路橋?yàn)r青混合料試驗(yàn)檢測方法探究

胡承祖

（廣東新通工程科技有限公司,廣東 廣州 510700）

0 引言

瀝青混合料路面因方便養(yǎng)護(hù)、行車舒適、穩(wěn)定性好成為路橋工程建設(shè)的首選，但在自然環(huán)境因素與行車荷載的持續(xù)作用下，瀝青路面會(huì)受到損壞，致使諸多工程在通車1～2 年后則會(huì)出現(xiàn)早期病害，影響工程使用性能，也會(huì)增加行車安全風(fēng)險(xiǎn)。為了克服上述問題，提出將新型聚合物改性瀝青混合料運(yùn)用于工程中，但需要采用有效的試驗(yàn)檢測方法來確定常規(guī)材料與新型材料的性能差異?；诖耍撐膰@不同膠結(jié)材料的瀝青混合料性能對比，以選擇合適的試驗(yàn)手段客觀判斷性能為目標(biāo)，探究路橋?yàn)r青混合料的試驗(yàn)檢測方法。

1 路橋?yàn)r青混合料常用試驗(yàn)檢測方法

1.1 瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

在瀝青混合料試驗(yàn)檢測中，馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)應(yīng)用頻率極高，是最為重要的試驗(yàn)手段之一，分為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)兩種。標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)試驗(yàn)有以下關(guān)鍵步驟：

（1）按照試驗(yàn)規(guī)程準(zhǔn)備所需試件，放入恒溫水槽內(nèi)進(jìn)行保溫處理，保溫時(shí)間根據(jù)試件尺寸確定，標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件保溫時(shí)間控制在30～40 min，大型尺寸試件保溫時(shí)間控制在45～60 min，水槽中兩個(gè)試件之間應(yīng)間隔10 cm，底部墊起與水槽底部保持≥5 cm 的距離[1]。

（2）試驗(yàn)裝備保溫處理，將試驗(yàn)所用馬歇爾試驗(yàn)儀上的兩個(gè)壓頭取下，放置在試件保溫的水槽中，壓頭與試件溫度一致后取出，將內(nèi)面水分擦干。為保證壓頭在試驗(yàn)中自如滑動(dòng)，取少量黃油，涂抹在下壓頭搗棒上。裝備處理結(jié)束后，將試件取出，立即放在下壓頭上，再取上壓頭蓋上，最后移動(dòng)至加載設(shè)備上。

（3）在上壓頭球座上穩(wěn)固放好鋼球，其位置應(yīng)與荷載測定裝置壓頭對準(zhǔn)。

（4）試驗(yàn)中所用馬歇爾試驗(yàn)儀為自動(dòng)化裝置，應(yīng)先正確連接用于監(jiān)測位移與壓力的傳感器，并接通X-Y 記錄機(jī)、計(jì)算機(jī)，根據(jù)放大比例要求調(diào)整裝置，最后將兩個(gè)傳感器歸零。

（5）啟動(dòng)加載設(shè)備，使試件承受荷載，加載速度為50±5 mm/min。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到最大值的瞬間，記錄最大荷載和最大變形。最大荷載（Ms）即為穩(wěn)定度，以kN表示，準(zhǔn)確至0.01 kN。最大變形為流值（FL），以mm表示，準(zhǔn)確至0.1 mm。

浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)方法的區(qū)別在于馬歇爾試件需在達(dá)到規(guī)定溫度的恒溫水槽中保溫48 h，其余的試驗(yàn)步驟與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法完全一致。試件的浸水殘留穩(wěn)定度計(jì)算采用公式如下：

式中，M0—— 試件的浸水殘留穩(wěn)定度（%）；Ms1——試件浸水48 h 穩(wěn)定度（kN）；Ms——試件穩(wěn)定度（kN）。

1.2 瀝青混合料車轍試驗(yàn)

該試驗(yàn)通過在測試試件表面模擬實(shí)際車輪荷載所形成車轍，測定高溫環(huán)境下路橋?yàn)r青混合料的抗車轍能力[2]。試驗(yàn)有以下關(guān)鍵步驟：

（1）將準(zhǔn)備好的試件連同試模一起放進(jìn)恒溫室內(nèi)，試驗(yàn)溫度應(yīng)達(dá)到60 ℃±1 ℃，不間斷保溫≥5 h，但不超過12 h。為了掌握試件溫度是否穩(wěn)定，采用熱電偶溫度計(jì)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，將其黏貼在試驗(yàn)輪不行走部位。

（2）試驗(yàn)在車轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，需要同時(shí)移動(dòng)試件、試模，放置好試件后調(diào)整試驗(yàn)輪位置，應(yīng)確保處于試件中央位置；再按照行車方向調(diào)整試驗(yàn)輪行走方向，也可以與試件碾壓方向保持一致[3]。

（3）做好以上調(diào)整后即可啟動(dòng)試驗(yàn)裝備，滿足以下其中一個(gè)條件時(shí)可以關(guān)閉裝備：一是往返行走時(shí)間達(dá)到60 min，二是最大變形達(dá)到25 mm。

（4）試驗(yàn)過程中，設(shè)備記錄儀記錄變形曲線及試件溫度。瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度按下式計(jì)算：

式中，DS——瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度（次/mm）；d1——對應(yīng)時(shí)間t1變形量（mm）；d2——對應(yīng)時(shí)間t2變形量（mm）；C1——試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動(dòng)加載輪往返運(yùn)動(dòng)方式為1.0；C2——試件系數(shù)，試驗(yàn)室制備寬300 mm 的試件為1.0；N——試驗(yàn)輪的往返碾壓速度，通常為42 次/min。

但車轍試驗(yàn)中需要考慮氣候環(huán)境條件對瀝青混合料產(chǎn)生的影響，因此，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程要求在寒冷地區(qū)完成試驗(yàn)時(shí)溫度可由60 ℃下調(diào)至45 ℃，在高溫地區(qū)完成試驗(yàn)時(shí)溫度可由60 ℃上調(diào)至70 ℃。除試驗(yàn)溫度需要注意外，試驗(yàn)中動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算時(shí)間也要注意，應(yīng)在開始試驗(yàn)后的45～60 min 內(nèi)開始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

1.3 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)是模擬路橋?yàn)r青混合料反復(fù)凍融下的受損情況，能夠測定水損害前后瀝青混合料的劈裂破壞強(qiáng)度比。試驗(yàn)有以下關(guān)鍵步驟：

（1）試件制作應(yīng)采用馬歇爾擊實(shí)法，試件為圓柱體。制作過程中所用材料有特殊要求，其集料公稱最大粒徑應(yīng)控制在26.5 mm 以下。成型試件雙面均需要擊實(shí)50 次。

（2）測試試件直徑與高度，精度控制在0.1 mm，確定試件尺寸符合試驗(yàn)規(guī)程要求后，對稱地在兩側(cè)圓心畫出十字標(biāo)記。

（3）對試件物理指標(biāo)進(jìn)行檢測，測定密度、空隙率等。

（4）將4 個(gè)試件隨機(jī)分為兩組，一組放在平臺(tái)上，于室溫環(huán)境內(nèi)保存；另一組需要進(jìn)行真空飽水處理，采用飽水試驗(yàn)法，在真空度達(dá)到97.3～98.7 kPa 的環(huán)境中持續(xù)飽水15 min，到規(guī)定時(shí)間后將閥門打開，使真空環(huán)境恢復(fù)到常壓狀態(tài)，但不取出試件，需要繼續(xù)放置30 min后取出[4]。

（5）將取出的試件放置在提前準(zhǔn)備的潔凈塑料袋內(nèi)，并于袋內(nèi)加入10 ml 的水，將袋口扎緊，放入-18 ℃±2 ℃條件下冷凍，冷凍時(shí)間為16 h±1 h。

（6）冷凍后取出，置入恒溫水槽，水槽溫度為60 ℃±5 ℃，將塑料袋去除，繼續(xù)保溫24 h。

（7）保溫到時(shí)間后取出試件，將兩組試件同時(shí)放入溫度為25 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽內(nèi)，持續(xù)時(shí)間≥2 h，在水槽內(nèi)試件間隔應(yīng)控制在10 mm 以上。

（8）取出試件通過50 mm/min 加載速率進(jìn)行破裂試驗(yàn)，測定試件最大荷載。根據(jù)最大荷載先計(jì)算劈裂抗拉強(qiáng)度，公式如下：

基于劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，公式如下：

式中，TSR——凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比（%）；——凍融循環(huán)后第二組有效試件劈裂抗拉強(qiáng)度平均值（MPa）；——未凍融循環(huán)的第一組有效試件劈裂抗拉強(qiáng)度平均值（MPa）。

1.4 瀝青混合料彎曲試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)是一種測定路橋?yàn)r青混合料在規(guī)定溫度、加載速率下被彎曲破壞時(shí)的力學(xué)性質(zhì)，可以掌握瀝青混合料低溫拉伸性能。試驗(yàn)有以下關(guān)鍵步驟：

（1）在溫度為-10 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽內(nèi)進(jìn)行試件降溫處理，時(shí)間不短于45 min，檢測試件內(nèi)部溫度為試驗(yàn)溫度±0.5 ℃后可以將試件取出。取出后需要立即對稱安裝在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的支座上，按照試件成型方向調(diào)整其上下方向。

（2）按照試驗(yàn)規(guī)程將位移測定裝置、位移計(jì)安裝在規(guī)定位置上，前者支座安裝在試驗(yàn)機(jī)上、裝置安裝在梁跨下緣正中央；后者支設(shè)在試件跨中下緣中央或兩側(cè)。

（3）試驗(yàn)中位移計(jì)、傳感器等均要連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，跨中撓度可由LVDT 位移傳感器測定。

（4）啟動(dòng)壓力計(jì)，以跨中央形式集中施加荷載，加載速度為50 mm/min，試件被破壞后停止加載。

試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度RB、破壞時(shí)的梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖及破壞時(shí)的彎曲勁度模量SB關(guān)系：

式中，RB——試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度（MPa）；εB——試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變（με）；SB——試件破壞時(shí)的彎曲勁度模量（MPa）；b——跨中斷面試件寬度（mm）；h——跨中斷面試件高度（mm）；L——試件的跨徑（mm）；PB——試件破壞時(shí)的最大荷載（N）；d——試件破壞時(shí)的跨中撓度（mm）。

2 路橋?yàn)r青混合料試驗(yàn)檢測方法運(yùn)用

2.1 材料與試驗(yàn)檢測方案

2.1.1 試驗(yàn)原材料

（1）瀝青。該次試驗(yàn)檢以基質(zhì)瀝青、聚合物改性瀝青兩種不同的膠結(jié)材料為對象，前者選擇東莞泰和70#基質(zhì)瀝青，后者配制3%、5%、7%、9%等四種不同比例聚合物摻量的殼牌新粵（佛山）改性瀝青。5 種不同瀝青原材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

（2）集料。選用廣西武宣喜福石場生產(chǎn)的輝綠巖集料，10～25 mm 碎石、10～15 mm 碎石、5～10 mm 碎石、0～3 mm 機(jī)制砂。集料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（3）礦粉。選用龍門縣平陵鎮(zhèn)豐帆石灰粉廠生產(chǎn)的石灰石礦粉。礦粉各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2.1.2 瀝青混合料配合比確定

為了準(zhǔn)確檢測基質(zhì)瀝青、聚合物改性瀝青混合料的各項(xiàng)性能，先要確定瀝青混合料的配合比，該次利用馬歇爾試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)方法來確定瀝青混合料的目標(biāo)配合比，同時(shí)制作不同尺寸規(guī)格的混合料試件，通過相應(yīng)的檢試驗(yàn)方法得到各項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

在試驗(yàn)中為預(yù)防材料對檢測結(jié)果客觀性造成負(fù)面影響，應(yīng)科學(xué)確定礦料級配與最佳石油比。該次試驗(yàn)統(tǒng)一確定混合料類型為連續(xù)密級配AC-25，設(shè)計(jì)空隙率為3%～5%。經(jīng)試驗(yàn)比選后確定符合工程設(shè)計(jì)規(guī)定的級配范圍，最終確定該次試驗(yàn)中礦料比例為10～25 mm 碎石∶10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶0～3 mm 機(jī)制砂∶礦粉=40%∶9%∶23%∶25%∶3%。

該次試驗(yàn)采用擊實(shí)法制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件并通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)確定最佳油石比。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，連續(xù)密級配AC-25 瀝青混合料油石比一般可以在3.0%～5.5%范圍選取，現(xiàn)初步選定目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)的最佳油石比4.0%為中值，按0.5%間隔變化，取3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%等5 個(gè)不同的油石比進(jìn)行混合料拌和并制作馬歇爾試件，每個(gè)油石比制作不少于4 個(gè)試件[5]。試件制作完成后，選取合適的試驗(yàn)方法測定壓實(shí)混合料的密度，再利用瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)儀采集荷載下瀝青混合料穩(wěn)定度、流值等指標(biāo)。經(jīng)過計(jì)算，繪制油石比與流值、穩(wěn)定度、孔隙率等指標(biāo)之間的關(guān)系曲線，經(jīng)最終測定，瀝青混合料的最佳油石比為3.9%。

統(tǒng)一選取3.9% 為該次試驗(yàn)瀝青混合料的最佳油石比，礦料比例為10～25 mm 碎石∶10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶0～3 mm 機(jī)制砂∶礦粉=40%∶9%∶23%∶25%∶3%，通過室內(nèi)小型瀝青混合料拌和機(jī)分別拌制以基質(zhì)瀝青、3%、5%、7%、9%聚合物改性瀝青為膠結(jié)材料的瀝青混合料，并制作馬歇爾試件、車轍板試件、小梁試件，最后根據(jù)規(guī)范要求選取適用的試驗(yàn)方法檢測混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

該次試驗(yàn)中三種類型試件成型方式及尺寸要求如表1 所示。

2.1.3 試驗(yàn)檢測方案

該次試驗(yàn)需要確定基質(zhì)和聚合物改性兩種瀝青混合料的多項(xiàng)性能，重點(diǎn)檢測高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性，其中高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗(yàn)測定，水穩(wěn)定性采用浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)測定，低溫抗裂性能采用彎曲試驗(yàn)檢測法測定。

2.2 檢測方法與檢測結(jié)果

2.2.1 高溫穩(wěn)定性檢測

該項(xiàng)檢測是指在高溫環(huán)境下對瀝青混合料路面的抗車轍性能展開檢測，以便準(zhǔn)確判斷瀝青路面的使用性能。瀝青混合料是一種性能特殊的材料，其具有典型的黏彈性，高溫下流動(dòng)性顯著提升，從而會(huì)出現(xiàn)明顯的變軟現(xiàn)象。路面通車后車輪碾壓會(huì)使變軟的面層出現(xiàn)車轍，影響面層的使用性能，降低行車舒適性與安全性。為此，在對比兩種類型瀝青混合料性能時(shí)應(yīng)先檢測高溫穩(wěn)定性。根據(jù)該次檢測所用試驗(yàn)方法的要求以及1 種基質(zhì)瀝青、4 種摻量不同的聚合物改性瀝青混合料情況，統(tǒng)一在60 ℃溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果如表2 所示。

表2 瀝青混合料高溫車轍試驗(yàn)檢測結(jié)果

由表2 可以看出，聚合物改性瀝青混合料穩(wěn)定度明顯高于基質(zhì)瀝青；當(dāng)聚合物摻量變化時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也會(huì)有所變化，兩者為正比例關(guān)系，而在該次試驗(yàn)中當(dāng)聚合物摻量達(dá)到最高水平時(shí)（9%），聚合物改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)最大差距，前者基本為后者的2 倍左右，但也要注意摻量超過5%后動(dòng)穩(wěn)定度的增幅處于下降狀態(tài)；聚合物改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度變異系數(shù)小，但并無明顯變化規(guī)律。

2.2.2 低溫性能檢測

低溫開裂是路橋工程中瀝青路面出現(xiàn)頻率較高的病害，而裂縫數(shù)量增多、深度加深會(huì)威脅行車安全性。因此，比較兩種瀝青混合料性能時(shí)也需要檢測低溫性能。該次試驗(yàn)檢測中采用瀝青混合料彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)中需要獲得兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，彎曲勁度模量以及最大彎拉應(yīng)變，用于評價(jià)瀝青混合料的低溫性能。該項(xiàng)試驗(yàn)中采用尺寸為250 mm×30 mm×35 mm（跨徑200 mm±0.5 mm）的小梁試件，試驗(yàn)中完成破壞試件后，對記錄儀中荷載—跨中撓度曲線進(jìn)行處理，其中的直線段需要延長，延長至與橫坐標(biāo)出現(xiàn)交點(diǎn)，將交點(diǎn)作為曲線原點(diǎn)，取峰值時(shí)最大荷載、跨中撓度兩項(xiàng)后續(xù)計(jì)算中的關(guān)鍵指標(biāo)值。檢測結(jié)果如表3 所示。

表3 低溫彎曲試驗(yàn)檢測結(jié)果

由表3 可以看出，檢測低溫性能的試驗(yàn)中，基質(zhì)瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變值明顯超過其他4 種聚合物改性瀝青混合料。而聚合物摻量發(fā)生變化，混合料的最大彎拉應(yīng)變值也會(huì)出現(xiàn)變化，兩者為反比例關(guān)系，當(dāng)聚合物摻量達(dá)到最高水平（9%）時(shí)，也在試驗(yàn)中出現(xiàn)最小彎拉值，與基質(zhì)瀝青混合料差距較大。此外，摻入聚合物會(huì)改善瀝青混合料低溫狀態(tài)下柔韌性，摻量越大效果越好、彎曲勁度模量越高。

2.2.3 水穩(wěn)定性檢測

（1）浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，共需兩組試件，同時(shí)進(jìn)行保溫處理，恒溫水槽溫度為60 ℃，但保溫時(shí)間不同，一組僅保溫30 min，另一組至少保溫48 h，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后取出，分別測定試件的殘留穩(wěn)定度值。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，基質(zhì)瀝青混合料殘留穩(wěn)定度為86%，3%、5%、7%、9%聚合物改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度分別為91%、94%、95%、96%。通過結(jié)果可以看出，聚合物改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度明顯高于基質(zhì)瀝青，表示其黏附性能與抗剝落能力更佳。

（2）凍融劈裂試驗(yàn)。該項(xiàng)試驗(yàn)中每種瀝青混合料也需要制作2 組試件，要求試件雙面各擊實(shí)50 次。兩組試件處理環(huán)境不同，一組試件置放在25 ℃恒溫水浴中，浸泡時(shí)間不短于2 h；另一組試件按照上述論述步驟，經(jīng)過飽水試驗(yàn)方法進(jìn)行真空飽水處理后進(jìn)行凍融循環(huán)[6]。試件處理結(jié)束后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，測定最大荷載。根據(jù)最大荷載先計(jì)算劈裂抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

由表4 可以看出，兩種瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比結(jié)果均在現(xiàn)行規(guī)范要求范圍內(nèi)，但可以看出摻入聚合物的改性瀝青混合料其試驗(yàn)結(jié)果高于普通基質(zhì)瀝青混合料，充分表明前者水穩(wěn)定性更好。

綜上所述，針對不同類型膠結(jié)材料的瀝青混合料，若想對其性能展開準(zhǔn)確判斷，選擇合適的試驗(yàn)檢測方法是關(guān)鍵，并應(yīng)按照統(tǒng)一的試驗(yàn)規(guī)程中的要求與步驟規(guī)范試驗(yàn)過程，獲得客觀檢測結(jié)果，為路橋工程建設(shè)中選擇合適瀝青混合料提供依據(jù)。該次試驗(yàn)檢測結(jié)果表明，聚合物改性瀝青較70#基質(zhì)瀝青混合料具有更好的抗車轍能力、高溫穩(wěn)定性優(yōu)勢明顯，同時(shí)也具有較好的低溫抗開裂能力和水穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

為了有效發(fā)揮不同類型試驗(yàn)檢測方法在判斷路橋?yàn)r青混合料性能與質(zhì)量中的價(jià)值，該文在比較基質(zhì)瀝青與聚合物改性瀝青兩種混合料情境下，分析了試驗(yàn)檢測方法的具體應(yīng)用，直觀呈現(xiàn)方法實(shí)際效果與應(yīng)用價(jià)值。因此，在路橋施工中面臨瀝青混合料選擇難題或改良瀝青混合料前后判斷效果時(shí)，均可以采用合適的試驗(yàn)檢測方法，對瀝青混合料路用性能做出正確判斷，保障路橋工程質(zhì)量。