基于不同成型方式的瀝青混合料性能研究

趙永鵬

（山西路橋集團(tuán)隰吉高速公路有限公司，山西 臨汾 041300）

0 引言

國內(nèi)對熱拌瀝青混合料的設(shè)計多采用馬歇爾方法，然而馬歇爾方法與瀝青路面實際壓實過程有較為明顯的差異，因此根據(jù)馬歇爾方法得到的最佳油石比及空隙率仍然未能獲得最佳的路用性能[1]。為了真實模擬瀝青路面在實際碾壓過程的受力狀態(tài)，國外對瀝青混合料的成型方式進(jìn)行了諸多研究，形成了以旋轉(zhuǎn)壓實為核心的成型方法，包括法國LCPC旋轉(zhuǎn)壓實、美國Superpave標(biāo)準(zhǔn)SGC旋轉(zhuǎn)壓實、美國工兵團(tuán)GTM旋轉(zhuǎn)壓實等[2]。

本文基于Superpave旋轉(zhuǎn)壓實和馬歇爾擊實成型方法，簡單介紹了Superpave瀝青混合料配合比的設(shè)計過程，并通過車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗及浸水馬歇爾試驗，對比分析了在兩種不同成型方式下AC-20瀝青混合料最佳油石比、高溫抗變形、低溫抗開裂及水穩(wěn)定性能差異，為合理選擇瀝青混合料級配設(shè)計方法提供了借鑒。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

本研究采用90號基質(zhì)瀝青，基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。在Superpave瀝青混合料設(shè)計中需要對瀝青膠結(jié)料進(jìn)行PG分級試驗[3]，以確定瀝青膠結(jié)料適用的溫度范圍，本研究所用瀝青的PG分級情況如表2和表3所示，根據(jù)試驗結(jié)果確定本瀝青的溫度等級為PG58-22。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 瀝青PG分級高溫結(jié)果

表3 瀝青PG分級低溫結(jié)果

1.1.2 集料

集料采用石灰?guī)r，分為 1號（0～3）、2號（3～5）、3號（5～10）、4號（10～20）四檔，各檔的物理指標(biāo)列于表4，合成級配避開了控制區(qū)與限制點[4]，如圖1所示。

表4 集料技術(shù)指標(biāo)

圖1 AC-20設(shè)計級配

1.2 試驗方法

首先，采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀和馬歇爾擊實儀，分別以3.8%、4.3%、4.8%、5.3%油石比成型試件，并測定其毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、馬歇爾穩(wěn)定度、流值及粉膠比，計算獲得兩種成型方式的最佳油石比。然后，以最佳油石比分別成型車轍板試件、小梁試件及馬歇爾尺寸試件，進(jìn)行60℃車轍試驗、-10℃小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗，對比其高低溫穩(wěn)定性及抗水損壞能力。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 最佳油石比

2.1.1 Superpave最佳油石比

Superpave瀝青混合料設(shè)計中，以4.0%空隙率對應(yīng)的油石比作為最佳油石比，并要求在此空隙率時VMA、VFA、粉膠比滿足規(guī)范要求[5]。本研究在不同油石比下混合料的指標(biāo)如圖2所示。可以看出，4.0%空隙率對應(yīng)的最佳油石比為4.52%，此時瀝青混合料的VMA、VFA、粉膠比分別為13.2%、73.0%、1.13。

圖2 Superpave最佳油石比

2.1.2 馬歇爾最佳油石比

馬歇爾設(shè)計方法需測定瀝青混合料密度、VV、VMA、VFA、穩(wěn)定度和流值等指標(biāo)，并通過公式[6]計算得到最佳油石比。本研究的技術(shù)指標(biāo)隨油石比的變化如圖3所示，隨著油石比升高，馬歇爾穩(wěn)定度并未出現(xiàn)最大值，因此OAC1可直接采用空隙率為4.0%時對應(yīng)的油石比4.8%，OAC2通過計算各項指標(biāo)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的瀝青用量范圍的中值為4.7%，則馬歇爾方法最佳油石比為4.75%。

2.2 路用性能

兩種成型方式下瀝青混合料的路用性能試驗結(jié)果列于表5，可以看出：相比于馬歇爾擊實方法，采用旋轉(zhuǎn)壓實成型瀝青混合料動穩(wěn)定度提升約26%，凍融劈裂比及殘留穩(wěn)定度升高約2%，破壞彎拉應(yīng)變基本相同，綜合考慮旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗水損壞能力。

3 討論與分析

由最佳油石比與路用性能試驗結(jié)果可以看出，成型方式對瀝青混合料的性能有著顯著的影響，旋轉(zhuǎn)壓實成型瀝青混合料具有更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。一方面，由于馬歇爾擊實只是單純地將瀝青混合料上下壓實，集料在壓實的過程中相對位置基本已經(jīng)固定，而Superpave旋轉(zhuǎn)壓實以一定角度旋轉(zhuǎn)底板壓實混合料，在此過程中集料會發(fā)生微小的錯動以形成更穩(wěn)定更密實的結(jié)構(gòu)，與實際瀝青路面輪胎壓路機(jī)搓揉、碾壓過程更為接近；另一方面，Superpave以體積指標(biāo)作為最佳油石比控制指標(biāo)，而馬歇爾方法得到的最佳油石比常常會偏離目標(biāo)空隙率，因此，兩種成型方式得到的瀝青混合料結(jié)構(gòu)有根本差異。此例中，相同油石比下兩種成型方式的空隙率并不相同，而不同最佳油石比下對應(yīng)的空隙率也有差異。此外，馬歇爾成型試件雙面擊實75次，壓實功要高于Superpave旋轉(zhuǎn)壓實，有可能會壓碎集料，使得實際級配偏離原設(shè)計級配，細(xì)料增多，穩(wěn)定性變差。

4 結(jié)論

a）采用旋轉(zhuǎn)壓實成型瀝青混合料確定的最佳油石比要小于馬歇爾擊實方法，本例中AC-20級配由Superpave設(shè)計方法確定的最佳油石比要比馬歇爾擊實減少0.23%。

表5 路用性能試驗結(jié)果

圖3 馬歇爾最佳油石比

b）成型方式對瀝青混合料性能影響顯著，相比于馬歇爾擊實方法，采用旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料動穩(wěn)定度提升26%，凍融劈裂比及殘留穩(wěn)定度升高2%，破壞彎拉應(yīng)變基本相同，具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗水損壞能力。

c）Superpave旋轉(zhuǎn)壓實法以體積指標(biāo)作為最佳油石比控制指標(biāo)更有利于形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。