蔣應(yīng)軍，張 勇，張大強，張 繼，王富玉

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064； 2.吉林省高速公路集團有限公司，長春 130033；3.吉林大學(xué) 交通學(xué)院，長春 130012)

瀝青混合料設(shè)計是影響瀝青路面使用性能與施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，國際上具有代表性的瀝青混合料設(shè)計方法主要有馬歇爾(Marshall)法、GTM法和Superpave法[1-3]，它們的主要差別之一是試件的成型方法不同。隨著交通快速發(fā)展，Marshall法的局限性也逐漸顯現(xiàn)：Marshall法擊實成型的方式與實際工程中的振動壓實及通車后車輛荷載對路面揉搓壓實作用效果差別較大，且擊實功已與現(xiàn)代交通量不相適應(yīng)[4-7]。GTM法和Superpave法采用揉搓壓實法和旋轉(zhuǎn)壓實法成型試件，盡管揉搓壓實法和旋轉(zhuǎn)壓實法成型試件與現(xiàn)場性能相關(guān)性較好，但其設(shè)備較為昂貴，一時難以在全世界大面積推廣[8-10]。

近年來，道路研究者開展了一系列有關(guān)瀝青混合料振動成型方法的研究。Hunter等[11-12]對旋轉(zhuǎn)壓實、振動壓實、輪碾壓實及現(xiàn)場機械壓實的瀝青混合料力學(xué)性能進行了對比研究，指出旋轉(zhuǎn)壓實和振動壓實成型的瀝青混合料具有更好的力學(xué)強度和永久抗變形能力；解曉光等[13]研究認(rèn)為當(dāng)瀝青混合料密度相同時，振動成型的試件殘留穩(wěn)定度明顯優(yōu)于馬歇爾試件；華南理工大學(xué)[14]研究認(rèn)為壓實功相同時，振動壓實、旋轉(zhuǎn)壓實、輪碾壓實及馬歇爾擊實對混合料中粗集料破碎的影響依次增強；魏建國等[15]研究認(rèn)為振動成型法與馬歇爾擊實法密度相同時，大粒徑碎石瀝青混合料振動成型試件馬歇爾穩(wěn)定度高于擊實法，且馬歇爾擊實法易造成大粒徑碎石瀝青混合料中集料的破碎；江曉霞等[16]研究認(rèn)為對于超大粒徑瀝青混合料，振動成型法容易造成集料離析、空隙率偏大，難以形成骨架密實結(jié)構(gòu)。

綜上可知，瀝青混合料振動成型方法的研究大多局限在與Marshall法密度相同時，成型方法對混合料穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性、級配變化、離析等影響，而未考慮到Marshall法成型密度偏低，達不到現(xiàn)代重交通瀝青混合料密度的要求；另外，上述振動成型試件與路面芯樣相關(guān)性并未得到驗證。

針對這些問題，筆者通過現(xiàn)場調(diào)查分析路面早期損壞，尤其是車轍與壓實標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系以及現(xiàn)有施工機械壓實能力，提出了重交通壓實標(biāo)準(zhǔn)以及基于重交通壓實標(biāo)準(zhǔn)的垂直振動成型方法VVTM(Vertical Vibration Testing Method)，VVTM試件與路面芯樣性能測試結(jié)果的相關(guān)性可達93%，并提出VVTM設(shè)計方法[6, 17-19]。鑒于此，本文以SMA瀝青混合料為研究對象，通過室內(nèi)試驗對比研究了VVTM法和Marshall法設(shè)計的SMA混合料配合比設(shè)計結(jié)果及路用性能，以驗證瀝青混合料VVTM法的可靠性和優(yōu)越性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1) 瀝青

瀝青為韓國某品牌SBS改性瀝青，其測試指標(biāo)見表1。實測指標(biāo)滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[20]要求。

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)

2) 集料

試驗集料均來自陜西商洛，其中粗集料為玄武巖碎石，細集料為石灰?guī)r機制砂，礦粉為石灰?guī)r礦粉。所用集料均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[20]的技術(shù)要求。

3) 纖維

纖維為江蘇鹽城生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維，滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[20]的技術(shù)要求。

1.2 礦料級配

SMA瀝青混合料礦料級配見表2[20-21]。

表2 SMA礦料級配

1.3 試驗方法

瀝青混合料力學(xué)性能試驗主要包括馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和抗剪強度；路用性能試驗包括高溫動穩(wěn)定度、低溫抗彎拉應(yīng)變、水穩(wěn)定性及耐久性能。其中，馬歇爾穩(wěn)定度MS、劈裂強度Ri、動穩(wěn)定度DS、彎拉應(yīng)力Rb、彎拉應(yīng)變ξb、浸水殘留穩(wěn)定MS0與凍融劈裂強度比TSR等試驗均按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的試驗方法進行。另外，通過以下測試方法測量瀝青混合料的抗剪強度和疲勞性能。

1) 抗剪強度試驗

抗剪強度采用單軸貫入試驗測定。單軸貫入試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。試驗采用電子萬能試驗機，貫入桿直徑為d=28.5 mm，加載速率為1 mm/min，試件在60 ℃控溫4 h～6 h后進行測試。

圖1 單軸貫入試驗?zāi)Ｐ?/p>

抗剪強度按式(1)、式(2)計算：

(1)

τd=0.339×Rg

(2)

式中：τd為抗剪強度，MPa；Rg為豎向壓應(yīng)力，MPa；P為試件破壞時的最大荷載，N；d為貫入桿直徑，mm。

2) 疲勞性能試驗

目的：通過室內(nèi)疲勞試驗評價不同方法設(shè)計SMA瀝青混合料耐久性。

試驗：采用MTS810萬能試驗機進行間接拉伸疲勞試驗，夾具及試件安裝如圖2所示；采用正弦波荷載作為應(yīng)力控制模式加載，以模擬路面在行車荷載作用下的實際波形；加載頻率為10 Hz；應(yīng)力水平分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7；試驗溫度為15 ℃。

(a) 劈裂夾具照片

(b) 試件安裝照片

2 SMA混合料設(shè)計方法

2.1 馬歇爾法(Marshall)

Marshall法采用體積設(shè)計理念，認(rèn)為瀝青混合料的體積參數(shù)與其路用性能存在一定的聯(lián)系。當(dāng)瀝青混合料體積參數(shù)滿足一定要求時，瀝青混合料將獲得良好的路用性能，即瀝青混合料密度、空隙率(VV)、瀝青飽和度(VFA)、礦料間隙率(VMA)、穩(wěn)定度(MS)及流值(FL)等參數(shù)達到設(shè)計要求時，認(rèn)為混合料具有最適宜的空隙率與飽和度，以此確定瀝青的最佳用量。其成型方式及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 SMA瀝青混合料Marshall法設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2.2 垂直振動成型法(VVTM)

VVTM法采用體積設(shè)計理念，在瀝青混合料體積參數(shù)與路用性能間建立良好對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出以性能最優(yōu)為原則的體積設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。采用垂直振動壓實儀成型試件，其構(gòu)造如圖3所示，它只有垂直方向而無水平方向激振力，振動頻率為(37±2) Hz，振幅為1.2 mm，上車工作質(zhì)量為1.2 kN，下車工作質(zhì)量為1.8 kN，振動壓實時間60 s。其成型方式及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)見表4[22]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計方法對體積參數(shù)的影響

不同方法設(shè)計的2種級配(表2)SMA瀝青混合料所對應(yīng)的最佳油石比及性能參數(shù)見表5。

表4 SMA瀝青混合料VVTM法設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

表5 SMA混合料配合比設(shè)計結(jié)果對比

圖3 振動擊實試驗儀構(gòu)造

由表5可知：

1) 當(dāng)SMA混合料級配相同時，采用VVTM法設(shè)計的混合料最佳油石比比Marshall法低約7%，密度則提高約2%。

2) 當(dāng)設(shè)計方法相同時，GM級配SAM混合料最佳油石比比GF級配SMA混合料略低、密度略有增大。

3.2 設(shè)計方法對高溫性能的影響

不同方法設(shè)計的SMA瀝青混合料高溫性能見表6。其中，R(M)、R(V)分別代表Marshall法、VVTM法設(shè)計瀝青混合料各項性能。

由表6可知：

1) 與Marshall法相比，當(dāng)級配相同時，VVTM法設(shè)計的瀝青混合料高溫性能至少提高了30%。這是因為VVTM法設(shè)計的瀝青混合料密度更高、最佳油石比更低，使得制備的混合料的高溫性能更好。

2) 當(dāng)設(shè)計方法相同時，與GF級配相比，GM級配SMA混合料高溫性能明顯更優(yōu)。

表6 不同方法設(shè)計SMA瀝青混合料高溫性能

3.3 設(shè)計方法對低溫性能的影響

不同方法設(shè)計的SMA瀝青混合料低溫抗裂性能見表7。其中，S(M)、S(V)分別代表Marshall法、VVTM法設(shè)計瀝青混合料低溫抗裂性能。

表7 不同方法設(shè)計SMA瀝青混合料低溫性能

由表7可知：

1) 當(dāng)級配一定時，與Marshall法相比，采用VVTM法設(shè)計的SMA混合料可提升劈裂強度30%以上，而低溫彎曲應(yīng)變略有降低。

2) 當(dāng)設(shè)計方法一定時，與GF級配相比，GM級配可一定程度上提升SMA混合料低溫抗裂性能。

3.4 設(shè)計方法對水穩(wěn)定性的影響

不同方法設(shè)計的SMA瀝青混合料水穩(wěn)性能見表8。

表8 不同方法設(shè)計SMA瀝青混合料水穩(wěn)性能 %

由表8可知：

1) VVTM法、Marshall法設(shè)計的SMA瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強度比均能達到規(guī)范要求。與Marshall法相比，VVTM法設(shè)計的瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均略有提高。

2) 與GF級配相比，GM級配瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均略有提高。

3.5 設(shè)計方法對疲勞性能的影響

應(yīng)力水平與疲勞壽命之間的關(guān)系如圖4所示。

(a) GM級配

(b) VVTM法

由圖4可知：

1) 與Marshall法相比，VVTM法設(shè)計的SMA瀝青混合料疲勞曲線方程截距較大，斜率更小，這表明VVTM法設(shè)計的SMA瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能。

2) 與GF級配相比，GM級配SMA瀝青混合料疲勞曲線方程截距較大，斜率更小，這表明GM級配可提升SMA瀝青混合料抗疲勞耐久性。

4 結(jié)論

1) VVTM法設(shè)計的SMA瀝青混合料密度約為Marshall法的1.02倍、最佳油石比約降低7%。

2) 與Marshall法相比，VVTM法瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度、抗剪強度、動穩(wěn)定度、低溫劈裂強度至少可提升30%以上，此外，抗疲勞性能和水穩(wěn)定性均有提升。

3) 強嵌擠骨架密實級配(GM)可有效提升SMA瀝青混合料路用性能。