高，混合料壓實(shí)難度進(jìn)一步增大，密度增長速率減緩.

2) 當(dāng)落錘質(zhì)量增加至約為8.25 kg時(shí)，馬歇爾擊實(shí)成型試件密度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試件密度的1.02倍，推薦將馬歇爾擊落錘質(zhì)量增加至8.25 kg，作為馬歇爾修正擊實(shí)方法.

2.2.2落錘質(zhì)量對(duì)瀝青混合料級(jí)配的影響

Marshall標(biāo)準(zhǔn)法、Marshall修正法(簡記M8.25&75)對(duì)AC-16瀝青混合料成型前后礦料級(jí)配的影響見表7.

表7 AC-16瀝青混合料成型前后級(jí)配變化

由表7可知，與標(biāo)準(zhǔn)Marshall法相比，Marshall修正法對(duì)瀝青混合料礦料級(jí)配影響略有提高.

2.3 擊實(shí)次數(shù)和落錘質(zhì)量對(duì)瀝青混合料密度和礦料級(jí)配的影響

2.3.1擊實(shí)次數(shù)和落錘質(zhì)量對(duì)瀝青混合料密度的影響

Marshal擊實(shí)次數(shù)與落錘質(zhì)量不同組合成型AC-16瀝青混合料試件密度見圖5.

圖5 擊實(shí)次數(shù)和落錘質(zhì)量對(duì)AC-16瀝青 混合料密度影響曲線

由圖5可知：

1) 不同落錘質(zhì)量條件下，瀝青混合料密度均隨著擊實(shí)次數(shù)的增加而增大，增大速率逐漸降低.

2) 隨落錘質(zhì)量的增加，混合料密度能在較低擊實(shí)次數(shù)時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試件的1.02倍.這主要是因?yàn)椋弘S著落錘質(zhì)量的增加，每次錘擊的擊實(shí)功逐漸增加，混合料在較大擊實(shí)功的作用下易達(dá)到密實(shí)狀態(tài)；隨著擊實(shí)次數(shù)的減少，瀝青混合料具有相對(duì)較高的溫度，瀝青具有較大的流動(dòng)性，其潤滑作用更佳，礦料顆粒在作用力下更易移動(dòng)到更加穩(wěn)定密實(shí)狀態(tài).

3) 存在幾種落錘質(zhì)量與擊實(shí)次數(shù)組合，擊實(shí)成型試件密度約為標(biāo)準(zhǔn)試件的1.02倍，組合方式如下：5.5 kg落錘與擊實(shí)125次(記M5.5&125)；6.5 kg落錘與擊實(shí)103次(記M6.5&103)；7.0 kg落錘與擊實(shí)91次(記M7.0&91)；7.5 kg落錘與擊實(shí)83次(記M7.5&83)；8.0 kg落錘與擊實(shí)77次(記M8.0&77).

2.3.2擊實(shí)次數(shù)與落錘質(zhì)量共同對(duì)瀝青混合料級(jí)配的影響

擊實(shí)次數(shù)與落錘質(zhì)量不同組合擊實(shí)法對(duì)AC-16瀝青混合料成型前后礦料級(jí)配的影響見表8.

表8 AC-16瀝青混合料成型前后級(jí)配變化

由表8可知，幾種組合對(duì)礦料級(jí)配的影響相近，相比M8.25&75的組合對(duì)礦料級(jí)配的影響較小，集料破壞主要集中于主要集中于13.2，9.5 mm兩種粒徑.

3 修正Marshall擊實(shí)方法評(píng)價(jià)

3.1 修正Marshall擊實(shí)方法力學(xué)性能評(píng)價(jià)

由上文可知，M4.5&145，M5.5&125，M6.5&103，M7.0&91，M7.5&83，M8.0&77，M8.25&75七種落錘質(zhì)量與擊實(shí)次數(shù)的不同組合成型試件密度約為標(biāo)準(zhǔn)試件的1.02倍.擬通過測定瀝青混合料力學(xué)性能的方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)選，選出一種更能代表重交通條件下的馬歇爾修正方法.

落錘質(zhì)量與擊實(shí)次數(shù)不同組合的AC-16瀝青混合料試件力學(xué)性能及對(duì)比見表9.

表9 不同組合與VTM成型AC-16瀝青 混合料試件力學(xué)性能

由表9可知：

1) 不同組合馬歇爾修正法成型試件穩(wěn)定度、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度大致相當(dāng)，這主要是因?yàn)閹追N組合成型試件密度相同，礦料級(jí)配的變化基本一致，因此成型試件力學(xué)強(qiáng)度相當(dāng).

2) 8.25 kg落錘與擊實(shí)75次的組合成型試件各項(xiàng)力學(xué)性能較高.這主要是因?yàn)椋郝溴N質(zhì)量較大時(shí)，單次錘擊壓實(shí)功較大，易于混合料的壓實(shí)，同時(shí)，擊實(shí)次數(shù)較少時(shí)，混合料溫度較高，瀝青流動(dòng)性較好，具有良好的潤滑性能，兩因素共同作用，使混合料在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的密實(shí)度，確?；旌狭暇哂懈昧W(xué)性能.

3.2 修正Marshall擊實(shí)方法的提出

綜上所述，8.25 kg落錘質(zhì)量與擊實(shí)75次的組合成型試件達(dá)到了馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件密度的1.02倍，對(duì)礦料級(jí)配的影響最小且各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均有較大提高.該法僅僅將落錘質(zhì)量增加至8.25 kg，擊實(shí)次數(shù)仍為75次，符合試驗(yàn)人員的習(xí)慣，避免因不便造成不必要的錯(cuò)誤操作.與改變擊實(shí)次數(shù)的方法相比可以提高工作效率，縮短工作時(shí)間，故可將該組合作為基于重交通的修正馬歇爾擊實(shí)方法.

但另一方面，通過增加錘重修正馬歇爾擊實(shí)方法不利于推廣，增加了試驗(yàn)成本，而4.5 kg落錘質(zhì)量與擊實(shí)145次的組合僅僅增加了擊實(shí)次數(shù)，便于操作、可行性高，因此也可以將該組合作為基于重交通的修正馬歇爾擊實(shí)方法.

兩種修正馬歇爾擊實(shí)方法的技術(shù)指標(biāo)見表10.

表10 修正Marshall擊實(shí)方法技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié) 論

1) 結(jié)合理論與實(shí)踐分析，認(rèn)為可通過改變擊實(shí)次數(shù)與落錘質(zhì)量的方法提高馬歇爾壓實(shí)功.

2) 在滿足規(guī)范規(guī)定的瀝青混合料成型溫度條件下，馬歇爾最大擊實(shí)次數(shù)約為157次.

3) 通過研究擊實(shí)次數(shù)與落錘質(zhì)量對(duì)混合料密度、級(jí)配的影響的研究，結(jié)果表明,存在多種落錘質(zhì)量與擊實(shí)次數(shù)的組合，即4.5 kg落錘與擊實(shí)145次；5.5 kg落錘與擊實(shí)125次；6.5 kg落錘與擊實(shí)103次；7.0 kg落錘與擊實(shí)91次；7.5 kg落錘與擊實(shí)83次；8.0 kg落錘與擊實(shí)77次；8.25 kg落錘與擊實(shí)75次七種組合，成型試件密度約為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的1.02倍.

4) 通過成型方法對(duì)礦料級(jí)配及力學(xué)性能的影響，對(duì)上述七種組合進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明：落錘質(zhì)量8.25 kg與擊實(shí)75次的Marshall組合對(duì)礦料級(jí)配影響最小且各項(xiàng)力學(xué)性能最高，故推薦將落錘質(zhì)量增加至8.25 kg作為馬歇爾修正擊實(shí)方法.

5) 4.5 kg落錘質(zhì)量與擊實(shí)145次的組合僅僅增加了擊實(shí)次數(shù)，便于操作、可行性高，因此也可以將該組合作為基于重交通的修正馬歇爾擊實(shí)方法.