密實(shí)度對瀝青混合料力學(xué)性能影響分析

趙曉娟

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近20年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，我國公路交通中貨運(yùn)向集裝箱、大型化、多軸化方向發(fā)展，交通流量逐漸變大，車輛荷載也不斷提升[1]。這些特點(diǎn)對原有的路面結(jié)構(gòu)混合料設(shè)計(jì)及施工方法提出了新的挑戰(zhàn)[2]。雖然我國瀝青路面設(shè)計(jì)方法及瀝青混合料試驗(yàn)方法、指標(biāo)經(jīng)過多次修訂，但在許多方面仍表現(xiàn)出與現(xiàn)代交通條件之間的不適應(yīng)性。瀝青混合料性能不足引起的各種路面損壞是一個(gè)棘手的技術(shù)問題，因此，如何提高瀝青混合料的路用性能一直是國內(nèi)外道路工作者關(guān)注的研究方向[3-6]。

為了提高混合料的各項(xiàng)性能，絕大多數(shù)工程還是采用提高原材料質(zhì)量的方法，尤其是使用各種改性瀝青，有些工程甚至全面層都使用改性瀝青，這樣做固然效果顯著，然而這種以經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢彌補(bǔ)技術(shù)性缺陷的做法并非長久之計(jì)，不但大幅增加了工程建設(shè)成本，而且造成部分原材料因?yàn)椴荒軡M足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)而無法使用。

基于此，該文通過提高室內(nèi)馬歇爾成型擊實(shí)次數(shù)，分析不同密度試件體積參數(shù)及力學(xué)性能變化規(guī)律，來探索提高瀝青混合料性能的方法。

1 原材料及級(jí)配

1.1 瀝青

本文瀝青均使用韓國雙龍SBS改性瀝青，技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)

1.2 粗集料

粗集料類型為玄武巖碎石，來自河南鄭州市，粗集料各指標(biāo)見表2。

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)

1.3 細(xì)集料

細(xì)集料類型為石灰?guī)r機(jī)制砂，來自河南某石料生產(chǎn)商，細(xì)集料各指標(biāo)見表3。

表3 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

1.4 礦粉

礦粉為河南黎明重工企業(yè)提供的礦粉，其技術(shù)性質(zhì)見表4。

表4 礦粉技術(shù)性質(zhì)

1.5 級(jí)配

試驗(yàn)擬采用SMA-13混合料類型，見表5所示。

表5 SMA-13礦料級(jí)配通過率

2 試驗(yàn)方案

2.1 擊實(shí)次數(shù)對馬歇爾試件密度的影響

采用不同的馬歇爾擊實(shí)次數(shù)成型試件，并測定試件的密度，研究不同擊實(shí)次數(shù)對試件密度的影響規(guī)律。

2.2 壓實(shí)度對瀝青混合料體積參數(shù)及路用性能的影響

室內(nèi)成型不同密度（壓實(shí)度選擇98%、99%、100%、101%及102%）的馬歇爾試件，對比研究不同密實(shí)度下試件的體積參數(shù)（VV、VMA、VFA），力學(xué)性能（MS、Rc、τd、Ri）的變化規(guī)律。

其中VV、VMA、VFA分別表示空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度；MS、Rc、τd、Ri分別表示馬歇爾穩(wěn)定度、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、單軸貫入抗剪強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同擊實(shí)次數(shù)下馬歇爾試件的密度

不同擊實(shí)次數(shù)下成型馬歇爾試件，并測試不同壓實(shí)功試件的密度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制馬歇爾試件密度-擊實(shí)次數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 馬歇爾試件密度-擊實(shí)次數(shù)曲線

由圖1可知：隨擊實(shí)次數(shù)的增加，即壓實(shí)功的增加，混合料的密度逐漸增加。擊實(shí)次數(shù)達(dá)到一定值之后，馬歇爾試件密度-擊實(shí)次數(shù)曲線的增加速度逐漸減緩，這是因?yàn)樵趬簩?shí)功達(dá)到一定程度之后，試件的結(jié)構(gòu)已處于穩(wěn)定狀態(tài)。在馬歇爾試件密度-擊實(shí)次數(shù)曲線上尋找密度為1.02×擊實(shí)75次試件密度，對應(yīng)點(diǎn)的擊實(shí)次數(shù)為155次，即滿足重交通壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾擊實(shí)次數(shù)為155次。即馬歇爾擊實(shí)次數(shù)155次為重型馬歇爾擊實(shí)法，采用重型馬歇爾擊實(shí)法成型的試件為重型馬歇爾試件。

3.2 不同壓實(shí)度下混合料的體積參數(shù)及路用性能

3.2.1 體積參數(shù)

不同壓實(shí)度的室內(nèi)馬歇爾試件，體積參數(shù)（礦料間隙率、空隙率及瀝青飽和度）-壓實(shí)度曲線如圖2所示。

圖2 體積參數(shù)-壓實(shí)度曲線

由圖2可知，隨壓實(shí)度的提高，馬歇爾試件的VV和VMA接近線性降低，而VFA逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)壓實(shí)度較小時(shí)，混合料未能充分壓實(shí)，試件內(nèi)部空隙體積較大；壓實(shí)度逐漸增大時(shí)，混合料結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)。

3.2.2 力學(xué)性能

通過制備不同壓實(shí)度下的SMA-13混合料試件，并檢測試件的馬歇爾穩(wěn)定度（MS）、抗壓強(qiáng)度（Rc）、抗剪強(qiáng)度（τd）、劈裂強(qiáng)度（Ri），研究壓實(shí)度K對力學(xué)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 壓實(shí)度對力學(xué)性能的影響

由圖3可知，SMA-13混合料的壓實(shí)度對各力學(xué)指標(biāo)影響顯著，各指標(biāo)均隨壓實(shí)度的增大而增大。壓實(shí)度每提升1%，馬歇爾穩(wěn)定度提升6.5% ～18.1%、抗壓強(qiáng)度提升4.5% ～12%、抗剪強(qiáng)度提升3.8% ～23.1%、劈裂強(qiáng)度提升4.6% ～16.8%。因?yàn)殡S著壓實(shí)度增大，混合料中骨架顆粒擠開瑪蹄脂相互嵌擠形成更穩(wěn)定的骨架，而瑪蹄脂填充于骨架中形成更為穩(wěn)定的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。馬歇爾擊實(shí)儀的工作原理是對混合料施加沖擊作用，使礦料顆粒向下移動(dòng)，逐漸達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，隨著壓實(shí)功的增大，集料的排列布局會(huì)更加緊湊，并且還能夠保證混合料內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

a）隨壓實(shí)度的增加，室內(nèi)混合料試件密度逐漸增加，空隙逐漸減小，且擊實(shí)次數(shù)達(dá)到一定值之后，馬歇爾試件密度-擊實(shí)次數(shù)曲線的增加速度逐漸減緩。

b）基于擊實(shí)次數(shù)與試件密度之間的關(guān)系，提出了重型馬歇爾法，即雙面擊實(shí)155次。隨壓實(shí)度的增加，室內(nèi)混合料試件馬歇爾穩(wěn)定度（MS）、抗壓強(qiáng)度（Rc）、抗剪強(qiáng)度（τd）、劈裂強(qiáng)度（Ri）均有明顯提升。