旋轉壓實和馬歇爾擊實試件體積特性差異的試驗研究

張永平

（杭州市公路管理局，浙江杭州 300030）

0 前言

瀝青混合料配合比設計方法是在總結工程經驗和開發瀝青混合料使用設備的基礎上發展起來的。世界上絕大部分國家現行的瀝青混合料設計方法主要是馬歇爾法，該方法使用擊實法成型試件，并測試試件體積參數和力學參數，主要技術參數有馬歇爾穩定度、流值、空隙率、瀝青飽和度和礦料間隙率等；Superpave熱拌瀝青混合料設計方法是美國SHRP的主要研究成果，該方法分為3個設計水平。目前，設計水平II和III由于較為復雜尚未到實用階段，設計水平I由于概念清晰、方法實用等優點被普遍接受。

現行規范規定的混合料設計方法和Superpave法的本質是體積參數的設計，設計的主要內容是確定礦料級配和油石比，兩種設計方法的最主要的差別體現在成型方式上。由于馬歇爾試驗方法應用較為成熟，Superpave方法能夠較好地模擬道路施工過程中的壓實作用，因此，工程實踐中常用的設計方法是采用馬歇爾試驗方法確定油石比，然后通過建立相應的馬歇爾擊實次數與旋轉壓實次數之間的關系確定旋轉壓實次數，進而進行配合比設計和混合料性能檢驗。但是馬歇爾擊實次數與旋轉壓實次數之間關系的建立是否具有科學依據，并沒有相關研究對其進行論證。因此，本文主要研究馬歇爾試驗方法與Superpave旋轉壓實試驗方法之間的相關性，以驗證馬歇爾擊實次數與旋轉壓實次數之間關系的建立是否科學合理。

1 試驗材料和試件成型

本研究采用4種混合料級配，級配組成設計參照規范《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004），5種試驗混合料的級配組成見表1。其中，混合料1和混合料2使用輝綠巖粗集料與針片狀顆粒含量較高的石灰巖細集料配制；混合料3和混合料4使用輝綠巖粗集料與針片狀顆粒含量較低的石灰巖細集料配制。混合料1和混合料3級配曲線近似相同，混合料2和混合料4級配曲線近似相同，只是細集料所用材料不同。4種混合料均采用70#瀝青進行試驗。

馬歇爾試件成型方式為雙面各75次擊實成型，使用標準尺寸(φ101.6mm×63.5mm)；Superpave試件成型方式為125次旋轉壓實成型（壓強600 kPa、旋轉角 1.25°、30r/min），使用標準尺寸(φ150mm×115mm)。在兩種成型方法中，混合料的拌合和成型溫度相同。

2 試驗結果與分析

2.1 試件的礦料間隙率

圖1中給出了4種試驗混合料在不同的成型方式下得到的試件的礦料間隙率（VMA）與油石比的關系對比圖。由圖1(a)和圖1(b)可知，采用馬歇爾成型方法與采用旋轉壓實成型方法制得的混合料1和混合料2的礦料間隙率隨著油石比的升高而升高，但是隨著油石比的升高，兩種成型方法所得到的混合料1試件的礦料間隙率差值有減小的趨勢，而兩種成型方法得到的混合料2試件的礦料間隙率差值有變大的趨勢。且從圖1(a)和圖1(b)可知，對于兩種不同的成型方法，在相同的油石比條件下，采用馬歇爾成型方法得到的混合料礦料間隙率要高于采用旋轉壓實方法得到的試件礦料間隙率。

由圖1(c)和圖1(d)可知，采用兩種不同的成型方法得到的混合料3試件和混合料4試件，其礦料間隙率隨著油石比的升高表現出來的趨勢不一致。在所選擇的油石比范圍內，在相同的油石比條件下，采用馬歇爾成型方法得到的混合料礦料間隙率要低于采用旋轉壓實方法得到的試件礦料間隙率。從圖1(c)可知，隨著油石比的升高，采用馬歇爾擊實成型方法得到的混合料礦料間隙率有減小的趨勢，而采用旋轉壓實成型方法得到的混合料礦料間隙率有增大的趨勢；由圖1(d)可知，隨著油石比的升高，兩種成型方法制得的混合料礦料間隙率都有減小的趨勢。

混合料1和混合料2所采用的石料具有較好的棱角性，有助于增強集料間的嵌擠作用。使用馬歇爾試驗方法時，這種嵌擠作用力會在一定程度上抵消由于增加瀝青用量而產生的潤滑作用，隨著瀝青用量的增加，礦料間隙率也不會出現明顯的改變；而采用旋轉壓實時，針片狀含量較高的的顆粒很容易被擊碎，從而使目標級配比設計級配要偏細。顆粒組成的改變引起集料之間的嵌擠作用隨之改變，瀝青用量的改變就能很明顯的影響混合料的礦料間隙率。因此也就得到了圖1(a)和圖1(b)所表現出來的情況，即在相同的油石比條件下，使用旋轉壓實成型得到的混合料礦料間隙率較大。

表1 試驗選擇的級配

圖1 試驗混合料在兩種成型條件下試件礦料間隙率的對比圖

混合料3和混合料4所采用的集料一致，只是級配組成不同，兩種混合料在不同成型方式下礦料間隙率與油石比的關系呈現不同的規律；混合料1和混合料3以及混合料2和混合料4所采用的級配一致，集料材料不同，混合料1和混合料3以及混合料2和混合料4之間，在不同成型方式下礦料間隙率與油石比的關系也呈現出不同的規律。這表明馬歇爾擊實成型和旋轉壓實成型之間不具備明顯的相關性。

2.2 試件的空隙率

圖2給出了4種試驗混合料在不同的成型方式下得到的試件的空隙率與油石比的關系對比圖。由圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)可知，在相同的油石比下，采用旋轉壓實成型混合料的空隙率要高于采用馬歇爾擊實成型試件的空隙率；由圖2(d)可知，在相同的油石比下，采用旋轉壓實成型混合料的空隙率要低于采用馬歇爾擊實成型試件的空隙率。由此可知，兩種成型方式得到混合料的空隙率不具有相關性。

采用相同的方法分析兩種成型方式下其他體積參數與油石比的關系，結果發現也不具備較好的相關性。

圖2 4種級配混合料兩種成種成型試件的空隙率對

3 結語

綜上所述，在相同的油石比和級配組成條件下，采用馬歇爾擊實成型方法和采用Superpave旋轉壓實成型方法制得的混合料試件，它們礦料間隙率之間，空隙率之間以及其他體積參數之間，相關性都不明顯。因此傳統的根據體積特性等效原則建立馬歇爾擊實次數與旋轉壓實次數之間關系的理論是不科學的。

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