摘要：為了探究不同成型方式對(duì)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(yàn)，研究了馬歇爾擊實(shí)法、振動(dòng)壓實(shí)法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法（SGC法）對(duì)ARAC-13混合料的抗剪和抗水損性能的影響。結(jié)果表明：比對(duì)混合料試件體積指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，馬歇爾擊實(shí)法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法75次和振動(dòng)壓實(shí)法65 s的作用效果相當(dāng)，混合料空隙率VV、瀝青飽和度VFA值相近；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)后的混合料試件抗剪性能明顯優(yōu)于馬歇爾擊實(shí)法，振動(dòng)壓實(shí)85 s的抗剪強(qiáng)度值略低于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次值；在成型方式標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)次數(shù)下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的混合料試件抗水損能力最強(qiáng)，TSR值衰減速率最小，振動(dòng)壓實(shí)次之，馬歇爾擊實(shí)法再次之；通過對(duì)ARAC-13混合料的性能分析，推薦振動(dòng)壓實(shí)法的時(shí)間為85 s。

關(guān)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(hào)：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(shí)法，該方法成型裝置簡便，操作簡單，在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但隨著我國的交通量、車輛軸載不斷提升，對(duì)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(duì)路面的作用，采用落錘式擊實(shí)會(huì)一定程度上造成混合料集料破碎，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失真［1］。為此，道路行業(yè)從業(yè)者提出采用振動(dòng)壓實(shí)法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)。

現(xiàn)國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法能夠有效模擬車輛對(duì)瀝青路面荷載作用，成型的混合料試件比馬歇爾擊實(shí)法試件更加密實(shí)、均勻［2-4］。張方方等［5］通過實(shí)際工程，證明了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的瀝青混合料試件毛體積相對(duì)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(shí)。柴金玲等［6］的研究表明旋轉(zhuǎn)壓實(shí)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(shù)研究了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中集料的運(yùn)動(dòng)狀況，楊瑞華等［9］認(rèn)為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為100時(shí)，SAC型級(jí)配混合料的路用性能最優(yōu)。可知旋轉(zhuǎn)壓實(shí)技術(shù)已經(jīng)成熟，并取得了豐碩的成果。

相較于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)技術(shù)，振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)尚處于試驗(yàn)階段，目前研究成果主要集中在大粒徑混合料級(jí)配中。王天林等［10］采用不同成型方式，研究了ATB-30、AC-20級(jí)配混合料的力學(xué)性能，研究表明振動(dòng)壓實(shí)優(yōu)于馬歇爾擊實(shí)法。張毅等［11］基于試驗(yàn)試驗(yàn)研究了振動(dòng)壓實(shí)和馬歇爾擊實(shí)法對(duì)ATB-30路用性能的影響，結(jié)果表明振動(dòng)壓實(shí)的試件在抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度方面明顯優(yōu)于馬歇爾擊實(shí)法。此外張銀生、張玉山、蔣應(yīng)軍等［12-14］的研究均驗(yàn)證了振動(dòng)壓實(shí)的可靠性。

目前，瀝青混合料成型方法主要有馬歇爾擊實(shí)法、振動(dòng)壓實(shí)法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法。雖然研究成果較為豐碩，但主要集中于將振動(dòng)壓實(shí)或旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法與馬歇爾擊實(shí)進(jìn)行對(duì)比，鮮有將三種成型方法一起進(jìn)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(duì)橡膠瀝青混合料的路用性能影響，基于單軸貫入試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)研究成型方式對(duì)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(guān)聯(lián)，以期為工程實(shí)際和實(shí)驗(yàn)室壓實(shí)方法提供新的參考和依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用自研橡膠瀝青，該瀝青由70#基質(zhì)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(biāo)見表1。

試驗(yàn)采用石灰?guī)r碎石作為試驗(yàn)用粗、細(xì)集料，石灰粉為填料。其技術(shù)指標(biāo)如下頁表2所示。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

本文基于經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，擬定級(jí)配ARAC-13如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

為了研究成型方式對(duì)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(jí)配和油石比等參數(shù)，以確保只有成型方式是唯一的變量，并通過單軸貫入試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍、抗水損性能。

1.3.1 抗剪切性能試驗(yàn)

車轍作為瀝青路面中的一個(gè)常見病害，對(duì)車輛安全行駛和行車舒適性有著重要的影響。相關(guān)研究表明，目前車轍變形主要由瀝青路面剪切變形導(dǎo)致［15］，瀝青路面在車輛循環(huán)荷載作用下，瀝青混合料中骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位，蠕變累積形成失穩(wěn)變形［16］。單軸貫入試驗(yàn)作為一個(gè)有效評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料高溫性能的實(shí)驗(yàn)方法［17-18］，采用貫入強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，且孫立軍［19］的研究表明試驗(yàn)混合料的抗剪強(qiáng)度為貫入強(qiáng)度的0.339倍。試驗(yàn)用貫入試驗(yàn)壓頭直徑為28.5 mm，加載速度為1 mm/min，試驗(yàn)溫度為60 ℃。貫入強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度計(jì)算如式（1）、式（2）所示：

SD=（4P/πD2）（1）

τ=0.339SD（2）

式中：SD——應(yīng)力強(qiáng)度（MPa）；

P——破壞荷載（N）；

D——貫入試驗(yàn)壓頭直徑（mm）；

τ——剪切強(qiáng)度（MPa）。

1.3.2 抗水損性能試驗(yàn)

根據(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)混合料試件進(jìn)行0次、1次、3次、6次凍融循環(huán)，測定凍融循環(huán)后的混合料試件凍融劈裂強(qiáng)度值。

2 不同成型方法

2.1 馬歇爾法

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）的方法對(duì)ARAC-13混合料雙面擊實(shí)各75次。

2.2 振動(dòng)壓實(shí)法

振動(dòng)壓實(shí)法是模擬振動(dòng)壓路機(jī)工作原理的一種成型方法，設(shè)備主要由激振器、上車系統(tǒng)和下車系統(tǒng)組成。工作時(shí)，激振器兩塊偏心塊產(chǎn)生垂直方向的離心力對(duì)瀝青混合料進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)。振動(dòng)頻率設(shè)定為38 Hz，上車質(zhì)量為108 kg，下車質(zhì)量為167 kg［20］?！墩駝?dòng)密實(shí)法密級(jí)配瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范》（DB33-T2095-2018）中規(guī)定振動(dòng)壓實(shí)的時(shí)間為65 s，為研究振動(dòng)時(shí)間對(duì)橡膠瀝青混合料的性能影響，將振動(dòng)壓實(shí)時(shí)間設(shè)為55 s、65 s、75 s、85 s、95 s。

2.3 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法

根據(jù)T0736-2011試驗(yàn)方法，確定混合料試件成型過程中，壓實(shí)轉(zhuǎn)速為30 r/min±0.5 r/min；加載裝置水質(zhì)壓力為600 kPa±18 kPa；偏心距e為22 mm；外旋轉(zhuǎn)角度為1.25°±0.02°，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計(jì)次數(shù)為100次，最大次數(shù)為160次，并分別制備旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為75次、85次、100次、115次和125次的試件用于評(píng)價(jià)瀝青混合料性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 成型方法對(duì)混合料體積指標(biāo)的影響

試驗(yàn)測定了馬歇爾擊實(shí)法、振動(dòng)壓實(shí)法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型后的橡膠瀝青混合料試件體積指標(biāo)，如圖2所示。

由圖2可知，馬歇爾擊實(shí)雙面75次的VV、VFA值和振動(dòng)壓實(shí)65次、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)75次的效果相當(dāng)，振動(dòng)壓實(shí)85 s的VV值旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次相近。雙面擊實(shí)后的混合料試件VV值為4.4%，VFA值為71.7%；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)75次的VV值為4.5%，VFA值為71.3%，旋轉(zhuǎn)100次的VV值為3.3%；振動(dòng)壓實(shí)65 s后的VV值為4.5%，VFA值為71.1%；振動(dòng)壓實(shí)85 s的VV值為3.4%。此外，根據(jù)《振動(dòng)密實(shí)法密級(jí)配瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范》（DB33-T 2095-2018）中規(guī)定了振動(dòng)壓實(shí)的時(shí)間為65 s，Superpave級(jí)配設(shè)計(jì)法中規(guī)定，中等交通道路的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)次數(shù)為75次，中等至重等交通采用設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)次數(shù)100次，故現(xiàn)有的馬歇爾雙面擊實(shí)75次的混合料效果能夠滿足中等交通的路面級(jí)配設(shè)計(jì)，若路面交通量更大時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)更加合適。

3.2 成型方法對(duì)混合料抗剪性能的影響

基于單軸貫入試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了三種成型方法下的橡膠瀝青混合料的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)次數(shù)下的混合料試件抗剪性能明顯優(yōu)于振動(dòng)壓實(shí)和馬歇爾擊實(shí)設(shè)計(jì)指標(biāo)下測試數(shù)值。其中馬歇爾擊實(shí)75次后的抗剪強(qiáng)度值為1.44 MPa，振動(dòng)壓實(shí)65 s的抗剪強(qiáng)度值為1.55 MPa，與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)75次后的抗剪強(qiáng)度值1.52 MPa相近。在成型過程中，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的混合料同時(shí)受到水平和垂直方向的作用力，而振動(dòng)壓實(shí)和馬歇爾擊實(shí)法的混合料僅受到垂直方向的作用力，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)能讓混合料中粗集料更好的形成嵌擠結(jié)構(gòu)，故進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型的時(shí)間表現(xiàn)出更好的抗剪性能。

通過分析可知，振動(dòng)壓實(shí)85 s后的抗剪強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次的值相近。振動(dòng)壓實(shí)85 s后的抗剪強(qiáng)度為1.64 MPa，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次的抗剪強(qiáng)度值為1.67 MPa。故振動(dòng)壓實(shí)時(shí)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(duì)混合料抗水損性能的影響

基于凍融劈裂試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了三種成型方法下的橡膠瀝青混合料抗水損性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混合料試件的TSR值衰減速率增大，其中旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法下的時(shí)間TSR值衰減速率最慢，馬歇爾擊實(shí)法的TSR衰減最快。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的衰減速率分別是3.6%和4.4%，振動(dòng)壓實(shí)法65 s為5.0%和6.9%，振動(dòng)壓實(shí)法85 s為3.9%和4.7%，馬歇爾擊實(shí)法為6.3%和10.7%。瀝青混合料試件在凍融循環(huán)過程中，對(duì)瀝青膠漿、瀝青砂漿和集料膠結(jié)處均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在低溫環(huán)境中，混合料試件在凍脹力的作用下，產(chǎn)生微裂縫，空隙增加，主要表現(xiàn)為粘聚破壞；在恒溫水浴環(huán)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(dǎo)致瀝青膜剝落?；旌狭显嚰趦鋈谘h(huán)過程中不斷受到破壞，導(dǎo)致TSR值衰退速率加快，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的混合料試件密實(shí)程度高，抗水損性能更強(qiáng)。

4 結(jié)語

（1）通過比對(duì)不同成型方式下的混合料試件體積指標(biāo)值，發(fā)現(xiàn)馬歇爾擊實(shí)雙面75次的VV、VFA值和振動(dòng)壓實(shí)65次、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)75次的值相近，振動(dòng)壓實(shí)85 s后的VV值接近旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次的VV值。

（2）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)的混合料試件抗剪強(qiáng)度優(yōu)于馬歇爾擊實(shí)法，振動(dòng)壓實(shí)65 s的抗剪強(qiáng)度值與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)75次的值相近，振動(dòng)壓實(shí)85 s的抗剪強(qiáng)度值略低于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次的值。

（3）對(duì)混合料試件進(jìn)行多次凍融循環(huán)，試驗(yàn)表明，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)次數(shù)下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的瀝青混合料試件，抗水損強(qiáng)度最佳，TSR值衰減速率最小，振動(dòng)壓實(shí)法次之，馬歇爾擊實(shí)法再次之。

（4）通過對(duì)ARAC-13混合料試件體積指標(biāo)及路用性能分析后，推薦振動(dòng)壓實(shí)時(shí)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(yàn)檢測師，主要從事公路水運(yùn)工程質(zhì)量檢測、公路養(yǎng)護(hù)工程施工質(zhì)量管理工作。