宿金菲，栗培龍，朱 磊，董 超

(長安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064)

0 引 言

瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量直接影響著瀝青路面的使用性能[1]。在壓實(shí)過程中，瀝青混合料由松散狀態(tài)逐漸過渡到高抗拉強(qiáng)度的黏聚態(tài)，顆粒之間的接觸點(diǎn)逐漸增多，顆粒之間的空隙逐漸減小。隨著壓實(shí)的完成，溫度恢復(fù)到常溫，瀝青混合料形成具有一定強(qiáng)度和承載能力的整體結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外眾多學(xué)者一直致力于瀝青混合料壓實(shí)特性的研究。F. PéREZ-JIMéNEZ等[2]分析了垂直壓力、旋轉(zhuǎn)角和壓實(shí)溫度對壓實(shí)質(zhì)量的影響；張爭奇等[3,4]根據(jù)壓實(shí)曲線提出用密實(shí)曲線平均斜率和壓實(shí)能量指數(shù)表征瀝青混合料的壓實(shí)特性；LIU Juanyu等[5]發(fā)現(xiàn)溫拌Sasobit改性技術(shù)可以降低瀝青混合料的拌和壓實(shí)溫度，并提高其工作性和高溫抗車轍性能；GAO Lei等[6]基于壓實(shí)曲線，采用控制變量法對冷再生瀝青混合料進(jìn)行了CIR試驗(yàn)；LI Peilong等[7-8]采用鐵粉裹覆及內(nèi)嵌鋼釘指針等手段對特征礦料顆粒進(jìn)行標(biāo)記，對不同瀝青混合料進(jìn)行分步壓實(shí)成型試驗(yàn)，并提出顆?？臻g遷移指標(biāo)和滾動(dòng)指標(biāo)等概念；JIA Jie等[9]采用振動(dòng)壓實(shí)理論的模型探究瀝青混合料的變形特性，基于共振原理，建立了夯實(shí)/瀝青墊層交互的動(dòng)態(tài)模型，以預(yù)測鋪筑過程瀝青混合料的壓實(shí)度；WANG Xue等[10]開發(fā)了一種可實(shí)時(shí)獲取瀝青路面內(nèi)部壓實(shí)溫度的智能壓實(shí)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。

壓實(shí)過程中，集料顆粒發(fā)生相對滑移和旋轉(zhuǎn)進(jìn)而形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，瀝青膠結(jié)料的存在對顆粒的滑移、摩擦等行為起到了潤滑效應(yīng)。越來越多的學(xué)者從宏觀試驗(yàn)轉(zhuǎn)入從微細(xì)觀水平探究顆粒間的接觸特性，以揭示瀝青混合料的壓實(shí)機(jī)理。M.HASKETT等[11]分析了瀝青混合料剪切界面的摩擦作用力以及顆粒之間的嵌鎖行為；MIAO Yinghao等[12]采用離散元數(shù)值模擬技術(shù)分析了瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)，計(jì)算了顆粒間的平均接觸數(shù)和相互作用力；HU Jing等13]采用工業(yè)CT 掃描結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料的三維重建，并探究了壓實(shí)功與空隙率之間的關(guān)系；SHI Liwan等[14]分析了瀝青混合料的細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)并計(jì)算了混合料內(nèi)部接觸點(diǎn)的數(shù)量；LIU Yu[15]采用數(shù)值模擬技術(shù)構(gòu)建了瀝青混合料的黏彈性力學(xué)模型，并探究了AC類瀝青混合料內(nèi)部微觀交互作用。

瀝青混合料是由瀝青、集料和空隙組成的多相顆粒性材料，對瀝青混合料在壓實(shí)過程中的微細(xì)觀作用行為缺乏深入的認(rèn)識。筆者采用自主開發(fā)的礦料接觸試驗(yàn)儀和界面接觸滑移試驗(yàn)裝置探究顆粒系統(tǒng)和瀝青混合料的接觸特性，探究顆粒接觸特性與壓實(shí)特性之間的關(guān)系，并基于顆粒的接觸效應(yīng)探究不同因素對瀝青混合料壓實(shí)特性的影響。研究成果有利于揭示壓實(shí)機(jī)理，為瀝青混合料的級配設(shè)計(jì)、確定最佳瀝青用量以及壓實(shí)溫度提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料

試驗(yàn)研究中選取陜西某地石灰?guī)r作為試驗(yàn)原材料，集料的相對密度如表1。參照J(rèn)TJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)要求對殼牌90# 瀝青進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果如表2。拌制AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13和OGFC-13 共5種瀝青混合料所用礦料級配如表3。

表1 集料的相對密度Table 1 Relative density of aggregates

表2 瀝青的技術(shù)性質(zhì)Table 2 Technical properties of asphalt

表3 混合料級配Table 3 Aggregate gradations

2 試驗(yàn)方法

2.1 接觸滑移試驗(yàn)

為了研究礦質(zhì)集料顆粒間的接觸特性，筆者采用了自主研發(fā)的“礦質(zhì)集料接觸滑移試驗(yàn)儀”，如圖1。該試驗(yàn)儀主要由3個(gè)可滑動(dòng)試驗(yàn)腔體嵌套形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，礦質(zhì)集料分別填充于3個(gè)腔體中，形成兩個(gè)宏觀的滑動(dòng)面。顆粒系統(tǒng)在滑移過程中不斷地進(jìn)行重組、調(diào)整，在試驗(yàn)行程內(nèi)會出現(xiàn)一個(gè)最佳穩(wěn)定狀態(tài)。顆粒接觸效應(yīng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致需要施加更大的拉力來破壞這種穩(wěn)定狀態(tài)，從而產(chǎn)生了最大滑移作用力。試驗(yàn)時(shí)，采用“等量分裝”的方法將集料裝入試驗(yàn)儀以降低級配顆?；旌狭系碾x析現(xiàn)象，并采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)速率10 mm/min、試驗(yàn)行程80 mm對試驗(yàn)儀進(jìn)行加載，然后對施加的拉力進(jìn)行采樣，獲得接觸滑移曲線，如圖2。采用最大滑移作用力Fm評價(jià)顆粒系統(tǒng)的接觸特性，計(jì)算方法如式(1):

Fm=max(Fi)

(1)

式中：Fi為各采樣點(diǎn)的作用力大小。

圖1 礦質(zhì)集料接觸滑移試驗(yàn)儀Fig. 1 Mineral aggregate contact slip tester

圖2 典型接觸曲線Fig. 2 Typical contact curve

筆者采用自主開發(fā)的“界面接觸滑移試驗(yàn)裝置”探究瀝青混合料的顆粒接觸特性，如圖3。其原理是通過控制加載壓頭直徑與支撐環(huán)內(nèi)徑的大小使瀝青混合料試件在MTS的作用下沿著一定斜面發(fā)生剪切破壞。加載壓頭和支撐環(huán)內(nèi)徑的尺寸分別為28.5、80 mm。試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)速率為5 mm/min。采用最大滑移剪應(yīng)力τsl評價(jià)接觸滑移面上瀝青混合料克服剪切滑移破壞的能力，如式(2)：

(1)

式中：Fm為最大荷載；S為錐形界面剪切面面積。

圖3 界面接觸滑移試驗(yàn)裝置Fig. 3 Interface contact slip tester

2.2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀通過對試件施加豎向壓力實(shí)現(xiàn)試件體積上的密實(shí)，而且通過控制旋轉(zhuǎn)角使瀝青混合料受到剪切作用，能較好地模擬實(shí)際路面攤鋪后進(jìn)行壓實(shí)的密實(shí)過程[16-17]。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的旋轉(zhuǎn)角為1.15°，垂直壓力為600 kPa，旋轉(zhuǎn)速率為30 r/min。根據(jù)瀝青的黏溫曲線確定瀝青混合料的最佳拌和與壓實(shí)溫度。試驗(yàn)結(jié)束后，將壓實(shí)次數(shù)以及對應(yīng)的壓實(shí)高度導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取不同壓實(shí)次數(shù)下的密實(shí)度，比如式(2)：

(2)

式中：hdes和γdes分別為達(dá)到壓實(shí)次數(shù)時(shí)的試件高度和密實(shí)度；hx和γx分別為某一壓實(shí)次數(shù)下的試件高度和密實(shí)度比。

以壓實(shí)次數(shù)為橫坐標(biāo)，密實(shí)度比為縱坐標(biāo)繪制壓實(shí)曲線，如圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線Fig. 4 Gyratory compactor densification curves

為研究瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中的壓實(shí)特性，根據(jù)現(xiàn)有研究成果[3,18]，提出密實(shí)曲線平均斜率K1、K2、密實(shí)能量指數(shù)CEI共3個(gè)指標(biāo)來表征瀝青混合料的在壓實(shí)階段所具有的壓實(shí)特性。K1評價(jià)混合料從初始狀態(tài)壓實(shí)至4%空隙率過程中顆粒的嵌擠效應(yīng)；K1越大混合料的可壓實(shí)性越好。K2評價(jià)混合料從空隙率4%壓實(shí)到2%的難易程度；K2越小，混合料壓實(shí)成型后接觸效應(yīng)越好，抗剪變形能力越好，路面抗車轍能力越強(qiáng)。CEI將混合料從初始狀態(tài)壓實(shí)至目標(biāo)壓實(shí)度(96%)所需的能量；CEI值越大說明瀝青混合料越難以壓實(shí)，所需壓實(shí)功越多。3個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方式如式(3)～式(5)：

(3)

(4)

(5)

3 結(jié)果與討論

3.1 礦料接觸摩擦效應(yīng)對壓實(shí)特性的影響

選擇AC-13、SMA-13和OFGC-13共3種顆粒系統(tǒng)進(jìn)行礦料接觸試驗(yàn)，然后分別采用橡膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青和高黏度改性瀝青拌制瀝青混合料，通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件。試驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖5 不同級配類型的參數(shù)對比Fig. 5 Comparison of parameters of different grading types

由圖5可知，SMA-13的K1最大、CEI最小，而OGFC-13的K1最小、CEI最大。這說明SMA-13的可壓實(shí)性最好，在壓實(shí)過程中達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)度所需的能量最少。AC-13顆粒間的Fm小于SMA-13，但SMA-13的可壓實(shí)性卻比AC-13好。其原因在于Fm表征的是顆粒系統(tǒng)內(nèi)部顆粒間的接觸特性，AC-13和SMA-13的Fm相差不大，但SMA-13顆粒系統(tǒng)中粗集料的數(shù)量比AC-13多，瀝青對粗集料的潤滑效應(yīng)更強(qiáng)，因此松散態(tài)AC-13瀝青混合料的接觸強(qiáng)度大于SMA-13。OGFC-13顆粒系統(tǒng)的Fm顯著大于AC-13和SMA-13，在加入瀝青后，顆粒間的接觸、滑移效應(yīng)依然非常顯著。因此OGFC-13的工作性最差，SMA-13的工作性最好。

由圖5可知，對于K2來說，OGFC-13

采用AC-13、AC-16和 AC-20探究公稱最大粒徑(NMAS)對瀝青混合料壓實(shí)特性的影響。壓實(shí)指標(biāo)和顆粒接觸指標(biāo)隨公稱最大粒徑的變化如圖6。

圖6 不同公稱最大粒徑瀝青混合料的參數(shù)對比Fig. 6 Comparison of parameters of asphalt mixture withdifferent nominal maximum particle sizes

由圖6可知，K1隨公稱最大粒徑的增大而減小，CEI隨公稱最大粒徑的增大而增大。這說明公稱最大粒徑越大，瀝青混合料的工作性越差。公稱最大粒徑?jīng)Q定了顆粒系統(tǒng)中粗集料粒徑的大小，并且決定了粗細(xì)集料的比例和骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對于顆粒系統(tǒng)來說，公稱最大粒徑越大，相對應(yīng)的顆粒系統(tǒng)中粗集料的數(shù)量越多，細(xì)集料的數(shù)量越少。細(xì)集料對粗集料的接觸起潤滑作用，不利于顆粒系統(tǒng)形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，而且較多的粗集料會導(dǎo)致滑動(dòng)面上粗顆粒發(fā)生接觸、摩擦、滑移的概率增大。因此AC-20顆粒系統(tǒng)的接觸作用大于AC-13和AC-16。

AC類瀝青混合料壓實(shí)后屬于密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)。雖然其粗集料少而細(xì)集料多使得粗集料懸浮于瀝青膠漿中，然而公稱最大粒徑越大，粗集料間的接觸距離越短且接觸概率越大，因此壓實(shí)成型后AC-20瀝青混合料中顆粒的接觸效應(yīng)依然最強(qiáng)烈。雖然瀝青對粗集料的潤滑效應(yīng)更顯著，但AC-20瀝青混合料中粗集料的數(shù)量僅相對AC-13和AC-16較多，并未達(dá)到OGFC-13中粗集料的水平，因此由潤滑效應(yīng)導(dǎo)致的接觸強(qiáng)度差異不大。所以AC-20瀝青混合料的抗滑移變形能力最強(qiáng)。由圖6可知，AC-20瀝青混合料對應(yīng)的K2最大。K2代表開放交通后瀝青路面的密實(shí)特性，K2越大，抵抗車轍能力越差。這說明對于評價(jià)壓實(shí)成型后瀝青路面的壓實(shí)特性，τsl比K2更準(zhǔn)確、有效。

3.2 瀝青的黏結(jié)潤滑效應(yīng)對壓實(shí)特性的影響

瀝青結(jié)合料具有強(qiáng)烈的感溫性，在不同的條件下在礦料界面具有黏結(jié)/潤滑雙重效應(yīng)。在瀝青混合料的拌和、攤鋪和壓實(shí)過程中，礦料/瀝青體系在瀝青的黏結(jié)潤滑作用下需要克服集料顆粒的接觸、摩擦效應(yīng)，通過顆粒的遷移實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自組織，從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為了探究瀝青的黏結(jié)潤滑效應(yīng)對瀝青混合料壓實(shí)特性的影響，在不同瀝青用量、不同壓實(shí)溫度下展開試驗(yàn)研究。不同瀝青用量下，壓實(shí)特性指標(biāo)K1、K2和CEI與接觸指標(biāo)τsl的相關(guān)性如圖7。

圖7 接觸摩擦效應(yīng)與壓實(shí)特性的比較Fig. 7 Comparison between contact friction effect andcompaction characteristics

由圖7可知，τsl與K2的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.962 74；τsl與CEI的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)為0.776 90。這說明可以通過自行開發(fā)的接觸滑移裝置測得的τsl預(yù)測開放交通后瀝青混合料的壓實(shí)特性。壓實(shí)特性和接觸參數(shù)隨瀝青用量的變化如圖8。

圖8 不同瀝青用量的參數(shù)對比Fig. 8 Parameter comparison of different asphalt dosage

由圖8可知，K1隨瀝青用量的增大而增大，CEI隨瀝青用量的增大而減小。這說明瀝青用量越大，瀝青混合料的可壓實(shí)性越好，所需要的壓實(shí)能量越少。在140 ℃的壓實(shí)溫度下，瀝青體系中潤滑基團(tuán)的比例大于黏結(jié)基團(tuán)，松散態(tài)AC-13瀝青混合料的最佳瀝青用量小于4.3%。隨著瀝青用量的增大，顆粒系統(tǒng)中顆粒間自由瀝青的厚度逐漸增加，這對顆粒間的接觸起潤滑作用，而且會增大顆粒之間的接觸距離，極大地影響瀝青混合料的接觸作用。因此K1和CEI不僅隨瀝青用量的增加分別呈上升和下降趨勢，而且變化程度較大。

由圖8可知，K2隨瀝青用量的增大而增大，τsl雖呈下降趨勢，但在成型態(tài)最佳瀝青用量為4.3%處達(dá)到最大。當(dāng)瀝青用量小于4.3%時(shí)，裹覆在顆粒表面的瀝青膜厚度小于瀝青與集料交互作用形成的最大黏結(jié)力對應(yīng)的膜厚；當(dāng)瀝青用量超過4.3% 時(shí)，除了裹敷在礦料顆粒表面的結(jié)構(gòu)瀝青之外，自由瀝青逐漸形成且填充在礦料顆粒體系所形成的骨架結(jié)構(gòu)中。因此瀝青混合料的抗滑移變形能力在4.3% 時(shí)最大，這也與對瀝青混合料的宏觀抗剪能力的認(rèn)知相符。在探究不同的瀝青用量對瀝青混合料壓實(shí)特性的影響時(shí)，K2有一定的局限性，不能完全用于評價(jià)開放交通后瀝青路面的抗滑移變形能力。

不同壓實(shí)溫度下的壓實(shí)參數(shù)和接觸指標(biāo)如圖9。

圖9 不同壓實(shí)溫度的參數(shù)對比Fig. 9 Parameter comparison of different compaction temperatures

由圖9可知，隨著溫度的升高，K1和K2逐漸增大，CEI逐漸降低。溫度越高，瀝青的流動(dòng)性越好，對顆粒系統(tǒng)的潤滑效應(yīng)越顯著。因此壓實(shí)混合料需要克服的阻力逐漸減小，工作性變好且所需的壓實(shí)能量減小。τsl隨溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度主要取決于顆粒之間的接觸、摩擦作用以及瀝青與集料之間的黏結(jié)力。壓實(shí)溫度越高，瀝青混合料被壓得越密實(shí)。但當(dāng)溫度超過最佳壓實(shí)溫度時(shí)，在壓實(shí)功的作用下，瀝青會被擠出而形成自有瀝青，從而導(dǎo)致空隙率下降，瀝青混合料的抗剪切滑移能力降低。由圖9可知，表征開放交通后瀝青混合料抗剪能力的K2隨壓實(shí)溫度的升高而增大，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了K2雖然可以有效評價(jià)顆粒系統(tǒng)對壓實(shí)特性的影響，但對于瀝青的影響則存在局限性。經(jīng)過筆者的研究，可采用來τsl評價(jià)開放交通后瀝青混合料的壓實(shí)特性。

4 結(jié) 論

筆者采用由旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀計(jì)算得到的密實(shí)曲線平均斜率K1、K2和壓實(shí)能量指數(shù)標(biāo)CEI表征瀝青混合料的壓實(shí)特性。通過自主研發(fā)的礦料接觸試驗(yàn)儀和界面剪切滑移試驗(yàn)裝置評價(jià)顆粒系統(tǒng)和瀝青混合料內(nèi)部顆粒的接觸特性?；陬w粒接觸特性從微細(xì)觀水平探究了顆粒和瀝青對壓實(shí)特性的影響。

OGFC-13顆粒系統(tǒng)中含有較多的粗集料，壓實(shí)顆粒間的接觸作用比較強(qiáng)烈，其工作性比SMA-13和AC-13差，開放交通后抗滑移變性能力最好，但高溫穩(wěn)定性不如SMA-13。公稱最大粒徑越大，粗集料接觸的概率越大，從而容易形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。與AC-13和AC-16相比，AC-20的可壓實(shí)性最差但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好。

瀝青用量增加會增大顆粒間的接觸距離，溫度升高會導(dǎo)致瀝青體系內(nèi)潤滑基團(tuán)的比例上升，從而導(dǎo)致瀝青混合料工作性變好且所需的壓實(shí)能量減小。K2在評價(jià)瀝青對壓實(shí)特性的影響上有一定的局限性，壓實(shí)特性指標(biāo)與最大滑移剪應(yīng)力的相關(guān)性較好，可采用最大滑移剪應(yīng)力來表征開放交通后瀝青混合料的壓實(shí)特性。