關(guān)宏信，李銘哲，曾勇，李兵

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530012；3.佛山市路橋建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528042）

瀝青混合料的壓實(shí)性能影響路面質(zhì)量[1-2]、路用性能和使用壽命。壓實(shí)效果差會(huì)使路面強(qiáng)度降低，路面穩(wěn)定性變差，運(yùn)營(yíng)期間極易產(chǎn)生滲水、車(chē)轍等病害。為適應(yīng)日益繁重的交通壓力，提高瀝青路面的使用壽命，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)募?jí)配[3]。已有研究表明級(jí)配對(duì)瀝青混合料的壓實(shí)性能有很大的影響[4-5]，通過(guò)調(diào)整各集料用量，可以?xún)?yōu)化混合料內(nèi)部的嵌擠骨架，得到良好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，讓其更容易被壓實(shí)。馬翔等人[6]對(duì)粗、中、細(xì)型共18種瀝青混合料的壓實(shí)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)級(jí)配瀝青混合料越粗，密實(shí)度能量指數(shù)越高，瀝青混合料越難以被壓實(shí)。張黎紅等人[7]對(duì)AC-13、AC-20和AC-25 三種級(jí)配類(lèi)型的溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)特性研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最大公稱(chēng)粒徑相同時(shí)，級(jí)配越細(xì)越容易被壓實(shí)，而級(jí)配越粗高溫穩(wěn)定性能越好。馬峰等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于新型橡膠粉和抗車(chē)轍劑復(fù)合改性瀝青混合料，當(dāng)粗集料含量達(dá)到65%時(shí)，瀝青混合料密度最大。DAN等人[9]提出瀝青混合料內(nèi)部顆粒的應(yīng)力狀態(tài)可反映材料致密性的結(jié)論，得到瀝青混合料的壓實(shí)效果，發(fā)現(xiàn)開(kāi)級(jí)配瀝青混合料比密級(jí)配瀝青混合料和間斷級(jí)配瀝青混合料更容易達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)度。AI-AMMARI等人[10]研究了石灰?guī)r和花崗巖為集料的不同級(jí)配瀝青混合料的壓實(shí)性能。

在瀝青混合料的壓實(shí)特性研究中，通常采用貝雷法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線(xiàn)。在級(jí)配設(shè)計(jì)中，貝雷法是常用的方法之一，采用貝雷法參數(shù)CA、FAc和FAf評(píng)價(jià)礦料性質(zhì)。張宇等人[11]研究了貝雷法參數(shù)CA 值與密實(shí)能量指數(shù)、交通密實(shí)指數(shù)、SGC 集料嵌鎖點(diǎn)和密實(shí)度斜率的關(guān)系，認(rèn)為在最佳壓實(shí)特性情況下CA 值的取值范圍為0.4～0.8。李濤等人[12]研究了貝雷法在半剛性基層中配合比的應(yīng)用，得到了CA 值、FAc值和FAf值對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響。邢明亮等人[13]采用貝雷法、粗集料斷級(jí)配設(shè)計(jì)方法和灰色理論法，分析了各檔細(xì)集料篩孔與粗骨料骨架間隙率VCAmix的關(guān)系，得到SMA-5混合料的級(jí)配組成和篩孔的控制關(guān)鍵點(diǎn)。LYU 等人[14]通過(guò)HWT 試驗(yàn)評(píng)估了26種瀝青混合料的抗車(chē)轍性能，探討了FAc值與瀝青混合料抗車(chē)轍性能的關(guān)系。張爭(zhēng)奇等人[15]對(duì)美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃中推薦的粗、細(xì)型瀝青混合料的密實(shí)曲線(xiàn)進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線(xiàn)的曲線(xiàn)斜率和密實(shí)能指數(shù)可以反映瀝青混合料的壓實(shí)特性。王玉寶[16]通過(guò)密實(shí)曲線(xiàn)得到密實(shí)能指數(shù)（compaction energy index，簡(jiǎn)稱(chēng)為CEI）、密實(shí)度斜率k和交通密實(shí)能力指數(shù)（traffic density index，簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)DI）3 個(gè)參數(shù)，并以此評(píng)價(jià)瀝青混合料在施工階段和使用階段的壓實(shí)和密實(shí)趨勢(shì)。

級(jí)配可以影響瀝青混合料壓實(shí)效果。貝雷法是常用的級(jí)配設(shè)計(jì)方法之一，但通過(guò)貝雷法分析瀝青混合料壓實(shí)特性的研究較少。因此，本研究擬針對(duì)瀝青層壓實(shí)的工程需求，基于密實(shí)能指數(shù)，比較多種級(jí)配瀝青混合料的壓實(shí)特性。運(yùn)用貝雷法，結(jié)合偏最小二乘法分析，優(yōu)選出一種易壓實(shí)的瀝青混合料級(jí)配。

1 壓實(shí)特性試驗(yàn)方案及結(jié)果

密實(shí)曲線(xiàn)能反映壓實(shí)過(guò)程中瀝青混合料的密實(shí)度比（密實(shí)度/密實(shí)比）隨壓實(shí)次數(shù)的變化情況[15,17]。這條曲線(xiàn)能較好地反映瀝青混合料在施工階段和交通開(kāi)放后（在交通荷載作用下）密實(shí)度的變化情況。

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的規(guī)定，瀝青混合料在施工過(guò)程中需壓實(shí)到92%后才能開(kāi)放交通。密實(shí)能指數(shù)CEI 為瀝青混合料在鋪筑過(guò)程中，將密實(shí)曲線(xiàn)的密實(shí)比達(dá)到92%時(shí)所圍成的面積，當(dāng)作壓路機(jī)需要做的功。密實(shí)能指數(shù)CEI值越小，壓實(shí)過(guò)程中所需要的能量越少，施工和易性越好。室內(nèi)試驗(yàn)用從松散狀態(tài)壓實(shí)至密實(shí)比為96%時(shí)所需做的功（CEI96）表示瀝青混合料的壓實(shí)程度。因此，本研究采用密實(shí)能指數(shù)CEI和CEI96兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料的壓實(shí)特性。

本研究對(duì)壓實(shí)特性的評(píng)價(jià)方法為：通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀使試件成型，再測(cè)出各個(gè)試件的空隙率、密度等指標(biāo)，計(jì)算得到密實(shí)曲線(xiàn)和密實(shí)能量指數(shù)，最后評(píng)定瀝青混合料壓實(shí)特性。

本試驗(yàn)采用8種不同級(jí)配類(lèi)型瀝青混合料，具體級(jí)配與最佳油石比見(jiàn)表1。其中，LC-16A、LC-16B、LC-16C 和LC-16D 分別為對(duì)AC-16 部分篩孔進(jìn)行調(diào)整而形成的新級(jí)配。所用材料的基本性質(zhì)均滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定（JTG F40—2004），瀝青均為SBS改性瀝青。

本研究對(duì)表1中各瀝青混合料在不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)下，使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（superpave gyratory compactor，簡(jiǎn)稱(chēng)為SGC），得到成型直徑為10 cm的圓柱體試件。通過(guò)表干法測(cè)定各試件的空隙率，得到密實(shí)比。再通過(guò)各瀝青混合料密實(shí)曲線(xiàn)，計(jì)算各瀝青混合料CEI和CEI96值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)所用瀝青混合料材料組成Table 1 Material composition of asphalt mixture used in the test

由表2 可知：①SMA-16 與AC-16 和LC-16 混合料相比，較難被壓實(shí)。②瀝青混合料壓實(shí)至交通開(kāi)放時(shí)，LC-16B 較AC-16 節(jié)省14.4%的壓實(shí)功。當(dāng)瀝青混合料壓實(shí)到設(shè)計(jì)空隙率時(shí)，LC-16B 較AC-16 節(jié)省6.7%的壓實(shí)功，LC-16D 瀝青混合料與LC-16B 的壓實(shí)特性相當(dāng)。③級(jí)配類(lèi)型對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性有很大影響，SMA 為間斷級(jí)配，粗集料含量大，相比AC-16 等密級(jí)配混合料較難被壓實(shí)。④對(duì)于LC-16B、SMA-16-2、LC-16BS，粗細(xì)集料含量合理，粗集料懸浮于細(xì)顆粒之間，無(wú)法形成有效的嵌擠結(jié)構(gòu)，細(xì)集料與瀝青形成膠結(jié)料，填充于骨架間的孔隙中起潤(rùn)滑作用，使瀝青混合料更容易被碾壓密實(shí)。對(duì)于LC-16A、SMA-16-1和LC-16AS，其細(xì)集料含量多，比表面積大，壓實(shí)克服摩擦力需做的功也增大。對(duì)于LC-16C、SMA-16-3和LC-16CS，粗集料含量相對(duì)較高，壓實(shí)時(shí)需較多的能量用于克服粗集料棱角之間的摩擦。

表2 密實(shí)能指數(shù)CEI及CEI96試驗(yàn)結(jié)果表Table 2 Results of the CEI and CEI96

2 基于貝雷法參數(shù)的LC-16瀝青混合料級(jí)配再優(yōu)化

本試驗(yàn)結(jié)果表明：LC-16D 與LC-16B比AC-16更易被壓實(shí)。通過(guò)對(duì)LC-16瀝青混合料的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，先分析貝雷法參數(shù)對(duì)密實(shí)能指數(shù)的影響程度，再改變貝雷法參數(shù)，最后優(yōu)化LC-16瀝青混合料的級(jí)配。

2.1 貝雷法參數(shù)對(duì)密實(shí)能指數(shù)的影響程度分析

貝雷法是一套適用于瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的系統(tǒng)方法[18-19]，有CA 值、FAc值和FAf值3個(gè)參數(shù)。采用偏最小二乘回歸分析法，分析貝雷法三參數(shù)對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性的影響。

通過(guò)對(duì)玄武巖為礦料的8種級(jí)配瀝青混合料進(jìn)行計(jì)算，得到了CA 值、FAc值和FAf值，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各瀝青混合料貝雷法參數(shù)值Table 3 The Bailey method parameter of asphalt mixture

表3 中貝雷法參數(shù)的數(shù)量級(jí)和量綱與表2 的密實(shí)能指數(shù)CEI和CEI96存在很大差異，將各自變量值xij數(shù)據(jù)按照式（1）轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值ij，減小數(shù)量級(jí)和量綱差異帶來(lái)的影響。

式中：sxj和kxj分別為第j個(gè)自變量的樣本標(biāo)準(zhǔn)差和樣本均值，

對(duì)因變量yij標(biāo)準(zhǔn)化處理，其表達(dá)式為：

使用MATLAB 軟件對(duì)密實(shí)能指數(shù)CEI 和CEI96 與CA 值、FAc值和FAf值3 個(gè)獨(dú)立變量之間關(guān)系編寫(xiě)程序進(jìn)行分析，得到各貝雷法參數(shù)對(duì)CEI和CEI96的影響程度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 貝雷法參數(shù)對(duì)CEI及CEI96影響因子Fig.1 The Bailey method parameter to impact factor of the CEI and CEI96

從圖1中可以看出，瀝青混合料從松散狀態(tài)壓實(shí)至交通開(kāi)放狀態(tài)過(guò)程中，CA 值的影響最大，與CEI 呈正相關(guān)性，而FAc值和FAf值在該階段對(duì)壓實(shí)性能影響小。因此，該階段粗細(xì)集料含量合理時(shí)，可以省下很大的壓實(shí)功。當(dāng)瀝青混合料繼續(xù)壓實(shí)至設(shè)計(jì)空隙率時(shí)，F(xiàn)Ac值的影響增大，與密實(shí)能指數(shù)呈負(fù)相關(guān)性，F(xiàn)Af值對(duì)混合料壓實(shí)影響仍不大，但CA 值對(duì)其影響仍很大。因此，CA 值與瀝青混合料的壓實(shí)有密切關(guān)系，需進(jìn)一步研究CA 值對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性的影響。

2.2 LC-16混合料級(jí)配再優(yōu)化

在LC-16D 和LC-16B 混合料級(jí)配的基礎(chǔ)上，調(diào)配出LC-16E 瀝青混合料。當(dāng)篩孔尺寸分別為0.075、0.150、0.300、0.600、1.180、2.360、4.750、9.500、13.200、16.000 和19.000 mm 時(shí)，通過(guò)率分別為8.2%、8.9%、9.7%、13.4%、19.3%、29.0%、38.4%、57.0%、79.3%、95.0%和100%。LC-16E與LC-16D相比，最主要的區(qū)別在于9.500 mm集料通過(guò)率調(diào)整至57%時(shí)，CA 值為0.432。從旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)構(gòu)建密實(shí)曲線(xiàn)，計(jì)算出其CEI 值和CEI96值。其中，最佳油石比為5.2%。

由密實(shí)曲線(xiàn)計(jì)算得到LC-16E 的CEI 值、CEI96 值分別為22.86、220.42。對(duì)比表2，當(dāng)瀝青混合料壓實(shí)至交通開(kāi)放狀態(tài)時(shí)，LC-16E 與AC-16的瀝青混合料相比，壓實(shí)功減少了19.1%；當(dāng)瀝青混合料壓實(shí)到設(shè)計(jì)空隙率時(shí)，LC-16E 與AC-16 瀝青混合料相比，壓實(shí)功減少了14.5%。表明：9.500 mm 集料通過(guò)率對(duì)LC-16 混合料的壓實(shí)性能有很大的影響，CA 值的變化與瀝青混合料的壓實(shí)性能關(guān)系密切。LC-16E 混合料的路用性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，均符合規(guī)范的要求。

表4 LC-16E各項(xiàng)路用性能結(jié)果Table 4 Road performance of the LC-16E

3 LC-16E混合料的壓實(shí)特性分析

采用空隙率法和斜率法對(duì)LC-16E 和AC-16 混合料的壓實(shí)性能進(jìn)行對(duì)比。

1）空隙率法

對(duì)比相同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)時(shí)兩種瀝青混合料空隙率，可以直觀(guān)表明瀝青混合料的密實(shí)程度。LC-16E 和AC-16 兩種級(jí)配混合料在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為26 次時(shí)，16 組平行試件空隙率試驗(yàn)和均值結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種瀝青混合料空隙率和均值Fig.2 Porosity and average value of two asphalt mixtures

從圖2 中可以看出，16 組LC-16E 與AC-16 的空隙率均分布于均值附近，并且各平行試件空隙率差值較小。計(jì)算得到LC-16E 的平均空隙率為3.888%，AC-16 的為4.705%，LC-16E 的空隙率明顯小于AC-16的，表明LC-16E更易于被壓實(shí)。

2）斜率法

斜率法可以表征瀝青混合料在壓實(shí)過(guò)程中的敏感性，表明其從未碾壓松散狀態(tài)壓實(shí)至設(shè)計(jì)空隙率狀態(tài)時(shí)的壓實(shí)效果。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出LC-16E 的平均斜率為0.372，AC-16 的平均斜率為0.301。表明：LC-16E 更易被壓實(shí)，密實(shí)度增加更快，可以更早達(dá)到目標(biāo)空隙率。根據(jù)密實(shí)能指數(shù)、空隙率法和斜率法，均可得出LC-16E 比AC-16 更易于被壓實(shí)的結(jié)論。

4 結(jié)論

1）密實(shí)能指數(shù)CEI 值與CEI96 值的試驗(yàn)結(jié)果表明：LC-16＜AC-16＜SMA-16，LC-16 混合料更易于被壓實(shí)。

2）通過(guò)偏最小二乘法對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性分析，得出貝雷法三參數(shù)CA 值、FAc值和FAf值對(duì)CEI的影響因子分別為0.799 6、－0.037 3和0.107 5；CA 值、FAc值和FAf值對(duì)CEI96 的影響因子分別為0.694 2、－0.438 7 和－0.114 5。其中，CA 值的影響因子最大，呈正相關(guān)。

3）設(shè)計(jì)的LC-16E 混合料經(jīng)26 次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后，得出平均空隙率為3.888%，AC-16 的為4.805%。由斜率法算出LC-16E 的平均斜率為0.372，AC-16的平均斜率為0.301。表明：LC-16E 更易于被壓實(shí)。