成型方法對橡膠瀝青混合料性能的影響研究

摘要：為了探究不同成型方式對橡膠瀝青混合料的性能影響，文章基于單軸貫入和凍融劈裂試驗，研究了馬歇爾擊實法、振動壓實法、旋轉壓實法（SGC法）對ARAC-13混合料的抗剪和抗水損性能的影響。結果表明：比對混合料試件體積指標發現，馬歇爾擊實法、旋轉壓實法75次和振動壓實法65 s的作用效果相當，混合料空隙率VV、瀝青飽和度VFA值相近；旋轉壓實和振動壓實后的混合料試件抗剪性能明顯優于馬歇爾擊實法，振動壓實85 s的抗剪強度值略低于旋轉壓實100次值；在成型方式標準設計次數下，旋轉壓實的混合料試件抗水損能力最強，TSR值衰減速率最小，振動壓實次之，馬歇爾擊實法再次之；通過對ARAC-13混合料的性能分析，推薦振動壓實法的時間為85 s。

關鍵詞：橡膠瀝青混合料；成型方式；抗剪性能；抗水損性能

中圖分類號：U416.03

0 引言

目前，我國的瀝青混合料成型方式主要采用馬歇爾擊實法，該方法成型裝置簡便，操作簡單，在國內得到廣泛應用。但隨著我國的交通量、車輛軸載不斷提升，對路面行駛安全性、舒適性、便捷高效性提出了更高的要求，該成型方法的局限性日益凸顯，其不能夠有效模擬車輛對路面的作用，采用落錘式擊實會一定程度上造成混合料集料破碎，導致試驗結果失真［1］。為此，道路行業從業者提出采用振動壓實法和旋轉壓實法進行瀝青混合料配合比設計。

現國內外學者普遍認為旋轉壓實法能夠有效模擬車輛對瀝青路面荷載作用，成型的混合料試件比馬歇爾擊實法試件更加密實、均勻［2-4］。張方方等［5］通過實際工程，證明了旋轉壓實的瀝青混合料試件毛體積相對密度、空隙率和礦料間隙率更小，瀝青飽和度更大，試件更加密實。柴金玲等［6］的研究表明旋轉壓實的混合料試件抗車轍、抗水損性能得到明顯提升。謝銀博和顏川奇等［7-8］基于CT掃描技術研究了旋轉壓實過程中集料的運動狀況，楊瑞華等［9］認為旋轉壓實次數為100時，SAC型級配混合料的路用性能最優。可知旋轉壓實技術已經成熟，并取得了豐碩的成果。

相較于旋轉壓實技術，振動壓實技術尚處于試驗階段，目前研究成果主要集中在大粒徑混合料級配中。王天林等［10］采用不同成型方式，研究了ATB-30、AC-20級配混合料的力學性能，研究表明振動壓實優于馬歇爾擊實法。張毅等［11］基于試驗試驗研究了振動壓實和馬歇爾擊實法對ATB-30路用性能的影響，結果表明振動壓實的試件在抗壓強度、劈裂強度和抗拉強度方面明顯優于馬歇爾擊實法。此外張銀生、張玉山、蔣應軍等［12-14］的研究均驗證了振動壓實的可靠性。

目前，瀝青混合料成型方法主要有馬歇爾擊實法、振動壓實法和旋轉壓實法。雖然研究成果較為豐碩，但主要集中于將振動壓實或旋轉壓實法與馬歇爾擊實進行對比，鮮有將三種成型方法一起進行研究，并闡明三者之間作用效果的研究成果。故本文將研究三種成型方式對橡膠瀝青混合料的路用性能影響，基于單軸貫入試驗和凍融劈裂試驗研究成型方式對ARAC-13混合料抗剪性能和抗水損性能的影響，并探究成型方式之間的關聯，以期為工程實際和實驗室壓實方法提供新的參考和依據。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用自研橡膠瀝青，該瀝青由70#基質瀝青、SBS顆粒和30～80目橡膠粉等按照一定的比例制備而成。橡膠瀝青性能指標見表1。

試驗采用石灰巖碎石作為試驗用粗、細集料，石灰粉為填料。其技術指標如下頁表2所示。

1.2 級配設計

本文基于經驗法進行級配設計，擬定級配ARAC-13如圖1所示。

1.3 試驗方法

為了研究成型方式對橡膠瀝青混合料性能的影響，本文在試件成型過程中通過控制溫度、級配和油石比等參數，以確保只有成型方式是唯一的變量，并通過單軸貫入試驗和凍融劈裂試驗來評價瀝青混合料的抗車轍、抗水損性能。

1.3.1 抗剪切性能試驗

車轍作為瀝青路面中的一個常見病害，對車輛安全行駛和行車舒適性有著重要的影響。相關研究表明，目前車轍變形主要由瀝青路面剪切變形導致［15］，瀝青路面在車輛循環荷載作用下，瀝青混合料中骨架結構發生相對錯位，蠕變累積形成失穩變形［16］。單軸貫入試驗作為一個有效評價橡膠瀝青混合料高溫性能的實驗方法［17-18］，采用貫入強度和抗剪強度作為評價指標，且孫立軍［19］的研究表明試驗混合料的抗剪強度為貫入強度的0.339倍。試驗用貫入試驗壓頭直徑為28.5 mm，加載速度為1 mm/min，試驗溫度為60 ℃。貫入強度和剪切強度計算如式（1）、式（2）所示：

SD=（4P/πD2）（1）

τ=0.339SD（2）

式中：SD——應力強度（MPa）；

P——破壞荷載（N）；

D——貫入試驗壓頭直徑（mm）；

τ——剪切強度（MPa）。

1.3.2 抗水損性能試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）試驗方法，對混合料試件進行0次、1次、3次、6次凍融循環，測定凍融循環后的混合料試件凍融劈裂強度值。

2 不同成型方法

2.1 馬歇爾法

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）的方法對ARAC-13混合料雙面擊實各75次。

2.2 振動壓實法

振動壓實法是模擬振動壓路機工作原理的一種成型方法，設備主要由激振器、上車系統和下車系統組成。工作時，激振器兩塊偏心塊產生垂直方向的離心力對瀝青混合料進行振動壓實。振動頻率設定為38 Hz，上車質量為108 kg，下車質量為167 kg［20］。《振動密實法密級配瀝青混合料施工技術規范》（DB33-T2095-2018）中規定振動壓實的時間為65 s，為研究振動時間對橡膠瀝青混合料的性能影響，將振動壓實時間設為55 s、65 s、75 s、85 s、95 s。

2.3 旋轉壓實法

根據T0736-2011試驗方法，確定混合料試件成型過程中，壓實轉速為30 r/min±0.5 r/min；加載裝置水質壓力為600 kPa±18 kPa；偏心距e為22 mm；外旋轉角度為1.25°±0.02°，旋轉壓實設計次數為100次，最大次數為160次，并分別制備旋轉壓實次數為75次、85次、100次、115次和125次的試件用于評價瀝青混合料性能。

3 試驗結果分析

3.1 成型方法對混合料體積指標的影響

試驗測定了馬歇爾擊實法、振動壓實法和旋轉壓實法成型后的橡膠瀝青混合料試件體積指標，如圖2所示。

由圖2可知，馬歇爾擊實雙面75次的VV、VFA值和振動壓實65次、旋轉壓實75次的效果相當，振動壓實85 s的VV值旋轉壓實100次相近。雙面擊實后的混合料試件VV值為4.4%，VFA值為71.7%；旋轉壓實75次的VV值為4.5%，VFA值為71.3%，旋轉100次的VV值為3.3%；振動壓實65 s后的VV值為4.5%，VFA值為71.1%；振動壓實85 s的VV值為3.4%。此外，根據《振動密實法密級配瀝青混合料施工技術規范》（DB33-T 2095-2018）中規定了振動壓實的時間為65 s，Superpave級配設計法中規定，中等交通道路的設計旋轉次數為75次，中等至重等交通采用設計旋轉次數100次，故現有的馬歇爾雙面擊實75次的混合料效果能夠滿足中等交通的路面級配設計，若路面交通量更大時，采用旋轉壓實法進行級配設計更加合適。

3.2 成型方法對混合料抗剪性能的影響

基于單軸貫入試驗，評價了三種成型方法下的橡膠瀝青混合料的高溫性能，試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，旋轉壓實設計旋轉次數下的混合料試件抗剪性能明顯優于振動壓實和馬歇爾擊實設計指標下測試數值。其中馬歇爾擊實75次后的抗剪強度值為1.44 MPa，振動壓實65 s的抗剪強度值為1.55 MPa，與旋轉壓實75次后的抗剪強度值1.52 MPa相近。在成型過程中，采用旋轉壓實的混合料同時受到水平和垂直方向的作用力，而振動壓實和馬歇爾擊實法的混合料僅受到垂直方向的作用力，旋轉壓實能讓混合料中粗集料更好的形成嵌擠結構，故進行單軸貫入試驗時，旋轉壓實法成型的時間表現出更好的抗剪性能。

通過分析可知，振動壓實85 s后的抗剪強度與旋轉壓實100次的值相近。振動壓實85 s后的抗剪強度為1.64 MPa，旋轉壓實100次的抗剪強度值為1.67 MPa。故振動壓實時間提升至85 s有利于滿足中等至重等交通道路。

3.3 成型方法對混合料抗水損性能的影響

基于凍融劈裂試驗，評價了三種成型方法下的橡膠瀝青混合料抗水損性能，試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著凍融循環次數增加，混合料試件的TSR值衰減速率增大，其中旋轉壓實法下的時間TSR值衰減速率最慢，馬歇爾擊實法的TSR衰減最快。旋轉壓實法的衰減速率分別是3.6%和4.4%，振動壓實法65 s為5.0%和6.9%，振動壓實法85 s為3.9%和4.7%，馬歇爾擊實法為6.3%和10.7%。瀝青混合料試件在凍融循環過程中，對瀝青膠漿、瀝青砂漿和集料膠結處均會產生一定的影響。在低溫環境中，混合料試件在凍脹力的作用下，產生微裂縫，空隙增加，主要表現為粘聚破壞；在恒溫水浴環境中，混合料試件溫度升高，水分子不斷裹附置換在集料表面的瀝青分子，破壞瀝青膜，導致瀝青膜剝落。混合料試件在凍融循環過程中不斷受到破壞，導致TSR值衰退速率加快，而旋轉壓實的混合料試件密實程度高，抗水損性能更強。

4 結語

（1）通過比對不同成型方式下的混合料試件體積指標值，發現馬歇爾擊實雙面75次的VV、VFA值和振動壓實65次、旋轉壓實75次的值相近，振動壓實85 s后的VV值接近旋轉壓實100次的VV值。

（2）旋轉壓實和振動壓實的混合料試件抗剪強度優于馬歇爾擊實法，振動壓實65 s的抗剪強度值與旋轉壓實75次的值相近，振動壓實85 s的抗剪強度值略低于旋轉壓實100次的值。

（3）對混合料試件進行多次凍融循環，試驗表明，在標準設計次數下，旋轉壓實的瀝青混合料試件，抗水損強度最佳，TSR值衰減速率最小，振動壓實法次之，馬歇爾擊實法再次之。

（4）通過對ARAC-13混合料試件體積指標及路用性能分析后，推薦振動壓實時間為85 s。

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收稿日期：2024-03-25

作者簡介：黃 剛（1987—），公路試驗檢測師，主要從事公路水運工程質量檢測、公路養護工程施工質量管理工作。