張晗

摘要 為了能更好地模擬多孔瀝青混合料的現(xiàn)場(chǎng)碾壓狀態(tài)，該文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型多孔瀝青混合料試件，結(jié)合工程骨架內(nèi)部結(jié)構(gòu)、耐久平衡以及功能特性，確定多孔瀝青混合料合理的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為45～77次;實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)交通量來(lái)確定最終的設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)，輕交通量下建議取下限值，重交通量下建議取上限值作為設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)。

關(guān)鍵詞 多孔瀝青混合料;級(jí)配設(shè)計(jì);旋轉(zhuǎn)壓實(shí);壓實(shí)次數(shù)

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）01-0094-03

0 引言

多孔瀝青混合料具有空隙率大、粗集料多的特點(diǎn)，普遍應(yīng)用于各種多雨區(qū)域，可以發(fā)揮出降噪、防滑以及透排水功能。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，瀝青的粘附性能與集料的性能好壞將直接影響多孔瀝青混合料路面的路用性能。假如瀝青材料自身粘附性較差，則會(huì)導(dǎo)致多孔瀝青混合料過(guò)早出現(xiàn)松散。多孔瀝青混合料內(nèi)超出85%的都是粗集料，粗集料性能會(huì)對(duì)多孔瀝青混合料的荷載變形抵抗能力產(chǎn)生直接影響。結(jié)合各種研究證明，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）成型多孔瀝青混合料可以減少成型過(guò)程中集料的沖擊破壞，成型過(guò)程模擬了現(xiàn)場(chǎng)的碾壓狀態(tài)，成型試件各方面性能與實(shí)際路面接近。當(dāng)前對(duì)于多孔瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)性能研究資料相對(duì)較少，同時(shí)Superpave設(shè)計(jì)方法中常規(guī)采用空隙率指標(biāo)來(lái)確定混合料初始?jí)簩?shí)次數(shù)、設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)、最大壓實(shí)次數(shù)的方法不適用于多孔瀝青混合料。基于此，該文系統(tǒng)研究了多孔瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性，平衡考慮功能特性、骨架結(jié)構(gòu)及耐久性能等因素，合理設(shè)計(jì)了多孔混合料在不同交通量水平下的壓實(shí)程度和壓實(shí)次數(shù)，提升多孔瀝青混合料的功能性和耐久性。

1 多孔瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法

對(duì)于多孔瀝青混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)，需要考慮各檔集料之間的搭配組合，粗、細(xì)集料組成合理，形成穩(wěn)固的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，充分滿足設(shè)計(jì)要求的空隙率標(biāo)準(zhǔn)，除了需要符合混合料綜合性能之外，還需要符合結(jié)構(gòu)排水需求。優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)瀝青多孔混合料應(yīng)用壽命，改善瀝青混合料性能，提升材料整體耐久性[1]。

1.1 目標(biāo)空隙率的確定

對(duì)于路面厚度4 cm，單側(cè)斷面寬度8 m，路面橫坡度1.5%的排水性瀝青路面，滿足不同降雨強(qiáng)度所需要的空隙率范圍見(jiàn)表1[2]，該文將設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率定為20%±2%。

1.2 級(jí)配范圍與初始級(jí)配確定

因?yàn)樗貌牧?、性能要求存在一定差異，以及混凝土材料?nèi)部孔隙率以及對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)手段不同，導(dǎo)致最終瀝青混合料對(duì)應(yīng)研究級(jí)配范圍也存在明顯差異。該文根據(jù)所確定的目標(biāo)空隙率設(shè)計(jì)了粗、中和細(xì)三種級(jí)配，使2.36 mm篩孔通過(guò)率在中值范圍±3%以內(nèi)，級(jí)配結(jié)果見(jiàn)表2所示。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定初始級(jí)配瀝青用量，對(duì)三種級(jí)配混合料進(jìn)行試拌成型馬歇爾試件，瀝青采用了SK高粘度改性瀝青，集料材料玄武巖纖維。試件成型后測(cè)量體積指標(biāo)等相關(guān)試驗(yàn)，最終試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖1描述了不同級(jí)配下2.36 mm篩孔通過(guò)率與空隙率的關(guān)系。由圖1可知，目標(biāo)空隙率20%所對(duì)應(yīng)的2.36 mm篩孔通過(guò)率為13.7。結(jié)合表2和表3數(shù)據(jù)可知，級(jí)配2滿足要求，該文后續(xù)PAC-13多孔瀝青混合料均按照級(jí)配2設(shè)計(jì)。

2 多孔瀝青混合料壓實(shí)特性研究

因?yàn)槎嗫谆旌狭暇哂休^高空隙率，相關(guān)試件制作成型中對(duì)于壓實(shí)程度提出了更高要求。該文選擇旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法開(kāi)展壓實(shí)特性研究[3]。

2.1 壓實(shí)曲線分析

圖2描述了155℃壓實(shí)溫度條件下PAC-13的壓實(shí)曲線，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)最高值為120次。下文中若不特殊說(shuō)明，均為該條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)最高壓實(shí)次數(shù)Nmax、設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)Ndes、初期壓實(shí)次數(shù)Nini等信息，可將圖2中壓實(shí)曲線分為三階段：第一階段密實(shí)度比呈現(xiàn)出飛速上漲的趨勢(shì)，同時(shí)該階段內(nèi)隨著曲線率的提升，表示擁有更好的施工和易性，相反代表材料和易性更差。第二階段密實(shí)度比呈現(xiàn)出增長(zhǎng)速度放緩的趨勢(shì)，骨架結(jié)構(gòu)逐漸成形，該階段可對(duì)應(yīng)于施工過(guò)程的壓實(shí)階段;最后一個(gè)階段密實(shí)度比基本維持不變，由于骨架結(jié)構(gòu)形成，抑制了空隙率的減小，該階段對(duì)應(yīng)開(kāi)放交通后混合料的二次壓實(shí)過(guò)程。

2.2 空隙率變化過(guò)程

利用空隙率變化曲線，結(jié)合20±2%的目標(biāo)空隙率，可得到目標(biāo)空隙率上下限所對(duì)應(yīng)的最小設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)N1與最大設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)N2。N1～N2即為基于多孔瀝青混合料功能特性所確定的合理壓實(shí)次數(shù)范圍。圖3為PAC-13的空隙率變化曲線。

由圖3可知，空隙率隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而逐漸減小。當(dāng)空隙率達(dá)到22%條件下，對(duì)應(yīng)壓實(shí)次數(shù)為31次，代表N1=31次;壓實(shí)次數(shù)進(jìn)一步增加條件下，當(dāng)空隙率達(dá)到18%條件下，對(duì)應(yīng)壓實(shí)次數(shù)為114次，代表N2=114次。因此，基于目標(biāo)空隙率指標(biāo)，多孔瀝青混合料合理壓實(shí)次數(shù)范圍確定為31～114次。

2.3 骨架結(jié)構(gòu)變化過(guò)程

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，多孔瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)逐漸形成。圖4為PAC-13的 VCA比變化曲線。壓實(shí)初期混合料中的空隙被迅速填充，VCA比快速減小;當(dāng)骨架結(jié)構(gòu)初步形成后，壓實(shí)趨于困難，VCA比下降速率變緩;當(dāng)骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，集料之間的嵌擠力發(fā)揮作用，VCA比下降速率趨于0。

根據(jù)骨架結(jié)構(gòu)判定方法，當(dāng)VCA比小于1時(shí)，即認(rèn)為形成了穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，此時(shí)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為滿足骨架結(jié)構(gòu)要求的最小設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)N3。當(dāng)壓實(shí)次數(shù)為45次時(shí)，VCA比首次小于1，此時(shí)的壓實(shí)次數(shù)即為N3。

2.4 耐久性分析

多孔瀝青混合料的耐久性能會(huì)隨著壓實(shí)次數(shù)的變化而變化。該文通過(guò)成型不同壓實(shí)次數(shù)的多孔瀝青混合料試件，采用肯塔堡飛散試驗(yàn)對(duì)其耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，飛散損失均低于20%，符合要求。飛散損失隨著壓實(shí)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)壓實(shí)20次后，飛散損失達(dá)到最大（15.7%）;當(dāng)壓實(shí)80次，飛散損失達(dá)到最小（5.2%）。基于飛散損失試驗(yàn)結(jié)果，擬合了飛散損失與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的曲線，如圖5所示。

分析圖5可知，飛散損失曲線為凹曲線，存在最小值點(diǎn)，處于最小值左側(cè)時(shí)，飛散損失隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而減小，表明多孔瀝青混合料的耐久性隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而增加;處于最小值右側(cè)時(shí)，飛散損失隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而增加，可見(jiàn)過(guò)多的壓實(shí)次數(shù)會(huì)對(duì)骨架結(jié)構(gòu)造成破壞，耐久性能下降。因此可確定該最小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)即為基于骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的最大設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)N，N=77次?；诠羌芙Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所確定的多孔瀝青混合料合理壓實(shí)次數(shù)范圍為45～77次。

3 結(jié)論

（1）隨著壓實(shí)次數(shù)的增大，多孔瀝青混合料空隙率和VCR比均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì);骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不會(huì)隨著壓實(shí)次數(shù)的增加無(wú)限制增加，過(guò)多的壓實(shí)次數(shù)會(huì)造成集料破碎，骨架穩(wěn)定性降低。

（2）當(dāng)壓實(shí)次數(shù)達(dá)到31～114次時(shí)，可滿足空隙率要求;當(dāng)壓實(shí)次數(shù)達(dá)到45～77次時(shí)，可滿足骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，混合料耐久性隨之增加;當(dāng)超過(guò)一定壓實(shí)次數(shù)后，混合料耐久性隨壓實(shí)次數(shù)的增加而降低。

（3）基于功能特性、骨架強(qiáng)度及耐久性，確定多孔瀝青混合料設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)應(yīng)在45～77次之間，根據(jù)設(shè)計(jì)交通量的大小來(lái)確定具體的設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)，重交通量取上限，輕交通量取下限。

參考文獻(xiàn)

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