基于PCG的GB4瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實特性研究

蔣勇， 馬華寶， 孟會林，周興業(yè)

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司， 北京市 100011； 2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計院；3.交通運(yùn)輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝備研發(fā)中心；4.交通部公路科學(xué)研究院)

1 前言

以塞內(nèi)加爾捷斯圖巴高速公路工程(簡稱TT高速)為研究背景，與以往在非洲地區(qū)承建的公路工程項目不同，TT高速是項目公司承擔(dān)的第一條完全按照法標(biāo)設(shè)計、施工、監(jiān)理的高速公路項目，對工程質(zhì)量、技術(shù)指標(biāo)有著很高要求。捷斯圖巴項目的路面結(jié)構(gòu)層為24 cm的GB4和12 cm的 BBSG3，均要滿足法標(biāo)中四級試驗的要求，即PCG旋轉(zhuǎn)壓實、多烈士水穩(wěn)定性試驗、一定空隙率下的車轍變形率、動態(tài)模量以及兩點彎曲疲勞。

與中國習(xí)慣的馬歇爾設(shè)計法相比，法國的瀝青混合料設(shè)計方法具有幾個突出特點：① 法標(biāo)非常重視瀝青混合料的耐久性，早期法標(biāo)中規(guī)定的豐度系數(shù)K，以及現(xiàn)行法標(biāo)、歐標(biāo)中的經(jīng)驗設(shè)計中的最低瀝青用量和對疲勞應(yīng)變的要求，就是要保障瀝青混合料的疲勞性能，即耐久性；② 法標(biāo)的瀝青混合料級配多使用懸浮密實型結(jié)構(gòu)，且對級配范圍的要求較為寬松，瀝青穩(wěn)定碎石GB、高模量瀝青混凝土EME、半粗式瀝青混凝土BBSG 等瀝青混合料大多使用連續(xù)式級配、懸浮密實型結(jié)構(gòu)，細(xì)集料的含量接近一半；③ 法標(biāo)廣泛采用體積空隙率作為混合料設(shè)計、性能試驗以及施工檢驗的依據(jù)。

目前中國使用的旋轉(zhuǎn)壓實儀以SGC、GTM以及澳大利亞旋轉(zhuǎn)壓實儀為主，PCG3旋轉(zhuǎn)壓實儀作為法國LCPC研發(fā)的最新一代旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)備，在中國國內(nèi)使用還比較少。PCG旋轉(zhuǎn)壓實試驗作為法標(biāo)四級試驗體系的第一步，主要用于對選定級配進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實特性分析，根據(jù)不同級配類型對給定旋轉(zhuǎn)次數(shù)下混合料的體積空隙率要求，初步確定最小油石比，在整個瀝青混合料設(shè)計流程中起著至關(guān)重要的作用。

該文結(jié)合現(xiàn)場工程需求，基于PCG3旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)備，對法標(biāo)中GB4瀝青混合料的壓實特性進(jìn)行研究，一方面對影響瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實特性的因素進(jìn)行分析；另一方面，積累法標(biāo)級配設(shè)計經(jīng)驗，并與中國瀝青混合料設(shè)計體系相結(jié)合，為今后類似的工程提供借鑒。

2 試驗情況

2.1 試驗設(shè)備

采用法國的PCG3瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實儀進(jìn)行試驗，PCG3主要由壓力機(jī)、微型計算機(jī)、角度調(diào)整裝置、測力裝置、裝卸絞盤、圓筒試模、圓形上下壓盤等組成。PCG3旋轉(zhuǎn)壓實儀的基本原理：旋轉(zhuǎn)壓實過程中，機(jī)械壓頭對試樣施加軸向壓力F，試模的軸線以作用力F的方向為中心做圓錐曲面運(yùn)動，由此對試件產(chǎn)生同步的剪切力，模擬現(xiàn)場壓實中的揉搓作用，設(shè)備及工作示意圖見圖1。PCG3的有效內(nèi)部旋轉(zhuǎn)角為(0.82±0.02)°，采用φ150 mm試模時，壓力取11 700 N。

2.2 試驗材料

試驗采用工程中使用的ERES品牌35/50和20/30瀝青，兩種瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。試驗結(jié)果表明:兩種瀝青的針入度、軟化點滿足法標(biāo)要求，但 35/50 瀝青的針入度數(shù)值偏高。

圖1 PCG3旋轉(zhuǎn)壓實儀及工作原理示意圖

試驗采用項目現(xiàn)場運(yùn)回的塞內(nèi)加爾石料，石料有如下3個特點：① 礦料的密度較大，表觀密度接近3.0 g/cm3；② 礦料的吸水率較大，1 mm以下礦料的吸水率大于2%；③ 礦料中扁平料形的石料較多。

2.3 試驗方案

按照法標(biāo)級配設(shè)計要求，并結(jié)合中國瀝青混合料設(shè)計經(jīng)驗，調(diào)整了GB4-A/B/C 3種級配，不同級配的各篩孔通過率如表2所示。為保證試驗的可靠性，采取單檔配料的方式，每個級配試驗采用5個油石比，每個油石比制備4個試件。

表1 瀝青主要性能指標(biāo)測試結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 PCG試驗結(jié)果

采用PCG3旋轉(zhuǎn)壓實儀成型φ150 mm試件，旋轉(zhuǎn)次數(shù)均為120轉(zhuǎn)，35/50瀝青混合料成型溫度為155～160 ℃，20/30瀝青混合料成型溫度為170～175 ℃，PCG試驗的結(jié)果如表3所示。

對GB4-A/B/C 3種水平的混合料，法標(biāo)要求旋轉(zhuǎn)次數(shù)120次時，試件的體積空隙率應(yīng)小于9%，從表3可以看出：GB4-A級配在4.4%油石比下即可滿足法標(biāo)旋轉(zhuǎn)壓實特性的要求，而GB4-B和GB4-C級配在油石比為5%左右時仍不能滿足要求，而此時無論從拌和過程及最終成型試件的狀態(tài)來看，這兩種混合料均呈現(xiàn)明顯的富油狀態(tài)，顯然不能再增加用油量，因此可判斷GB4-B和GB4-C級配不能滿足法標(biāo)對其旋轉(zhuǎn)壓實特性的要求。

表2 GB4不同級配各篩孔通過率

表3 PCG試驗結(jié)果

此外，從試驗過程中的混合料狀態(tài)及最終壓實空隙率可以看出：在單檔配料的情況下，瀝青混合料溫度的均勻性對壓實結(jié)果有較大影響，適當(dāng)提高混合料的拌和及壓實溫度可有效提高成型試件的密實程度。

3.2 GB4瀝青混合料最佳油石比的確定

對于GB4瀝青混合料最佳油石比的確定，法標(biāo)中并沒有明確規(guī)定，或者說作為四級試驗的第一步，PCG旋轉(zhuǎn)壓實得到的只是滿足壓實特性要求和最小豐度系數(shù)的最小油石比，而并不代表瀝青混合料達(dá)到了最密實的狀態(tài)。而最終合適的油石比還要根據(jù)之后三級試驗的結(jié)果，尤其是模量疲勞的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，這就導(dǎo)致在油石比的選擇上存在一定的盲目性，且整個試驗周期過長。

中國學(xué)者近幾年的研究認(rèn)為，對于一種固定礦料和級配的混合料，在某一標(biāo)準(zhǔn)的壓實功作用下，油石比不斷變化過程中，混合料應(yīng)存在，且唯一存在一種最緊密狀態(tài)。即當(dāng)混合料的油石比較小時，混合料中的礦料之間存在一種排列狀態(tài)，隨著油石比逐漸增加，瀝青在礦料間潤滑作用逐漸增加，導(dǎo)致礦料間的排列狀態(tài)越來越緊密，而出現(xiàn)一個最為緊密的狀態(tài)，但隨著瀝青進(jìn)一步的添加，礦料中自由瀝青偏多，導(dǎo)致礦料間的緊密狀態(tài)被逐漸撐開。研究認(rèn)為，當(dāng)?shù)V料結(jié)構(gòu)被撐開之前的狀態(tài)為混合料的最緊密狀態(tài)，此時對應(yīng)的油石比為混合料最緊密狀態(tài)下的最佳油石比。

基于集料最緊密嵌擠狀態(tài)的瀝青混合料油石比確定方法，其核心原理是：研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的干密度、礦料間隙率VMA、粗集料礦料間隙率VCA與油石比具有良好的相關(guān)性，隨著油石比的增加，干密度先增加后減小，同時VMA和VCA先減小后增加，可以通過二次曲線回歸分析，利用二次曲線極值唯一的特點求得曲線極值點對應(yīng)的油石比，該油石比下混合料對應(yīng)著集料之間相互嵌擠的最緊密狀態(tài)。

以滿足法標(biāo)旋轉(zhuǎn)壓實特性要求的GB4-A為例，根據(jù)120次旋轉(zhuǎn)后試件體積空隙率小于9%，以及最小豐度系數(shù)2.9的要求，確定的最小油石比為4.36%，而根據(jù)最緊密狀態(tài)原理得到的最佳油石比為4.52%。從最終的疲勞試驗結(jié)果看，4.52%的油石比滿足法標(biāo)要求，而4.36%則不滿足，說明處于最緊密狀態(tài)的混合料，其綜合耐久性能更能接近目標(biāo)要求，因此在確定GB4瀝青混合料的最佳油石比時，可將上述3個限制條件綜合考慮，以得到相對合理的數(shù)值。

3.3 級配類型對GB4瀝青混合料壓實特性的影響

(1) GB4-A級配：完全符合法標(biāo)要求，其特點：① 粗集料含量較少，細(xì)集料含量較高，以5 mm為界(中國一般以 4.75 mm為界)，5 mm以上的碎石含量僅51.6%；② 雖然為0/20型級配，但仍使用一定比例的16/25規(guī)格的礦料，20 mm以上的粗碎石有4%左右。

(2) GB4-B級配：是按照粗集料斷級配的級配構(gòu)成原理對GB4-A進(jìn)行優(yōu)化級配，按照三控制點、雙曲線模式構(gòu)造出來的；4.75 mm通過率30%，相當(dāng)于法國 5 mm通過率31.1%，以5 mm作為級配中粗、細(xì)集料的分界點，與GB4-A級配相比，GB4-B粗集料含量增加約 17%。

(3) GB4-C級配：是以GB4-B 的優(yōu)化級配為基準(zhǔn)，按照實際各檔礦料級配摻配而成的級配，其碎石含量和礦粉含量基本保持不變。

從級配類型上看，3種級配的主要區(qū)別是粗集料含量的不同，GB4-A屬于典型的連續(xù)級配，而GB4-B和GB4-C則屬于粗集料斷級配。雖然從試驗結(jié)果來看，GB4-B和GB4-C不滿足法標(biāo)要求，但是同樣的級配，當(dāng)采用SGC進(jìn)行壓實，則完全能滿足空隙率要求，這就讓人不禁產(chǎn)生疑問，是不是PCG3壓實功不足，并不適用于評價粗集料斷級配的壓實特性。但根據(jù)近幾年應(yīng)用PCG3的經(jīng)驗，PCG3在采用規(guī)格較好、料形合理的石料進(jìn)行粗集料斷級配壓實時，是可以滿足法標(biāo)對壓實特性要求的，而如果采用料形較差、針片狀含量較高的石料，或相鄰兩檔石料干涉較為嚴(yán)重時，連續(xù)級配也不一定能滿足壓實空隙率的要求。

綜上可認(rèn)為：級配的5 mm(4.75 mm)和20 mm通過率對GB4瀝青混合料的壓實特性影響明顯；如果使用料形較差、針片狀含量較高的石料，或相鄰兩檔石料干涉較為嚴(yán)重時，采用PCG3進(jìn)行級配壓實特性分析并不一定合適，尤其是針對粗集料斷級配，這種混合料粗集料之間的摩擦力較大，要形成良好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，需要較大的壓實功，而此時PCG可能存在壓實功較小的問題，不足以促使這種混合料形成良好的、密實的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。

3.4 膠結(jié)料類型及用量對GB4瀝青混合料壓實特性的影響

一般認(rèn)為，法標(biāo)采用的連續(xù)懸浮密實型級配提高了混合料的密實性，相對較多的細(xì)集料含量增加了瀝青用量，進(jìn)而帶來了更好的疲勞性能，而其連續(xù)型級配抗車轍能力的天然不足又被低標(biāo)號瀝青所帶來的高溫穩(wěn)定性所彌補(bǔ)，因此法標(biāo)的 GB4 在混合料密實性、耐疲勞性能、抗車轍能力之間達(dá)成了良好的協(xié)調(diào)性。針對工程中使用的35/50和20/30瀝青，對其表面能與塞內(nèi)加爾石料的黏附功進(jìn)行了對比，具體見表4、5。

表4 20/30、35/50瀝青與塞內(nèi)加爾石料的表面能

表5 20/30、35/50瀝青與塞內(nèi)加爾石料的黏附功

結(jié)果表明：20/30瀝青的黏附性要明顯好于35/50瀝青。而從旋轉(zhuǎn)壓實結(jié)果中也可以看出，對于相同級配的混合料，當(dāng)采用20/30代替35/50瀝青后，由于瀝青與石料的黏附性提高，混合料的最佳油石比增加0.37%，試件空隙率降低約0.5%，礦料間隙率增加約0.72%，飽和度增加約4.6%，由此看來，當(dāng)采用20/30瀝青替代35/50瀝青，對混合料的體積指標(biāo)影響是顯著的。

圖2為各級配PCG試件體積空隙率隨油石比變化的趨勢圖。

從圖2可以看出：采用20/30瀝青時，GB4-A級配試件的體積空隙率隨著油石比的增大逐漸減小，采用35/50瀝青時，在油石比4.4%以上時滿足旋轉(zhuǎn)壓實特性的要求，油石比4.7%以后空隙率變化不大；GB4-B級配試件的體積空隙率隨著油石比的增大逐漸減小，但油石比達(dá)到明顯富油的4.7%時，仍不滿足旋轉(zhuǎn)壓實特性的要求；GB4-C級配試件的體積空隙率在油石比4.0%以上時變化不大，為4.0%～4.7%時隨油石比的增大逐漸減小，4.7%以后空隙率基本不再變化。因此，可以認(rèn)為采用連續(xù)級配時，在一定范圍內(nèi)，GB4瀝青混合料的體積空隙率隨油石比增大而逐漸減小，采用粗集料斷級配時，則可能出現(xiàn)“臺階”式的特殊情況。

圖2 GB4各級配試件體積空隙率隨油石比變化趨勢圖

4 結(jié)論

(1) PCG旋轉(zhuǎn)壓實得到的只是滿足壓實特性要求和最小豐度系數(shù)的最小油石比，而并不代表瀝青混合料達(dá)到了最密實的狀態(tài)，可結(jié)合最緊密狀態(tài)原理，綜合計算最佳油石比。

(2) 級配的5 mm(4.75 mm)和20 mm通過率對GB4瀝青混合料的壓實特性影響明顯；如果石料料形較差，針片狀含量較高，或相鄰兩檔石料干涉較為嚴(yán)重時，采用PCG3進(jìn)行級配壓實特性分析，尤其是針對粗集料斷級配，可能存在壓實功較小的問題。

(3) 采用20/30代替 35/50瀝青后，對混合料的體積指標(biāo)影響顯著，混合料的最佳油石比增加0.37%，試件空隙率降低約0.5%，礦料間隙率增加約 0.72%，飽和度增加約4.6%。

(4) 采用連續(xù)級配時，在一定范圍內(nèi)，GB4瀝青混合料的體積空隙率隨油石比增大而逐漸減小，采用粗集料斷級配時，則可能出現(xiàn)“臺階”式的特殊情況。

法國的瀝青混合料設(shè)計雖自成體系，但也是根據(jù)數(shù)十年來的經(jīng)驗演變總結(jié)而來，中國工程師們在應(yīng)用法標(biāo)的過程中，還需要理清方法與指標(biāo)的來龍去脈，并根據(jù)實際工程的特點，與中國的瀝青混合料設(shè)計經(jīng)驗相結(jié)合，以更好地實現(xiàn)中法標(biāo)準(zhǔn)的融合。