不同設(shè)計方法下瀝青混合料配合比試驗研究

摘要：為了對比分析不同設(shè)計方法下瀝青混合料配比的差異，文章分別采用馬歇爾法、Superpave（高性能瀝青路面）法和GTM法（旋轉(zhuǎn)壓實剪切實驗法）設(shè)計了AC-13、AC-20和AC-25 3種瀝青混合料，并進行了室內(nèi)試驗研究。試驗結(jié)果顯示，這3種設(shè)計方法制備的瀝青混合料存在一定的差異。采用馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料的但整體性能相對較差；采用GTM法設(shè)計的瀝青混合料的空隙率較低，在水穩(wěn)定性和高溫性能方面具有一定的優(yōu)勢；采用Superpave法設(shè)計的瀝青混合料具有較高的疲勞壽命。綜合來看，采用Superpave法和GTM法設(shè)計的瀝青混合料的性能表現(xiàn)均優(yōu)于馬歇爾法，因此建議在工程實踐中優(yōu)先考慮采用這兩種方法進行瀝青混合料的配合比設(shè)計。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；瀝青混合料；設(shè)計方法；配合比設(shè)計；性能研究

中圖分類號：U414.75 " " " 文獻標(biāo)識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0095-05

0 引言

近30年來，隨著道路交通的快速發(fā)展，瀝青路面里程顯著增長，有力推動了我國經(jīng)濟社會的發(fā)展。然而，交通量的激增及車輛軸重的不斷提升，特別是超載現(xiàn)象頻發(fā)，給瀝青路面帶來了極大挑戰(zhàn)。為了滿足對當(dāng)前道路交通運輸荷載的需求，迫切需要提升瀝青路面性能。提升瀝青路面性能可以從材料性能、施工方法、施工質(zhì)量等多個方面入手，但最經(jīng)濟且可靠的方式是優(yōu)化瀝青混合料設(shè)計方法，通過前期的優(yōu)化設(shè)計，可有效降低瀝青路面早期損壞的風(fēng)險。馬歇爾法是我國瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方法，在工程驗收中常常被用作檢驗指標(biāo)。為了提高瀝青路面的耐久性，部分路面工程開始采用旋轉(zhuǎn)壓實剪切實驗法（GTM法）和高性能瀝青路面設(shè)計方法（Superpave法）進行瀝青混合料的目標(biāo)配合比和生產(chǎn)配合比設(shè)計，并深入探究了這兩種方法下瀝青混合料的性能表現(xiàn)。紀(jì)偉等[1]通過對比試驗，詳細分析了采用Superpave法和馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料在體積參數(shù)、高溫性能、低溫性能等方面的差異；徐慶峰等[2]采用Superpave法和馬歇爾法設(shè)計并制備了瀝青混合料試件，并通過車轍試驗、低溫彎曲試驗以及浸水馬歇爾試驗等手段，對比分析了兩種方法下試件的高溫性能、溫性能和水穩(wěn)定性；仝剛[3]通過實例探討了GTM法與Superpave法在瀝青砼配合比設(shè)計中的應(yīng)用，并分析了這兩種方法的相同與差異之處。然而，以往的研究者多關(guān)注3種設(shè)計方法下瀝青混合料的體積參數(shù)，較少關(guān)注其性能差異。馬歇爾法的核心是通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的體積參數(shù)確定最佳級配與油石比，但其缺點是試件成型方式與實際的現(xiàn)場壓實工藝不匹配。Superpave法作為國外廣泛使用的設(shè)計方法，同樣基于體積設(shè)計，但在設(shè)計理念的深度上相較于馬歇爾法有較大提升［4］，并且采用的旋轉(zhuǎn)壓實方法更貼近實際碾壓工藝。GTM法更加關(guān)注現(xiàn)場施工中的問題，主要通過檢測瀝青混合料的抗剪強度和塑性變形確定最佳級配和油石比，其設(shè)計思路與Superpave法存在較大差異［5］。由于采用Superpave法和GTM法所需的設(shè)備成本昂貴，導(dǎo)致它們在我國尚未得到普及應(yīng)用。目前，針對馬歇爾法、GTM法、Superpave法的對比研究相對較少?；诖?，本研究采用馬歇爾法、GTM法和Superpave法，分別對AC-13、AC-20和AC-25 3種瀝青混合料進行設(shè)計，并對不同方法下瀝青混合料的性能進行試驗和分析，旨在為我國瀝青混合料配合比設(shè)計方法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

1 試驗材料

本研究選用了3種瀝青混合料級配，分別為AC-13、AC-20、AC-25。其中，AC-13采用的是SBS改性瀝青作為膠結(jié)料，粗集料采用玄武巖，細集料和礦粉則采用石灰?guī)r。AC-20和AC-25均使用70#A級瀝青作為膠結(jié)料，粗細集料及礦粉基材同樣為石灰?guī)r。所選用的原材料均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的相關(guān)性能指標(biāo)要求。瀝青檢測指標(biāo)見表1，玄武巖粗集料、石灰?guī)r粗集料、石灰?guī)r細集料、石灰?guī)r礦粉的檢測結(jié)果見表1至表5。

2 試驗設(shè)計

2.1 級配設(shè)計

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）對瀝青混合料集料級配范圍的要求，本研究為AC-13、AC-20、AC-25礦料合成級配設(shè)計分別見圖1、圖2、圖3。Superpave法的設(shè)計體系規(guī)定，礦物骨料級配需通過Superpave法的控制點和限制區(qū)確定，并要求選取3種不同的級配進行優(yōu)化。然而，為保持研究結(jié)果的可比性，本文采用Superpave法進行級配設(shè)計時，采用了與馬歇爾法和GTM法完全相同的礦物骨料級配，并且該級配同樣滿足Superpave法的控制點和限制區(qū)要求。

2.2 最佳瀝青含量確定

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）、《 旋轉(zhuǎn)壓實剪切實驗法（GTM）瀝青混合料設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DB13/T 978-2008）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中規(guī)定的試驗程序，確定了AC-13、AC-20、AC-25 3種瀝青混合料的最佳瀝青含量。使用不同設(shè)計方法在最佳瀝青含量下瀝青混合料的油石比和體積參數(shù)見表6。

表6中的數(shù)據(jù)顯示，馬歇爾法、GTM法、Superpave法在最佳瀝青含量和體積等參數(shù)方面存在差異。具體而言，采用GTM法設(shè)計的瀝青混合料具有最大的毛體積密度和瀝青飽和度（VFA），Superpave法的這兩項指標(biāo)值居中，而馬歇爾法的這兩項指標(biāo)值最小。對于油石比、空隙率和礦料間隙率（VMA），3種方法的結(jié)果排序為GTM法＜Superpave法＜馬歇爾法。這些體積參數(shù)的顯著差異有可能會對瀝青混合料的路面性能產(chǎn)生一定的影響。

3 試驗驗證

3.1 車轍試驗

高溫性能通過室內(nèi)車轍試驗進行評價，該試驗遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）的規(guī)定進行，不同設(shè)計方法下瀝青混合料的動穩(wěn)定度結(jié)果見圖4。馬歇爾法采用重錘壓實成型試件，其壓實功相對較小，與現(xiàn)場實際路面的壓實工藝存在差異，因此導(dǎo)致瀝青混合料空隙率偏高，雖然其體積參數(shù)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的要求，但是在車輪荷載的作用下，骨料排列發(fā)生變化，引發(fā)錯位和變形，因此馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料動穩(wěn)定度值相對較低。此外，較高的油石比也是影響馬歇爾設(shè)計的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的主要原因之一。相比之下，GTM法通過提高毛體積密度和降低瀝青含量，有效減少了瀝青與集料之間的潤滑作用以及車輪壓實引起的混合料變形，從而表現(xiàn)出更優(yōu)的高溫性能。Superpave法作為一種體積設(shè)計方法，它能嚴(yán)格地將孔隙率控制在4.0%的水平，并采用旋轉(zhuǎn)壓實方法模擬路面碾壓的實際情況，因此其所設(shè)計的瀝青混合料同樣表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性。

3.2 水穩(wěn)定性試驗

水穩(wěn)定性能采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗進行評價，試驗過程嚴(yán)格遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)方法》（JTG E20—2011）中的規(guī)定。瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度（MSR）和凍融劈裂強度比（TSR）的測試結(jié)果分別見圖5和圖6。圖5顯示，GTM法設(shè)計的瀝青混合料的MSR高于Superpave法，而馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料的MSR最低。圖6中的TSR結(jié)果與MSR結(jié)果相似，不同設(shè)計方法下的瀝青混合料TSR與MSR呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。因此可以得出結(jié)論，采用GTM法設(shè)計的瀝青混合料的水穩(wěn)定性能最佳，而采用馬歇爾法設(shè)計的水穩(wěn)定性能最差。根據(jù)表6中的瀝青混合料體積指標(biāo)可知，GTM法的毛體積密度和空隙率優(yōu)于Superpave法和馬歇爾法。較大的毛體積密度和較小的空隙率能有效降低瀝青混合料的透水性，從而減少水對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的滲透和破壞，這使得GTM法設(shè)計的瀝青混合料具有更好的抗水損害性能。

3.3 疲勞性能試驗

疲勞性能通過三點彎曲疲勞性能試驗進行評價。在瀝青路面設(shè)計過程中，瀝青混合料的抗疲勞性能被視為一項關(guān)鍵指標(biāo)，它能夠通過疲勞曲線估算瀝青路面的使用壽命。為探究不同設(shè)計方法對抗疲勞性能的影響，利用MTS-810液壓伺服萬能試驗機對瀝青混合料試件進行了三點彎曲疲勞性能試驗。試件均取自車轍試樣，其尺寸為40 mm×40 mm×250 mm（寬×高×長）。測試在15 ℃的環(huán)境溫度下，以10 Hz的頻率進行，并采用半正弦波負載，應(yīng)力比分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。采用三點加載方式和應(yīng)力水平控制模式進行試驗。

采用不同設(shè)計方法的瀝青混合料的疲勞性能試驗結(jié)果見圖7至圖9。圖7顯示，隨著應(yīng)力比的增大，不同設(shè)計方法下的AC-13、AC-20、AC-25瀝青混合料的疲勞壽命均呈現(xiàn)下降趨勢，并且各方法之間的疲勞壽命差異較小，這一結(jié)論與前人的研究［6-7］結(jié)論一致。不同方法設(shè)計的瀝青混合料疲勞壽命的排序為馬歇爾法＜GTM法＜Superpave法。采用Superpave法和GTM法設(shè)計的瀝青混合料空隙率、油石比較低，空隙率和油石比是影響瀝青混合料強度和疲勞壽命的重要參數(shù)，它們均存在最優(yōu)值。由于Superpave法的空隙率和油石比介于馬歇爾法和GTM法之間，因此表現(xiàn)出最優(yōu)的疲勞性能。

3.4 3種設(shè)計方法的對比分析

試驗結(jié)果顯示，在原材料和試驗條件相同的情況下，不同設(shè)計方法得到的瀝青混合料在性能上存在差異。馬歇爾法因高瀝青含量和高空隙率，導(dǎo)致其設(shè)計的瀝青混合料的路用性能在3種設(shè)計方法中表現(xiàn)最差。采用GTM法設(shè)計的AC-13、AC-20、AC-25瀝青混合料的油石比最低，使得其高溫性能顯著優(yōu)于其他兩種方法，然而，較低的油石比也對其疲勞壽命產(chǎn)生了不利影響。采用Superpave法設(shè)計的瀝青混合料的油石比介于馬歇爾法和GTM法，因此其高溫性能和水穩(wěn)定性能也介于兩者，但疲勞性能表現(xiàn)最優(yōu)。這一現(xiàn)象表明，油石比并非越高或越低就越好，而是存在一個最佳值。同時，采用Superpave法設(shè)計的瀝青混合料的路用性能同樣介于另外兩種方法?？紤]到瀝青路面需承受荷載作用和環(huán)境因素的綜合影響，瀝青混合料的設(shè)計方法應(yīng)綜合考慮各種性能要求。因此，Superpave法作為一種折中的方案，具有較好的應(yīng)用前景。從成本角度看，GTM法油石比較低且路用性能優(yōu)于馬歇爾法，因此在工程實踐中同樣具有一定的應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

本文對比分析了3種瀝青混合料設(shè)計方法的原則，并通過實驗深入探索了馬歇爾法、GTM法和Superpave法的應(yīng)用效果。試驗得出以下結(jié)論。

（1）采用3種設(shè)計方法得到的瀝青混合料的體積參數(shù)和路用性能存在顯著差異。具體而言，采用馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料的油石比最高，Superpave法次之，GTM法最低。

（2）采用Superpave法和GTM法設(shè)計的瀝青混合料具有較好的技術(shù)性能，優(yōu)于當(dāng)前廣泛使用的馬歇爾方法。這兩種方法不僅符合實際施工工藝，而且還充分考慮了路面的真實受力狀態(tài)，因此在我國工程實踐中具有進一步推廣應(yīng)用的價值。

5 參考文獻

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