孟勇軍，李正華，李超，江微，鄒海軍

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；4.廣西特殊地質(zhì)公路安全工程技術(shù)研究中心， 廣西南寧530004；5.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司， 廣西南寧530200；6.中交路橋華南工程有限公司， 廣東中山528403)

0 引言

失穩(wěn)性車(chē)轍作為一種常見(jiàn)的瀝青路面病害，產(chǎn)生原因主要是在高溫天氣和行車(chē)荷載的反復(fù)碾壓共同作用下，對(duì)路面施加的作用力超過(guò)了瀝青混凝土抗剪強(qiáng)度，發(fā)生側(cè)向流動(dòng)變形。因此瀝青混凝土路面高溫穩(wěn)定性能的好壞決定路面車(chē)轍問(wèn)題是否嚴(yán)重[1-3]。近年來(lái)關(guān)于瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能的研究涉及很多方面[4-7]，振動(dòng)攪拌技術(shù)在水泥混凝土方面也取得了廣泛的應(yīng)用[8-11]，但關(guān)于攪拌因素的作用對(duì)瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能影響的研究卻非常少。本文中采用一種軸振動(dòng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行瀝青混凝土的制備，通過(guò)4種試驗(yàn)對(duì)基于振動(dòng)攪拌技術(shù)的瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為振動(dòng)攪拌技術(shù)在瀝青混凝土中的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義。

1 原材料和車(chē)轍試驗(yàn)方法

1.1 原材料

①SBS改性瀝青

本研究采用SBS改性瀝青，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)試驗(yàn)方法對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。各技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青基本性能試驗(yàn)Tab.1 Basic performance test of SBS modified asphalt

②輝綠巖基本性質(zhì)

本次試驗(yàn)集料采用的是廣西百色的輝綠巖，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)的試驗(yàn)方法集料進(jìn)行基本性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 輝綠巖基本性能試驗(yàn)Tab.2 Basic performance test of diabase

③級(jí)配組成

本研究選用AC-13連續(xù)密級(jí)配的級(jí)配類(lèi)型。級(jí)配曲線采用AC-13級(jí)配曲線中值，對(duì)石料進(jìn)行篩分，然后用水洗去石料表面的灰塵與污垢，再放入烘箱中烘干備用。

④瀝青混合料油石比

本研究采用最佳油石比作為瀝青混合料車(chē)轍板試件的油石比。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)要求，對(duì)0(即不開(kāi)啟振動(dòng)作用，僅保留攪拌作用)、10、20、30、40、50 Hz的振動(dòng)攪拌工藝馬歇爾試件做馬歇爾穩(wěn)定度(MS)、流值(FL)、毛體積密度、空隙率(VV)、飽和度(VFA)和礦料間隙率(VMA)等指標(biāo)分析，計(jì)算最佳油石比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 最佳油石比Tab.3 Optimum asphalt-aggregate ratio

1.2 車(chē)轍試驗(yàn)方法

1.多功能試驗(yàn)主機(jī);2.圍壓控制系統(tǒng);3.恒溫水浴箱;4.高溫加熱帶；5.攪拌軸；6.振頻與轉(zhuǎn)速控制器圖1 軸振動(dòng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)樣機(jī)Fig.1 Structural sketch of shaft vibration forced mixer

①瀝青混凝土的制備

使用軸振動(dòng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行制備瀝青混凝土，其振動(dòng)作用的施加方式為：在攪拌設(shè)備對(duì)瀝青混合料進(jìn)行攪拌時(shí)，激振器帶動(dòng)攪拌葉片進(jìn)行振動(dòng)，由此可直接將振動(dòng)作用所產(chǎn)生的能量傳導(dǎo)到瀝青混合料中，提高傳導(dǎo)效率。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)轉(zhuǎn)速控制器將轉(zhuǎn)速控制在35 r/min，攪拌時(shí)間為90 s，攪拌溫度為180 ℃。為了探究振動(dòng)頻率對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響，本研究通過(guò)振動(dòng)頻率控制器設(shè)置0 、10、20、30、40、50 Hz的振動(dòng)攪拌頻率制備瀝青混合料。該攪拌機(jī)如圖1所示。

②標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)

在各振動(dòng)頻率作用下瀝青混凝土最佳油石比的基礎(chǔ)上，通過(guò)軸振動(dòng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)樣機(jī)制備振動(dòng)頻率分別為0、10、20、30、40、50 Hz共6種不同振動(dòng)攪拌方式的AC-13密級(jí)配瀝青混凝土，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)輪的接觸壓強(qiáng)為0.7 MPa。

1.攪拌電機(jī)；2.振動(dòng)電機(jī)；3.溫度調(diào)節(jié)旋鈕圖2 三軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備連接圖Fig.2 Connection of triaxial compression test equipment

③高溫車(chē)轍試驗(yàn)

通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)[12]，保持試驗(yàn)輪的接觸壓強(qiáng)為0.7 MPa不變，將試驗(yàn)溫度由60 ℃提高至70 ℃。本小節(jié)選取變振動(dòng)頻率為0、30、40 Hz共3種不同振動(dòng)攪拌方式制備AC-13密級(jí)配瀝青混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。

④重載車(chē)轍試驗(yàn)

通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]，保持試驗(yàn)溫度60 ℃不變，將試驗(yàn)輪的接觸壓強(qiáng)由0.7 MPa提高到1.4 MPa。本小節(jié)選取振動(dòng)頻率為0、30、40 Hz這3種不同振動(dòng)攪拌方式制備AC-13密級(jí)配瀝青混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法

通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)[15-18]，將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型參數(shù)確定為：壓實(shí)角度為1.25 °，施加壓力為600 kPa，旋轉(zhuǎn)速率固定為30 r/min，旋轉(zhuǎn)次數(shù)取125。成型好直徑為100 mm，高為172 mm的圓柱體試件并用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀附帶的脫膜裝置進(jìn)行脫膜，用切割機(jī)切除試件兩端，使試件高度為(150±2)mm。

本小節(jié)選取振動(dòng)頻率為0、30、40 Hz這3種不同振動(dòng)攪拌方式制備AC-13密級(jí)配瀝青混凝土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。其設(shè)備連接圖如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)

圖3 不同振動(dòng)攪拌頻率下的車(chē)轍試驗(yàn)(60 ℃+0.7 MPa)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Contrast diagram of rutting test (60 ℃+0.7 MPa) about different vibration mixing frequencies

不同振動(dòng)攪拌頻率下的車(chē)轍試驗(yàn)如圖3所示。由圖可知，傳統(tǒng)攪拌制備的試件動(dòng)穩(wěn)定度平均值為8 986次/mm，而振動(dòng)作用加入后，試件的動(dòng)穩(wěn)定度平均值均提高到了11 000次/mm以上。當(dāng)振動(dòng)頻率范圍為10～40 Hz時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的提高，試件動(dòng)穩(wěn)定度平均值也在不斷提高， 40 Hz時(shí)試件動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了最高值13 780次/mm。而當(dāng)振動(dòng)頻率進(jìn)一步提高到50 Hz時(shí)，試件的動(dòng)穩(wěn)定度平均值較40 Hz反而有所下降，回到類(lèi)似振動(dòng)頻率為30 Hz時(shí)的作用效果，這說(shuō)明一味提高振動(dòng)頻率并不能一直增強(qiáng)瀝青混凝土的抗車(chē)轍性能。

而在進(jìn)行試驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)處理時(shí)若是動(dòng)穩(wěn)定度平均值大于6 000次/mm，則只需記作>6 000次/mm?？紤]到所有瀝青混凝土試件的動(dòng)穩(wěn)定度都已遠(yuǎn)大于6 000次/mm，為進(jìn)一步驗(yàn)證振動(dòng)攪拌所帶來(lái)的瀝青混合料高溫性能的提升是否能夠保持，并結(jié)合南方高溫悶熱的環(huán)境條件和我國(guó)貨運(yùn)汽車(chē)的平均載重量的不斷增加，補(bǔ)充進(jìn)行高溫車(chē)轍試驗(yàn)和重載車(chē)轍試驗(yàn)，由此希望將動(dòng)穩(wěn)定度值有效控制在6 000次/mm以?xún)?nèi)，也能進(jìn)一步拉開(kāi)數(shù)據(jù)間的差值，所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也更能說(shuō)明振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)瀝青混凝土抗車(chē)轍性能的影響。由本小節(jié)可知，對(duì)抗車(chē)轍性能提升效果最好的振動(dòng)攪拌頻率是30、40 Hz，因此取振動(dòng)攪拌頻率為30、40 Hz進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 高溫車(chē)轍試驗(yàn)

引入動(dòng)穩(wěn)定度在高溫條件下的保持率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為

(1)

式中：β為動(dòng)穩(wěn)定度在高溫條件下的保持率，%；Ds2為70 ℃高溫車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度平均值，次/mm；Ds1為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度平均值，次/mm。

不同振動(dòng)攪拌頻率下的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同振動(dòng)攪拌頻率下的車(chē)轍試驗(yàn)(70 ℃、0.7 MPa)結(jié)果Tab.4 Results of rutting test (70 ℃、0.7 MPa) about different vibration mixing frequencies

由表4可知，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件，70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度平均值為2 199次/mm，而振動(dòng)作用加入后，當(dāng)振動(dòng)頻率為30 Hz和40 Hz時(shí)，試件的70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度平均值都提高到了4 000次/mm以上，說(shuō)明振動(dòng)攪拌技術(shù)所制備的瀝青混凝土在高溫環(huán)境作用下的抗車(chē)轍性能的衰減程度比傳統(tǒng)攪拌的瀝青混凝土要小，也更能抵抗高溫環(huán)境下的行車(chē)荷載作用。

由于將試驗(yàn)溫度從60 ℃提高到70 ℃，對(duì)比圖3和表4可知，70 ℃車(chē)轍試驗(yàn)所得到的試件動(dòng)穩(wěn)定度平均值都有了進(jìn)一步的下降，均達(dá)到本節(jié)所預(yù)設(shè)的小于6 000次/mm的要求。且經(jīng)過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件動(dòng)穩(wěn)定度在高溫條件下的保持率為24.47%，而振動(dòng)頻率為30、40 Hz時(shí)所對(duì)應(yīng)的試件動(dòng)穩(wěn)定度在高溫條件下的保持率分別提高到了31.32%和35.25%。即使在更高溫的惡劣環(huán)境條件下，振動(dòng)攪拌技術(shù)也能在一定程度上提高瀝青混合料抵抗車(chē)轍病害的能力。

2.3 重載車(chē)轍試驗(yàn)

動(dòng)穩(wěn)定度在重載交通條件下的保持率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為

(2)

式中：γ為動(dòng)穩(wěn)定度在重載交通條件下的保持率，%；Ds3為1.4 MPa重載車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度平均值，次/mm；Ds1為節(jié)2.1中的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度平均值，次/mm。

不同振動(dòng)攪拌頻率下的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同振動(dòng)攪拌頻率下的車(chē)轍試驗(yàn)(60 ℃、1.4 MPa)結(jié)果Tab.5 Results of rutting test (60 ℃、1.4 MPa) about different vibration mixing frequencies

由表5可知，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件，1.4 MPa動(dòng)穩(wěn)定度平均值為1 124次/mm，而振動(dòng)作用加入后，當(dāng)振動(dòng)頻率為30、40 Hz時(shí)試件的1.4 MPa動(dòng)穩(wěn)定度平均值都提高到了2 300次/mm以上，提升效果明顯，說(shuō)明振動(dòng)攪拌技術(shù)所制備的瀝青混凝土在重載交通作用下的抗車(chē)轍性能的衰減程度比傳統(tǒng)攪拌的瀝青混凝土要小，也更能抵重載交通條件下的行車(chē)荷載作用。

由于將試驗(yàn)輪的接觸壓強(qiáng)由0.7 MPa提高到1.4 MPa，對(duì)比圖3和表5可知，1.4 MPa車(chē)轍試驗(yàn)所得到的試件動(dòng)穩(wěn)定度平均值都有了大幅度的下降，且均小于6 000次/mm。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件動(dòng)穩(wěn)定度在重載交通條件下的保持率為12.51%，而振動(dòng)頻率為30、40 Hz時(shí)所對(duì)應(yīng)的試件動(dòng)穩(wěn)定度在重載交通條件下的保持率分別提高到了17.74%和20.70%。即使在重載交通的惡劣條件下，振動(dòng)攪拌技術(shù)也能在一定程度上提高并保持瀝青混凝土抵抗車(chē)轍病害的能力。

2.4 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

三軸壓縮條件下，試件的抗剪強(qiáng)度與圍壓有關(guān)[19-22]，抗剪強(qiáng)度與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系式為

τf=c+σtanφ,

(3)

式中：τf為瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，kPa；c為試件的黏聚力，kPa；σ為主應(yīng)力值，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

不同振動(dòng)攪拌頻率下的黏聚力與內(nèi)摩擦角及不同振動(dòng)攪拌頻率下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表6、7。

表6 不同振動(dòng)攪拌頻率下的黏聚力與內(nèi)摩擦角Tab.6 Results of cohesion and internal friction angle about different vibration mixing frequencies

表7 不同振動(dòng)攪拌頻率下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of shear strength test about different vibration mixing frequencies

由表6可知，傳統(tǒng)攪拌所得到的試件，黏聚力平均值為908.86 kPa，而振動(dòng)作用加入后當(dāng)振動(dòng)頻率為30、40 Hz時(shí)，試件的黏聚力平均值都提高到了985 kPa以上，說(shuō)明振動(dòng)攪拌技術(shù)所制備的瀝青混凝土的剪切破壞性能的衰減程度比傳統(tǒng)攪拌的瀝青混凝土要小。當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到40 Hz時(shí)所對(duì)應(yīng)的試件黏聚力平均已達(dá)到了1 010 kPa，提升幅度為11.1%。而內(nèi)摩擦角主要由集料本身的性質(zhì)決定[23]，振動(dòng)作用的加入并未對(duì)內(nèi)摩擦角產(chǎn)生顯著影響。

由表7進(jìn)行橫向分析可知，在一定范圍內(nèi)當(dāng)振動(dòng)頻率不變時(shí)，隨著圍壓的增大，瀝青混凝土試件的抗剪強(qiáng)度也在逐漸提高，但抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)的幅度逐漸變小。縱向分析可知，在攪拌過(guò)程中振動(dòng)作用的加入能提高密級(jí)配瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)振動(dòng)頻率為40 Hz時(shí)抗剪強(qiáng)度的提升效果最好，在不同圍壓的條件下提高幅度范圍為6.0%～13.1%。

相比傳統(tǒng)攪拌技術(shù)，振動(dòng)攪拌技術(shù)所得試件黏聚力的提高幅度較為顯著，說(shuō)明黏聚力對(duì)振動(dòng)作用更為敏感，這是由于懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)作用的加入使細(xì)集料和礦粉得到更有效的重新分布，從而形成更黏稠的瀝青膠漿，使其具有更大的黏聚力，能更緊密粘結(jié)骨料，總體來(lái)看有利于其強(qiáng)度提高，又由于本實(shí)驗(yàn)基于最佳油石比進(jìn)行，因而此時(shí)瀝青膠漿具有最優(yōu)的黏聚力。當(dāng)試件受到剪切作用時(shí)，瀝青膠漿的黏聚力則表現(xiàn)為抵抗剪切破壞的抗力；而內(nèi)摩擦角主要與集料本身的壓碎值，磨耗值和針片狀含量有關(guān)，因此振動(dòng)作用的引入對(duì)內(nèi)摩擦角的增大程度有限。振動(dòng)攪拌增大了集料與瀝青相互接觸的比表面積，促進(jìn)了集料對(duì)瀝青的吸收，瀝青的有效含量得以提高，黏聚力增大，也使得瀝青混凝土整體性更好，進(jìn)一步提高瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度。而剪切疲勞破壞在宏觀方面即表現(xiàn)為車(chē)轍病害，也說(shuō)明剪切流動(dòng)破壞是車(chē)轍病害產(chǎn)生的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在各振動(dòng)頻率所對(duì)應(yīng)的最佳油石比基礎(chǔ)上，通過(guò)一種軸振動(dòng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行瀝青混凝土的制備，進(jìn)行4項(xiàng)高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

①由于攪拌過(guò)程中振動(dòng)作用的加入，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)時(shí)試件動(dòng)穩(wěn)定度的平均值得到了有效提高。當(dāng)振動(dòng)頻率范圍為10～40 Hz時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的提高，試件動(dòng)穩(wěn)定度平均值也在不斷提高，40 Hz時(shí)達(dá)到峰值。

②分別通過(guò)高溫車(chē)轍試驗(yàn)和重載車(chē)轍試驗(yàn)，并且引入動(dòng)穩(wěn)定度在高溫條件下和重載交通條件下的保持率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果表明，即使在高溫和重載交通的惡劣條件下，振動(dòng)攪拌技術(shù)也能提高瀝青混合料抵抗車(chē)轍病害的能力。

③通過(guò)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)作用使試件黏聚力平均值提高10%以上，而并未對(duì)內(nèi)摩擦角產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)振動(dòng)頻率為40 Hz時(shí)，對(duì)試件抗剪強(qiáng)度的提升效果最好，在不同圍壓的條件下提高幅度范圍為6.0%～13.1%。

④綜合來(lái)看，最佳振動(dòng)頻率在30～40 Hz，此時(shí)激振力和混合料的和易程度最好，且在惡劣嚴(yán)苛的環(huán)境條件下也能保持瀝青混凝土抵抗車(chē)轍病害的能力。