基于重交通壓實標準Marshall擊實方法的修正*

陳 豫 李權威 范人杰 蔣應軍

(婺城區公路管理段1) 金華 321000) (長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室2) 西安 710064) (金華市交通規劃設計院有限公司3) 金華 321015)

0 引 言

馬歇爾法(Marshall)于1939年由美國密西西比州公路局Bruce Marshall首次提出，1958年列入ASTMD1559，并成為當今世界主流瀝青混合料設計方法.上世紀70年代以來，我國也開始應用Marshall設計方法，并納入了規范一直沿用至今[1-2].Marshall法理論精髓是在室內采用某一擊實功使得到的試件密度與設計年限內交通荷載作用下路面最終密度相等,即馬歇爾法的壓實功應隨著交通荷載的發展而調整[3].我國針對逐漸增加的交通量對馬歇爾法的擊實功有了一定的調整，80年代初將馬歇爾擊實功由雙面擊實50次調整為75次并一直沿用至今[4].但隨著80年代后交通量與施工工藝的發展，以及工程實踐的深入，超載、重載、渠化等問題日益嚴重，馬歇爾方法已落后于生產實際，瀝青路面出現了如車轍、泛油、松散及水損害等早期破壞，加速了路面性能的衰減，降低了路面的使用壽命.在此背景下，研究人員基于新的瀝青混合料設計方法展開了研究.周衛峰等研究均發現GTM旋轉壓實時間密度大于標準馬歇爾試件密度，比值平均為1.024[5-6].蘇勇文等[7-8]研究發現，振動壓實方法成型試件密度約為標準馬歇爾試件密度的1.02倍.姚林虎等[9-13]分析了路面車轍、混合料性能與壓實之間的關系以及當前施工機械所能達到的壓實水平，提出了重交通道路瀝青混合料壓實標準，結果表明當壓實標準采用馬歇爾密度的1.02倍時，可有效提高瀝青混合料的各項力學性能指標.

本文以AC-16型瀝青混合料為研究對象，通過改變馬歇爾落錘質量和擊實次數，使試件密度約為標準馬歇爾試件的1.02倍，同時比較修正前后的礦料級配變化情況以及力學性能，最終提出一種基于重交通的修正Marshall擊實方法.

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

瀝青為某有限公司生產的SBS(I-C)改性瀝青，技術參數見表1.

表1 SBS(I-C)改性瀝青技術參數

粗集料為某采石場生產的斜長角閃巖，技術參數見表2.

表2 粗集料技術參數

細集料是由某有限公司生產的9.5～19 mm石灰巖碎石，技術參數見表3.

表3 細集料技術參數

礦粉是由某有限公司生產的4.75～9.5 mm石灰巖碎石，技術參數見表4.

表4 礦粉技術參數

1.2 配合比

混合料礦料級配見表5.經過計算，馬歇爾法設計瀝青混合料最佳油石比為4.4%.

表5 AC-16瀝青混合料礦料級配

1.3 試驗方案

1.3.1基于重交通Marshall擊實方法的修正

1) 落錘質量4.5 kg，研究擊實次數對馬歇爾試件溫度、密度、礦料級配影響規律.擊實次數擬分別采用雙面各擊實75，95，105，135， 155，175，195次.

2)擊實次數75次，研究落錘質量對馬歇爾試件密度、礦料級配的影響規律.落錘質量擬分別采用4.5，6.0，7.5，8.0，8.5 kg.

3)研究落錘質量、擊實次數對馬歇爾試件密度、礦料級配的影響規律.落錘質量擬分別采用5.5，6.5，7.0，7.5，8.0 kg，擊實次數擬分別采用75，95，105，115，135，145次.

擬采用推薦的多種擊實組合成型試件，與標準馬歇爾試件密度比較，在對混合料的礦料級配影響盡可能小的情況下，選出密度最接近標準馬歇爾試件密度1.02倍的組合作為馬歇爾修正擊實方法，并對試件的馬歇爾穩定度、抗壓強度、劈裂強度、抗剪強度等各項力學性能進行測定[14-16].

1.3.2修正Marshall試件的力學性能評價

馬歇爾試驗、單軸壓縮試驗、劈裂試驗按照文獻[17]中規定方法分別進行，見圖1.單軸貫入試驗采用直徑d=28.5 mm的貫入桿，試驗溫度為60 ℃，加載速率為1 mm/min，試驗模型及方法見圖1[18-19]，得到試件的抗剪強度.

圖1 單軸貫入試驗模型及試驗方法

2 修正Marshall擊實方法對瀝青混合料的影響

2.1 擊實次數對瀝青混合料溫度、密度及礦料級配的影響

2.1.1擊實次數對瀝青混合料溫度的影響

瀝青混合料成型溫度對其性能影響較大，溫度較高時，混合料易于壓實，且能達到較高的密實度，溫度較低時，顆粒間粘聚力較大，難以移動，不易壓實，很難到達施工設計的壓實度.因此，實際施工過程中要將溫度控制在合理的范圍內，為滿足上述要求，應合理控制混合料的碾壓時間，在此時間內進行壓實能獲得較優的效果[20-21].室內成型試件溫度應滿足文獻[17]中瀝青混合料最低壓實溫度140 ℃的要求，即當成型試件溫度為140 ℃時，所對應擊實次數為馬歇爾最大擊實次數，后續研究中擊實次數均不能超過此值.

錘重4.5 kg(標準錘重)時，AC-16瀝青混合料不同擊實次數成型試件溫度見圖2.

圖2 擊實次數對AC-16瀝青混合料溫度影響曲線

由圖2可知：

1) 瀝青混合料成型試件溫度隨擊實次數的增加逐漸降低，降低速率減緩.這是因為試件成型之初，混合料處于松散狀態，顆粒間的接觸較少，混合料間連通的通道較多，與外界進行熱量傳遞較容易，混合料熱量散失較快，致其溫度降低較快；隨著擊實次數的增加，混合料密度逐漸增大，顆粒間的接觸逐漸增加，連通的通道逐漸被擠壓、阻斷，減緩了混合料熱量的散失，從而混合料溫度降低速率變緩.

2) 在滿足規范規定的瀝青混合料成型溫度條件下，馬歇爾最大擊實次數約為157次，因此，在后續研究中，為確保混合料擊實溫度滿足規范要求，規定馬歇爾雙面擊實次數不得大于155次.

2.1.2擊實次數對瀝青混合料密度的影響

錘重4.5 kg時，不同擊實次數成型試件密度見圖3.標準馬歇爾試件密度的1.02倍約為2.576 g/cm3.

圖3 擊實次數對AC-16瀝青混合料成型密度影響曲線

由圖3可知：

1) AC-16瀝青混合料成型密度，隨著擊實次數的增加而增大，增大速率降低.這是因為成型之初，混合料處于松散狀態，易于壓實，密度增長較快，隨著密實度的提高，混合料壓實難度進一步增大，密度增長速率減緩.同時，混合料溫度較高較高時，瀝青粘度低、易于流動，具有良好的潤滑作用，礦料顆粒更易移動；隨著混合料溫度的降低，瀝青粘度增大，潤滑作用減弱，顆粒移動變緩，密度增長速率變緩.

2) 當擊實次數增加至145次時，馬歇爾擊實成型試件密度達到了標準試件密度的1.02倍，推薦將馬歇爾擊擊實次數提高至145次，作為馬歇爾修正擊實方法.

2.1.3擊實次數對瀝青混合料礦料級配的影響

標準Marshall法(記M4.5&75，指落錘質量為4.5 kg時，雙面各擊實75次，以此類推)、Marshall修正法(記M4.5&145)對AC-16瀝青混合料礦料級配的影響見表6.

表6 AC-16瀝青混合料成型前后級配變化

由表6可知，與標準Marshall法相比，Marshall修正法對瀝青混合料礦料級配影響略有提高，通過增加擊實次數來提高壓實功，較多的擊實次數將進一步加重礦料顆粒的破碎.集料的破碎主要集中于9.5，13.2 mm粒徑顆粒，4.75 mm粒徑顆粒含量與成型前原級配相差無幾.這主要是因為，混合料在成型過程中，9.5 mm以上粗集料形成骨架結構，混合料顆粒間的作用力通過骨架結構向下傳遞，同時，較大粒徑礦料顆粒內部包含有較多的微裂縫，在垂直沖擊荷載作用下裂縫進一步發展的可能性較大，由此大粒徑顆粒破碎程度較嚴重.

2.2 落錘質量對瀝青混合料密度及礦料級配的影響

2.2.1落錘質量對瀝青混合料密度的影響

擊實次數75次時，不同落錘質量成型AC-16瀝青混合料試件密度見圖4.

圖4 Marshall落錘質量對AC-16瀝青 混合料密度影響曲線

由圖4可知：

1) AC-16瀝青混合料密度，隨著落錘質量的增加而增長，增大速率逐漸降低.這主要是因為，馬歇爾單次錘擊產生的擊實功隨落錘質量的增加而增大，混合料能在較短的時間內達到更加密實的狀態，隨著密實度的提高，混合料壓實難度進一步增大，密度增長速率減緩.

2) 當落錘質量增加至約為8.25 kg時，馬歇爾擊實成型試件密度達到標準試件密度的1.02倍，推薦將馬歇爾擊落錘質量增加至8.25 kg，作為馬歇爾修正擊實方法.

2.2.2落錘質量對瀝青混合料級配的影響

Marshall標準法、Marshall修正法(簡記M8.25&75)對AC-16瀝青混合料成型前后礦料級配的影響見表7.

表7 AC-16瀝青混合料成型前后級配變化

由表7可知，與標準Marshall法相比，Marshall修正法對瀝青混合料礦料級配影響略有提高.

2.3 擊實次數和落錘質量對瀝青混合料密度和礦料級配的影響

2.3.1擊實次數和落錘質量對瀝青混合料密度的影響

Marshal擊實次數與落錘質量不同組合成型AC-16瀝青混合料試件密度見圖5.

圖5 擊實次數和落錘質量對AC-16瀝青 混合料密度影響曲線

由圖5可知：

1) 不同落錘質量條件下，瀝青混合料密度均隨著擊實次數的增加而增大，增大速率逐漸降低.

2) 隨落錘質量的增加，混合料密度能在較低擊實次數時達到標準試件的1.02倍.這主要是因為：隨著落錘質量的增加，每次錘擊的擊實功逐漸增加，混合料在較大擊實功的作用下易達到密實狀態；隨著擊實次數的減少，瀝青混合料具有相對較高的溫度，瀝青具有較大的流動性，其潤滑作用更佳，礦料顆粒在作用力下更易移動到更加穩定密實狀態.

3) 存在幾種落錘質量與擊實次數組合，擊實成型試件密度約為標準試件的1.02倍，組合方式如下：5.5 kg落錘與擊實125次(記M5.5&125)；6.5 kg落錘與擊實103次(記M6.5&103)；7.0 kg落錘與擊實91次(記M7.0&91)；7.5 kg落錘與擊實83次(記M7.5&83)；8.0 kg落錘與擊實77次(記M8.0&77).

2.3.2擊實次數與落錘質量共同對瀝青混合料級配的影響

擊實次數與落錘質量不同組合擊實法對AC-16瀝青混合料成型前后礦料級配的影響見表8.

表8 AC-16瀝青混合料成型前后級配變化

由表8可知，幾種組合對礦料級配的影響相近，相比M8.25&75的組合對礦料級配的影響較小，集料破壞主要集中于主要集中于13.2，9.5 mm兩種粒徑.

3 修正Marshall擊實方法評價

3.1 修正Marshall擊實方法力學性能評價

由上文可知，M4.5&145，M5.5&125，M6.5&103，M7.0&91，M7.5&83，M8.0&77，M8.25&75七種落錘質量與擊實次數的不同組合成型試件密度約為標準試件的1.02倍.擬通過測定瀝青混合料力學性能的方法對其進行優選，選出一種更能代表重交通條件下的馬歇爾修正方法.

落錘質量與擊實次數不同組合的AC-16瀝青混合料試件力學性能及對比見表9.

表9 不同組合與VTM成型AC-16瀝青 混合料試件力學性能

由表9可知：

1) 不同組合馬歇爾修正法成型試件穩定度、抗壓強度、劈裂強度、抗剪強度大致相當，這主要是因為幾種組合成型試件密度相同，礦料級配的變化基本一致，因此成型試件力學強度相當.

2) 8.25 kg落錘與擊實75次的組合成型試件各項力學性能較高.這主要是因為：落錘質量較大時，單次錘擊壓實功較大，易于混合料的壓實，同時，擊實次數較少時，混合料溫度較高，瀝青流動性較好，具有良好的潤滑性能，兩因素共同作用，使混合料在較短的時間內達到較高的密實度，確保混合料具有更好力學性能.

3.2 修正Marshall擊實方法的提出

綜上所述，8.25 kg落錘質量與擊實75次的組合成型試件達到了馬歇爾標準試件密度的1.02倍，對礦料級配的影響最小且各項力學性能指標均有較大提高.該法僅僅將落錘質量增加至8.25 kg，擊實次數仍為75次，符合試驗人員的習慣，避免因不便造成不必要的錯誤操作.與改變擊實次數的方法相比可以提高工作效率，縮短工作時間，故可將該組合作為基于重交通的修正馬歇爾擊實方法.

但另一方面，通過增加錘重修正馬歇爾擊實方法不利于推廣，增加了試驗成本，而4.5 kg落錘質量與擊實145次的組合僅僅增加了擊實次數，便于操作、可行性高，因此也可以將該組合作為基于重交通的修正馬歇爾擊實方法.

兩種修正馬歇爾擊實方法的技術指標見表10.

表10 修正Marshall擊實方法技術指標

4 結 論

1) 結合理論與實踐分析，認為可通過改變擊實次數與落錘質量的方法提高馬歇爾壓實功.

2) 在滿足規范規定的瀝青混合料成型溫度條件下，馬歇爾最大擊實次數約為157次.

3) 通過研究擊實次數與落錘質量對混合料密度、級配的影響的研究，結果表明,存在多種落錘質量與擊實次數的組合，即4.5 kg落錘與擊實145次；5.5 kg落錘與擊實125次；6.5 kg落錘與擊實103次；7.0 kg落錘與擊實91次；7.5 kg落錘與擊實83次；8.0 kg落錘與擊實77次；8.25 kg落錘與擊實75次七種組合，成型試件密度約為標準馬歇爾試件的1.02倍.

4) 通過成型方法對礦料級配及力學性能的影響，對上述七種組合進行了對比研究，結果表明：落錘質量8.25 kg與擊實75次的Marshall組合對礦料級配影響最小且各項力學性能最高，故推薦將落錘質量增加至8.25 kg作為馬歇爾修正擊實方法.

5) 4.5 kg落錘質量與擊實145次的組合僅僅增加了擊實次數，便于操作、可行性高，因此也可以將該組合作為基于重交通的修正馬歇爾擊實方法.