孫建 SUN Jian

（濰坊交通發(fā)展集團(tuán)有限公司，濰坊 261061）

0 引言

交通量的劇增對我國瀝青路面的路用性能提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是重載車輛向著重型、多軸、集裝箱等方向的轉(zhuǎn)變，車輛荷載也隨之發(fā)生較大的變化[1]。這就導(dǎo)致我國以中輕交通為出發(fā)點(diǎn)所建立的瀝青混合料設(shè)計體系越來越難以適應(yīng)車輛荷載的迅猛增長[2]。我國當(dāng)前以馬歇爾法作為瀝青混合料的材料設(shè)計方法已經(jīng)沿用多年，相關(guān)研究認(rèn)為，其與瀝青混合料在路面使用過程中的性能僅有70%~80%的相關(guān)性[3-4]。對于高等級公路，馬歇爾試件的擊實(shí)次數(shù)為雙面75 次，該數(shù)值對于其他等級公路則為50 次，這其中存在兩個問題，一個是擊實(shí)錘的擊實(shí)方式與實(shí)際工程中的壓實(shí)工藝差異性較大，另一個則是與現(xiàn)代交通重載車輛較多的現(xiàn)狀不相符[5]。許多國家已經(jīng)摒棄了馬歇爾設(shè)計法，并將目光轉(zhuǎn)向Superpave 法、Hveem 法以及GTM 法，上述方法的共性為模擬壓路機(jī)壓實(shí)過程中的揉搓作用，對于瀝青混合料內(nèi)部形成更加穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)具有較大的作用[6-7]。也有部分國家在馬歇爾體積設(shè)計法的基礎(chǔ)上加大了室內(nèi)擊實(shí)功，例如印尼將擊實(shí)次數(shù)提升為100 次，以此來適應(yīng)日益增長的重載交通[8]。振動成型瀝青混合料是由長安大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的，該技術(shù)在分析了國內(nèi)重在交通早期病害的基礎(chǔ)上，完善了重交通瀝青混料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，研究表明，振動成型瀝青混合料對抗拉強(qiáng)度、動穩(wěn)定度、抗剪強(qiáng)度等有著20%以上的提升幅度，而對于車轍深度則有著20左右的降低效果[9]。相較于Superpave 法、Hveem 法以及GTM 法，振動成型法更容易容易被國內(nèi)所接受，相關(guān)設(shè)備也無需依靠國外進(jìn)口，具有較大的推廣價值[10]。

本文基于上述背景，從振動成型法對瀝青混合料體積指標(biāo)的影響出發(fā)，分析了振動成型法對瀝青混合料的體積參數(shù)、力學(xué)特性及相關(guān)路用性能的作用規(guī)律，提出了振動成型瀝青混合料的設(shè)計方法與標(biāo)準(zhǔn)，并對室內(nèi)小型試驗(yàn)場地內(nèi)的進(jìn)行了實(shí)體路面的鋪筑與檢測。研究成果對振動成型瀝青混料在瀝青路面中的推廣應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 原材料

本文選用的瀝青為山東高速物資儲運(yùn)有限公司生產(chǎn)的SBS 改性瀝青，粗集料為玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r礦粉，各項(xiàng)材料的技術(shù)性能均滿足相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求，具體指標(biāo)見表1。

表1 原材料技術(shù)性能

以上述材料為原材料，拌制AC-16 瀝青混合料備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選擇振動成型儀，其振動頻率為40Hz，上下車質(zhì)量分別為110kg 以及170kg，靜偏心夾角為120°，靜偏心力矩為0.11kg·m。利用上述儀器制備AC-16 瀝青混合料振動成型試件，碾壓試件為20s、40s、60s、80s 和100s，并對上述不同的試件進(jìn)行體積指標(biāo)的檢測，分別檢測其空隙率和毛體積相對密度，然后對碾壓時間各不相同的AC-16 試件進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)（動穩(wěn)定度）的測試，最后進(jìn)行動穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比進(jìn)行檢測，對比路用性能。為了使上述試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，本文選擇了馬歇爾法制備了傳統(tǒng)的AC-16 馬歇爾試件，并開展了同步試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果作為參照輔助分析。

在上述試驗(yàn)完成后，優(yōu)選出合適的振動成型碾壓時間，并以此作為振動成型瀝青混合料的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，隨后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了小型實(shí)體工程的鋪筑，觀察并對比實(shí)際效果。

2 振動成型瀝青混合料的技術(shù)性能

2.1 體積參數(shù)

對瀝青振動成型儀制備的不同碾壓時間下的AC-16試件及傳統(tǒng)馬歇爾AC-16 試件進(jìn)行體積指標(biāo)的檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 AC-16 瀝青混合料體積指標(biāo)

表2 顯示，隨著振動成型碾壓時間的延長，AC-16 的毛體積密度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，但該趨勢隨著相對密度的增大而逐漸放緩；此外空隙率隨著碾壓時間的延長而迅速減小，當(dāng)振動成型達(dá)到80s 時，空隙率達(dá)到了2.0%。對比振動成型與馬歇爾法不難看出，馬歇爾法制備的AC-16 的空隙率大約相當(dāng)于振動成型30s 時的空隙率。

上述現(xiàn)象表明，振動成型能夠獲得比馬歇爾法更加密實(shí)的瀝青混合料，這對于提高瀝青混合料的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)密度具有重要的作用，也對施工現(xiàn)場壓實(shí)度提出了更高的要求。

2.2 力學(xué)性質(zhì)

對瀝青振動成型儀制備的不同碾壓時間下的AC-16試件及傳統(tǒng)馬歇爾AC-16 試件穩(wěn)定度檢測，檢測結(jié)果見圖1。

圖1 穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)定度反應(yīng)的是試件在遭受荷載的作用下，能夠表現(xiàn)出的最大力值，一般而言，穩(wěn)定度越大，瀝青混合料力學(xué)性能也就越強(qiáng)。從上圖可以看出傳統(tǒng)的馬歇爾試件的穩(wěn)定度能夠達(dá)到8kN 以上，這雖然已經(jīng)滿足了規(guī)范規(guī)定的最低值，但是相較于振動成型，特別是振動成型時間在40s 以上的試件而言尚有較大的差距。振動成型60s 時，試件的穩(wěn)定度便可以達(dá)到12kN，振動成型100s 時，其穩(wěn)定度甚至接近14kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)馬歇爾試件的8.7kN。這表明較低的空隙率對于提高瀝青混合料的力學(xué)性能具有顯著的作用。

2.3 路用性能

對瀝青振動成型儀制備的不同碾壓時間下的AC-16試件及傳統(tǒng)馬歇爾AC-16 試件進(jìn)行路用性能檢測，檢測結(jié)果顯示當(dāng)振動成型次數(shù)達(dá)到60s 后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度便可以接近最高值，這幾乎是傳統(tǒng)馬歇爾法制備的瀝青混合料的兩倍。我國現(xiàn)行規(guī)范采用動穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行瀝青混合料抗車轍性能的評價，一般而言，動穩(wěn)定度數(shù)值越高，抗車轍性能越強(qiáng)，由此可以得出，振動成型時間越長，混合料越密實(shí)，其抗車轍性能也就越突出。在低溫彎曲試驗(yàn)中，與動穩(wěn)定度試驗(yàn)規(guī)律相類似，不同的是，振動成型對破壞應(yīng)變的提升幅度不是特別大，這與影響瀝青混合料的低溫影響因素有關(guān)?；旌狭系牡蜏乜沽研阅芤环矫嫒Q于瀝青材料自身的低溫勁度模量，另一個方面則是混合料的級配類型與密實(shí)程度。而振動成型影響的僅僅為混合料的密實(shí)程度，所以其對低溫性能的提升幅度有限，就振動成型60s 而言，相對傳統(tǒng)的馬歇爾法提升幅度在30%左右。浸水試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相仿，都是振動成型20s 時最低。傳統(tǒng)馬歇爾試件的殘留穩(wěn)定度和TSR 略低于振動成型40s 時的數(shù)值，但顯著小于振動成型60s、80s 以及100s 時的試件。殘留穩(wěn)定度和TSR 均是瀝青混合料水穩(wěn)定性能的評價指標(biāo)，數(shù)值越大，表征混合料的水穩(wěn)定性越強(qiáng)，反之越小。我國瀝青路面的早期病害基本上與水有關(guān)，所以水穩(wěn)定性相較于我國瀝青路面早期病害的防治而言具有重要的意義，從這一角度出發(fā)，振動成型60s 以上的混合料具有較強(qiáng)的水穩(wěn)定性，這對振動成型工藝及標(biāo)準(zhǔn)的制定具有一定的指導(dǎo)作用。

2.4 振動成型工藝的確定

從上述試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)振動成型60s 及以上時，瀝青混合料將擁有較大的密度、較小的空隙率、較強(qiáng)度的力學(xué)性能、較大的抗車轍性能與低溫抗裂性能，同時擁有較強(qiáng)的水穩(wěn)定性，從該角度出發(fā)，推薦振動成型60s 作為標(biāo)準(zhǔn)成型工藝。

此外，空隙率指標(biāo)作為瀝青混合料最為重要的一項(xiàng)體積參數(shù)，其對混合料的技術(shù)性能的影響起著決定性的作用。目前業(yè)界一般認(rèn)為，瀝青混合料的空隙率一般不宜低于2.0%，當(dāng)空隙率低于該數(shù)值時，瀝青路面的在使用過程中容易產(chǎn)生泛油病害，影響車輛行車安全。結(jié)合本文的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)振動成型80s 或100s 時，瀝青混合料的空隙率迫近或突破了2.0%這一限值，所以即便是其力學(xué)性能及路用性能合理，也不推薦該成型方式。

綜上，本文推薦振動成型60s 作為瀝青混合料振動成型的標(biāo)準(zhǔn)工藝，并以振動成型60s 得到的毛體積相對密度為標(biāo)準(zhǔn)，以此進(jìn)行瀝青路面壓實(shí)度的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 工程應(yīng)用

本文基于上述理論對振動成型進(jìn)行了小尺寸工程應(yīng)用，分別拌制了AC-25、AC-20 和AC-16 瀝青混合料，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別進(jìn)行了振動成型瀝青混合料毛體積相對密度的測試，計算壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果見表3，然后以壓實(shí)度98%的要求分別鋪筑了3m 的瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)為下面層AC-25，中面層AC-20，上面層AC-16。鋪筑完畢之后第二天鉆芯取樣，分別測試芯樣的空隙率及穩(wěn)定度指標(biāo)，并判斷壓實(shí)度。隨后對路面開展了加速加載試驗(yàn)，加載速度為12km/h，加載長度為6m，模擬重交通6 年的交通量后對路面進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果匯總于表3。

表3 路面檢測試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)室采用振動成型瀝青混合料，從而對瀝青瀝青路面進(jìn)行施工控制，在壓實(shí)度相仿的前提下所得到的瀝青路面擁有空隙率較小，穩(wěn)定度較大，同時在加速加載之后所產(chǎn)生的車轍深度約為傳統(tǒng)路面的1/3，并且未見水損害病害。

由此可以得出，振動成型瀝青混合料對于提高瀝青路面的各項(xiàng)路用性能具有顯著的作用。

4 結(jié)論

本文從振動成型法對瀝青混合料體積指標(biāo)的影響出發(fā)，分析了振動成型法對瀝青混合料的體積參數(shù)、力學(xué)特性及相關(guān)路用性能的作用規(guī)律，提出了振動成型瀝青混合料的設(shè)計方法與標(biāo)準(zhǔn)，并對室內(nèi)小型試驗(yàn)場地內(nèi)的進(jìn)行了實(shí)體路面的鋪筑與檢測，所取得的研究成果總結(jié)如下：

①振動成型能夠獲得比馬歇爾法更加密實(shí)的瀝青混合料，毛體積相對密度較大，空隙率較小。

②振動成型時間越長，混合料越密實(shí)，其抗車轍性能越突出、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性也越強(qiáng)。

③推薦振動成型60s 作為瀝青混合料振動成型的標(biāo)準(zhǔn)工藝，并以振動成型60s 得到的毛體積相對密度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行瀝青路面壓實(shí)度的控制標(biāo)準(zhǔn)。

④振動成型瀝青混合料對于提高實(shí)體工程中瀝青路面的各項(xiàng)路用性能具有顯著的作用。