不同頻率的振動攪拌瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能

孟勇軍，李正華，李超，江微，鄒海軍

(1.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西南寧530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西南寧530004；4.廣西特殊地質(zhì)公路安全工程技術(shù)研究中心， 廣西南寧530004；5.廣西路橋工程集團有限公司， 廣西南寧530200；6.中交路橋華南工程有限公司， 廣東中山528403)

0 引言

失穩(wěn)性車轍作為一種常見的瀝青路面病害，產(chǎn)生原因主要是在高溫天氣和行車荷載的反復(fù)碾壓共同作用下，對路面施加的作用力超過了瀝青混凝土抗剪強度，發(fā)生側(cè)向流動變形。因此瀝青混凝土路面高溫穩(wěn)定性能的好壞決定路面車轍問題是否嚴重[1-3]。近年來關(guān)于瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能的研究涉及很多方面[4-7]，振動攪拌技術(shù)在水泥混凝土方面也取得了廣泛的應(yīng)用[8-11]，但關(guān)于攪拌因素的作用對瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能影響的研究卻非常少。本文中采用一種軸振動強制式攪拌機進行瀝青混凝土的制備，通過4種試驗對基于振動攪拌技術(shù)的瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性能進行分析評價，為振動攪拌技術(shù)在瀝青混凝土中的應(yīng)用提供一定的指導意義。

1 原材料和車轍試驗方法

1.1 原材料

①SBS改性瀝青

本研究采用SBS改性瀝青，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)試驗方法對其性能進行試驗，試驗結(jié)果見表1。各技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青基本性能試驗Tab.1 Basic performance test of SBS modified asphalt

②輝綠巖基本性質(zhì)

本次試驗集料采用的是廣西百色的輝綠巖，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)的試驗方法集料進行基本性能試驗。試驗結(jié)果見表2。

表2 輝綠巖基本性能試驗Tab.2 Basic performance test of diabase

③級配組成

本研究選用AC-13連續(xù)密級配的級配類型。級配曲線采用AC-13級配曲線中值，對石料進行篩分，然后用水洗去石料表面的灰塵與污垢，再放入烘箱中烘干備用。

④瀝青混合料油石比

本研究采用最佳油石比作為瀝青混合料車轍板試件的油石比。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)要求，對0(即不開啟振動作用，僅保留攪拌作用)、10、20、30、40、50 Hz的振動攪拌工藝馬歇爾試件做馬歇爾穩(wěn)定度(MS)、流值(FL)、毛體積密度、空隙率(VV)、飽和度(VFA)和礦料間隙率(VMA)等指標分析，計算最佳油石比，計算結(jié)果見表3。

表3 最佳油石比Tab.3 Optimum asphalt-aggregate ratio

1.2 車轍試驗方法

1.多功能試驗主機;2.圍壓控制系統(tǒng);3.恒溫水浴箱;4.高溫加熱帶；5.攪拌軸；6.振頻與轉(zhuǎn)速控制器圖1 軸振動強制式攪拌機樣機Fig.1 Structural sketch of shaft vibration forced mixer

①瀝青混凝土的制備

使用軸振動強制式攪拌機進行制備瀝青混凝土，其振動作用的施加方式為：在攪拌設(shè)備對瀝青混合料進行攪拌時，激振器帶動攪拌葉片進行振動，由此可直接將振動作用所產(chǎn)生的能量傳導到瀝青混合料中，提高傳導效率。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，通過轉(zhuǎn)速控制器將轉(zhuǎn)速控制在35 r/min，攪拌時間為90 s，攪拌溫度為180 ℃。為了探究振動頻率對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響，本研究通過振動頻率控制器設(shè)置0 、10、20、30、40、50 Hz的振動攪拌頻率制備瀝青混合料。該攪拌機如圖1所示。

②標準車轍試驗

在各振動頻率作用下瀝青混凝土最佳油石比的基礎(chǔ)上，通過軸振動強制式攪拌機樣機制備振動頻率分別為0、10、20、30、40、50 Hz共6種不同振動攪拌方式的AC-13密級配瀝青混凝土，進行標準車轍試驗。試驗溫度為60 ℃，試驗輪的接觸壓強為0.7 MPa。

1.攪拌電機；2.振動電機；3.溫度調(diào)節(jié)旋鈕圖2 三軸壓縮試驗設(shè)備連接圖Fig.2 Connection of triaxial compression test equipment

③高溫車轍試驗

通過參考相關(guān)文獻[12]，保持試驗輪的接觸壓強為0.7 MPa不變，將試驗溫度由60 ℃提高至70 ℃。本小節(jié)選取變振動頻率為0、30、40 Hz共3種不同振動攪拌方式制備AC-13密級配瀝青混凝土進行試驗。

④重載車轍試驗

通過參考相關(guān)文獻[13-14]，保持試驗溫度60 ℃不變，將試驗輪的接觸壓強由0.7 MPa提高到1.4 MPa。本小節(jié)選取振動頻率為0、30、40 Hz這3種不同振動攪拌方式制備AC-13密級配瀝青混凝土進行試驗。

1.3 抗剪強度試驗方法

通過參考相關(guān)文獻[15-18]，將旋轉(zhuǎn)壓實成型參數(shù)確定為：壓實角度為1.25 °，施加壓力為600 kPa，旋轉(zhuǎn)速率固定為30 r/min，旋轉(zhuǎn)次數(shù)取125。成型好直徑為100 mm，高為172 mm的圓柱體試件并用旋轉(zhuǎn)壓實儀附帶的脫膜裝置進行脫膜，用切割機切除試件兩端，使試件高度為(150±2)mm。

本小節(jié)選取振動頻率為0、30、40 Hz這3種不同振動攪拌方式制備AC-13密級配瀝青混凝土進行抗剪強度試驗。其設(shè)備連接圖如圖2所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 標準車轍試驗

圖3 不同振動攪拌頻率下的車轍試驗(60 ℃+0.7 MPa)結(jié)果對比Fig.3 Contrast diagram of rutting test (60 ℃+0.7 MPa) about different vibration mixing frequencies

不同振動攪拌頻率下的車轍試驗如圖3所示。由圖可知，傳統(tǒng)攪拌制備的試件動穩(wěn)定度平均值為8 986次/mm，而振動作用加入后，試件的動穩(wěn)定度平均值均提高到了11 000次/mm以上。當振動頻率范圍為10～40 Hz時，隨著振動頻率的提高，試件動穩(wěn)定度平均值也在不斷提高， 40 Hz時試件動穩(wěn)定度達到了最高值13 780次/mm。而當振動頻率進一步提高到50 Hz時，試件的動穩(wěn)定度平均值較40 Hz反而有所下降，回到類似振動頻率為30 Hz時的作用效果，這說明一味提高振動頻率并不能一直增強瀝青混凝土的抗車轍性能。

而在進行試驗報告的數(shù)據(jù)處理時若是動穩(wěn)定度平均值大于6 000次/mm，則只需記作>6 000次/mm?？紤]到所有瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度都已遠大于6 000次/mm，為進一步驗證振動攪拌所帶來的瀝青混合料高溫性能的提升是否能夠保持，并結(jié)合南方高溫悶熱的環(huán)境條件和我國貨運汽車的平均載重量的不斷增加，補充進行高溫車轍試驗和重載車轍試驗，由此希望將動穩(wěn)定度值有效控制在6 000次/mm以內(nèi)，也能進一步拉開數(shù)據(jù)間的差值，所得到的試驗數(shù)據(jù)也更能說明振動攪拌技術(shù)對瀝青混凝土抗車轍性能的影響。由本小節(jié)可知，對抗車轍性能提升效果最好的振動攪拌頻率是30、40 Hz，因此取振動攪拌頻率為30、40 Hz進行后續(xù)研究。

2.2 高溫車轍試驗

引入動穩(wěn)定度在高溫條件下的保持率作為評價指標，計算公式為

(1)

式中：β為動穩(wěn)定度在高溫條件下的保持率，%；Ds2為70 ℃高溫車轍試驗動穩(wěn)定度平均值，次/mm；Ds1為標準車轍試驗動穩(wěn)定度平均值，次/mm。

不同振動攪拌頻率下的車轍試驗結(jié)果見表4。

表4 不同振動攪拌頻率下的車轍試驗(70 ℃、0.7 MPa)結(jié)果Tab.4 Results of rutting test (70 ℃、0.7 MPa) about different vibration mixing frequencies

由表4可知，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件，70 ℃動穩(wěn)定度平均值為2 199次/mm，而振動作用加入后，當振動頻率為30 Hz和40 Hz時，試件的70 ℃動穩(wěn)定度平均值都提高到了4 000次/mm以上，說明振動攪拌技術(shù)所制備的瀝青混凝土在高溫環(huán)境作用下的抗車轍性能的衰減程度比傳統(tǒng)攪拌的瀝青混凝土要小，也更能抵抗高溫環(huán)境下的行車荷載作用。

由于將試驗溫度從60 ℃提高到70 ℃，對比圖3和表4可知，70 ℃車轍試驗所得到的試件動穩(wěn)定度平均值都有了進一步的下降，均達到本節(jié)所預(yù)設(shè)的小于6 000次/mm的要求。且經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件動穩(wěn)定度在高溫條件下的保持率為24.47%，而振動頻率為30、40 Hz時所對應(yīng)的試件動穩(wěn)定度在高溫條件下的保持率分別提高到了31.32%和35.25%。即使在更高溫的惡劣環(huán)境條件下，振動攪拌技術(shù)也能在一定程度上提高瀝青混合料抵抗車轍病害的能力。

2.3 重載車轍試驗

動穩(wěn)定度在重載交通條件下的保持率作為評價指標，計算公式為

(2)

式中：γ為動穩(wěn)定度在重載交通條件下的保持率，%；Ds3為1.4 MPa重載車轍試驗動穩(wěn)定度平均值，次/mm；Ds1為節(jié)2.1中的標準車轍試驗動穩(wěn)定度平均值，次/mm。

不同振動攪拌頻率下的車轍試驗結(jié)果見表5。

表5 不同振動攪拌頻率下的車轍試驗(60 ℃、1.4 MPa)結(jié)果Tab.5 Results of rutting test (60 ℃、1.4 MPa) about different vibration mixing frequencies

由表5可知，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件，1.4 MPa動穩(wěn)定度平均值為1 124次/mm，而振動作用加入后，當振動頻率為30、40 Hz時試件的1.4 MPa動穩(wěn)定度平均值都提高到了2 300次/mm以上，提升效果明顯，說明振動攪拌技術(shù)所制備的瀝青混凝土在重載交通作用下的抗車轍性能的衰減程度比傳統(tǒng)攪拌的瀝青混凝土要小，也更能抵重載交通條件下的行車荷載作用。

由于將試驗輪的接觸壓強由0.7 MPa提高到1.4 MPa，對比圖3和表5可知，1.4 MPa車轍試驗所得到的試件動穩(wěn)定度平均值都有了大幅度的下降，且均小于6 000次/mm。經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件動穩(wěn)定度在重載交通條件下的保持率為12.51%，而振動頻率為30、40 Hz時所對應(yīng)的試件動穩(wěn)定度在重載交通條件下的保持率分別提高到了17.74%和20.70%。即使在重載交通的惡劣條件下，振動攪拌技術(shù)也能在一定程度上提高并保持瀝青混凝土抵抗車轍病害的能力。

2.4 抗剪強度試驗

三軸壓縮條件下，試件的抗剪強度與圍壓有關(guān)[19-22]，抗剪強度與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系式為

τf=c+σtanφ,

(3)

式中：τf為瀝青混合料的抗剪強度，kPa；c為試件的黏聚力，kPa；σ為主應(yīng)力值，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

不同振動攪拌頻率下的黏聚力與內(nèi)摩擦角及不同振動攪拌頻率下的抗剪強度試驗結(jié)果分別見表6、7。

表6 不同振動攪拌頻率下的黏聚力與內(nèi)摩擦角Tab.6 Results of cohesion and internal friction angle about different vibration mixing frequencies

表7 不同振動攪拌頻率下的抗剪強度試驗結(jié)果Tab.7 Results of shear strength test about different vibration mixing frequencies

由表6可知，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件，黏聚力平均值為908.86 kPa，而振動作用加入后當振動頻率為30、40 Hz時，試件的黏聚力平均值都提高到了985 kPa以上，說明振動攪拌技術(shù)所制備的瀝青混凝土的剪切破壞性能的衰減程度比傳統(tǒng)攪拌的瀝青混凝土要小。當振動頻率達到40 Hz時所對應(yīng)的試件黏聚力平均已達到了1 010 kPa，提升幅度為11.1%。而內(nèi)摩擦角主要由集料本身的性質(zhì)決定[23]，振動作用的加入并未對內(nèi)摩擦角產(chǎn)生顯著影響。

由表7進行橫向分析可知，在一定范圍內(nèi)當振動頻率不變時，隨著圍壓的增大，瀝青混凝土試件的抗剪強度也在逐漸提高，但抗剪強度增長的幅度逐漸變小?？v向分析可知，在攪拌過程中振動作用的加入能提高密級配瀝青混凝土的抗剪強度，當振動頻率為40 Hz時抗剪強度的提升效果最好，在不同圍壓的條件下提高幅度范圍為6.0%～13.1%。

相比傳統(tǒng)攪拌技術(shù)，振動攪拌技術(shù)所得試件黏聚力的提高幅度較為顯著，說明黏聚力對振動作用更為敏感，這是由于懸浮-密實結(jié)構(gòu)中，振動作用的加入使細集料和礦粉得到更有效的重新分布，從而形成更黏稠的瀝青膠漿，使其具有更大的黏聚力，能更緊密粘結(jié)骨料，總體來看有利于其強度提高，又由于本實驗基于最佳油石比進行，因而此時瀝青膠漿具有最優(yōu)的黏聚力。當試件受到剪切作用時，瀝青膠漿的黏聚力則表現(xiàn)為抵抗剪切破壞的抗力；而內(nèi)摩擦角主要與集料本身的壓碎值，磨耗值和針片狀含量有關(guān)，因此振動作用的引入對內(nèi)摩擦角的增大程度有限。振動攪拌增大了集料與瀝青相互接觸的比表面積，促進了集料對瀝青的吸收，瀝青的有效含量得以提高，黏聚力增大，也使得瀝青混凝土整體性更好，進一步提高瀝青混凝土的抗剪強度。而剪切疲勞破壞在宏觀方面即表現(xiàn)為車轍病害，也說明剪切流動破壞是車轍病害產(chǎn)生的主要原因。

3 結(jié)語

本文在各振動頻率所對應(yīng)的最佳油石比基礎(chǔ)上，通過一種軸振動強制式攪拌機進行瀝青混凝土的制備，進行4項高溫穩(wěn)定性能試驗，得出以下結(jié)論：

①由于攪拌過程中振動作用的加入，標準車轍試驗時試件動穩(wěn)定度的平均值得到了有效提高。當振動頻率范圍為10～40 Hz時，隨著振動頻率的提高，試件動穩(wěn)定度平均值也在不斷提高，40 Hz時達到峰值。

②分別通過高溫車轍試驗和重載車轍試驗，并且引入動穩(wěn)定度在高溫條件下和重載交通條件下的保持率作為評價指標，結(jié)果表明，即使在高溫和重載交通的惡劣條件下，振動攪拌技術(shù)也能提高瀝青混合料抵抗車轍病害的能力。

③通過進行抗剪強度試驗發(fā)現(xiàn)，振動作用使試件黏聚力平均值提高10%以上，而并未對內(nèi)摩擦角產(chǎn)生顯著影響。當振動頻率為40 Hz時，對試件抗剪強度的提升效果最好，在不同圍壓的條件下提高幅度范圍為6.0%～13.1%。

④綜合來看，最佳振動頻率在30～40 Hz，此時激振力和混合料的和易程度最好，且在惡劣嚴苛的環(huán)境條件下也能保持瀝青混凝土抵抗車轍病害的能力。