瀝青道面修補(bǔ)材料和易性指標(biāo)及影響因素

廖小芳，凌建明，章暉毓，袁 捷

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，寧波 315012）

瀝青道面修補(bǔ)材料和易性指標(biāo)及影響因素

廖小芳1，凌建明1，章暉毓2，袁 捷1

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，寧波 315012）

按照馬歇爾設(shè)計(jì)方法，雙面擊實(shí)75次，在進(jìn)行機(jī)場瀝青道面修補(bǔ)材料配合比設(shè)計(jì)的同時(shí)，測試馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次的空隙率和試件高度，提出了機(jī)場瀝青混合料施工和易性的評價(jià)指標(biāo)“h0”，將其作為配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)參考指標(biāo)，并分析了油石比、級配組成以及擊實(shí)溫度對機(jī)場瀝青混合料施工和易性的影響。試驗(yàn)研究表明：瀝青用量越多，施工和易性越好，粗集料用量越多，施工和易性越差，溫度越高，施工和易性越好。

機(jī)場工程；瀝青道面；修補(bǔ)材料；施工和易性；SMA-13

機(jī)場瀝青道面在使用過程中受飛機(jī)荷載、自然環(huán)境等因素的影響，將逐漸產(chǎn)生各種破損，危及飛行安全。而熱拌瀝青混合料具有修補(bǔ)質(zhì)量好、承載能力強(qiáng)、耐久性高的優(yōu)點(diǎn)，故常被用作瀝青道面的永久性修補(bǔ)材料。但熱拌瀝青混合料也暴露出不少問題，究其原因，混合料盡管在試驗(yàn)室合格并滿足要求，但在施工過程中，機(jī)械、拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓和溫度都發(fā)生變化，使得混合料性能也發(fā)生變化，甚至不滿足設(shè)計(jì)要求。而這些變化對于機(jī)場瀝青道面修復(fù)材料尤為明顯，因?yàn)闄C(jī)場瀝青道面的修補(bǔ)作業(yè)大多屬于不停航的夜間施工，在施工現(xiàn)場，瀝青混合料降溫較快，如果混合料不易于拌和與碾壓，即施工和易性差，將嚴(yán)重影響修補(bǔ)材料的粘結(jié)性能和碾壓質(zhì)量。加之機(jī)場夜間航班間隙只有4～5 h，修復(fù)時(shí)間有限，也降低了其碾壓的密實(shí)度，影響其修復(fù)的效果。所以，要使機(jī)場瀝青道面具有良好的耐久性，瀝青混合料除了具有良好的高溫性能、低溫性能、疲勞性能和水穩(wěn)定等性能外，還須具有良好的施工和易性，根據(jù)瀝青道面所處的地理、氣候情況，進(jìn)行合理的組成材料設(shè)計(jì)，才能保證其施工質(zhì)量。故本文提出了施工和易性的評價(jià)指標(biāo)，將其作為機(jī)場瀝青道面修補(bǔ)材料配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)指標(biāo)，并分析了瀝青用量、級配組成及擊實(shí)溫度對其的影響。

1 施工和易性

瀝青混合料的施工和易性是用于評價(jià)瀝青混合料攤鋪和碾壓難易程度特性的一個(gè)重要指標(biāo)，如果瀝青混合料施工和易性良好，則易于攤鋪和碾壓，因此施工和易性將直接影響到瀝青道面修復(fù)后舒適性和壓實(shí)度等指標(biāo)。但是迄今為止，國內(nèi)外對瀝青混合料的和易性研究較少，美國Gudimettla J M等[1]對熱拌瀝青混合料的和易性進(jìn)行了相關(guān)研究，指出混合料類型、最大公稱粒徑、膠結(jié)料類型和溫度是影響混合料和易性的主要因素。侯曙光[2]利用自行研制的瀝青混合料和易性指數(shù)測試儀測試溫拌及熱拌瀝青混合料和易性變化規(guī)律，混合料公稱最大粒徑越大，和易性越差。隨著溫度升高，粒徑較小的混合料和易性提升幅度較大。郭平，段凌云[3]采用自行開發(fā)的瀝青混合料和易性試驗(yàn)儀對Sasobit溫拌瀝青混合料的和易性進(jìn)行評價(jià)，指出熱拌瀝青混合料隨著拌和溫度的降低，混合料的和易性呈線性關(guān)系變差，而Sasobit溫拌瀝青混合料，當(dāng)溫度高于140℃時(shí)，溫度對混合料的和易性幾乎沒有影響。楊朋和張肖寧[4]則基于瀝青混合料的壓實(shí)特性提出了施工和易性指數(shù)的概念。但目前施工和易性試驗(yàn)儀應(yīng)用并不廣，在瀝青道面修復(fù)過程中只以不低于攤鋪溫度來保證混合料的質(zhì)量要求，沒有一個(gè)評價(jià)指標(biāo)評價(jià)瀝青混合料的工作性。鑒于此，本文提出了施工和易性的評價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 施工和易性評價(jià)指標(biāo)

施工和易性與壓實(shí)性能密切相關(guān)，通常認(rèn)為，壓實(shí)性能好的瀝青混合料具有良好的施工和易性。而馬歇爾試件的空隙率和高度很大程度上反映了瀝青混合料壓實(shí)的難易程度。即在一定質(zhì)量下，試件達(dá)到相同的空隙率或高度所需要的擊實(shí)次數(shù)越少，則認(rèn)為壓實(shí)性能越好；或在相同的擊實(shí)次數(shù)條件下，馬歇爾試件的空隙率或高度越小，則認(rèn)為壓實(shí)性能越好。因此，馬歇爾試件的空隙率或高度可以反映瀝青混合料施工和易性的好壞。同時(shí)考慮機(jī)場不停航的夜間施工，在有限的時(shí)間內(nèi)，瀝青混合料有可能未充分碾壓就開放交通，故本文提出以馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次的空隙率VV或試件高度h為基礎(chǔ)來評價(jià)機(jī)場瀝青道面修補(bǔ)材料的施工和易性。

在室內(nèi)試驗(yàn)中，任何兩個(gè)馬歇爾試件的干重幾乎都不相同，而馬歇爾試件模具的尺寸是一樣的，由此可知，試件質(zhì)量必定會影響試件擊實(shí)后的高度。所以，馬歇爾試件的高度必須換算至同一質(zhì)量下才具有可靠的對比性。為此，提出施工和易性馬歇爾試件換算質(zhì)量m0的確定方法：測試馬歇爾試件雙面擊實(shí)75次條件下的試件高度，將合格試件高度下限62.2 mm[5]對應(yīng)的空氣中干重作為施工和易性評價(jià)的換算質(zhì)量m0。另外，質(zhì)量相差較大的兩個(gè)試件的壓實(shí)效果并不相同，為了減小質(zhì)量對試件高度的影響，提出施工和易性馬歇爾試件的合格標(biāo)準(zhǔn)：試件空氣中干重m干必須在m0±20 g的范圍之內(nèi)。

由此可得到雙面擊實(shí)50次馬歇爾試件換算高度h0的計(jì)算公式為

式中：h0為換算高度（cm）；m0為換算質(zhì)量（g）；m干為馬歇爾試件空氣中干重實(shí)測值（g）；h干為馬歇爾試件高度實(shí)測值（cm）。

通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同級配、不同油石比以及不同溫度下馬歇爾試件的空隙率VV與換算高度h0之間存在線性關(guān)系，如圖1所示。同時(shí)考慮到試驗(yàn)指標(biāo)的簡潔性，本文提出以馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次所對應(yīng)的換算高度h0作為施工和易性的評價(jià)指標(biāo)，h0越小，施工和易性越好。

圖1 換算高度與空隙率關(guān)系曲線Fig.1 Curvilinearrelation between conversion heightand void volume

1.2 施工和易性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)規(guī)程[6]中規(guī)定，機(jī)場瀝青混合料馬歇爾試件擊實(shí)次數(shù)為雙面75次，試驗(yàn)規(guī)程[5]中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的高度為63.5±1.3 mm。在雙面擊實(shí)50次條件下，若換算高度依然小于標(biāo)準(zhǔn)試件的高度上限，即小于64.8 mm，則認(rèn)為施工和易性至少為“良”，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試件高度中值63.5 mm將其分為“優(yōu)”和“良”兩個(gè)等級。當(dāng)換算高度小于63.5 mm，認(rèn)為此瀝青混合料的施工和易性為“優(yōu)”；當(dāng)換算高度大于63.5 mm且小于64.8 mm，認(rèn)為此瀝青混合料的施工和易性為“良”。規(guī)范[6]中對SMA混合料的空隙率要求為3%～5%。室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次的條件下，空隙率為5%時(shí)試件的換算高度約為65.8 mm，所以當(dāng)換算高度大于65.8 mm，認(rèn)為此瀝青混合料的施工和易性為“差”；當(dāng)換算高度大于64.8 mm且小于65.8 mm，認(rèn)為此瀝青混合料的施工和易性為“中”，如表1所示。

2 配合比組成

2.1 原材料

粗集料選用玄武巖碎石和石灰?guī)r碎石，前者的規(guī)格為10～15 mm和5～10 mm，后者的規(guī)格為3～5 mm。玄武巖10～15 mm、5～10 mm以及石灰?guī)r3～5 mm這3種規(guī)格粗集料的表觀密度分別為2.731 g·cm-3、2.735 g· cm-3和2.739 g·cm-3；毛體積相對密度分別為2.701 g· cm-3、2.681 g·cm-3、2.672 g·cm-3；吸水率分別為0.40%、0.74%和0.91%。細(xì)集料采用石灰?guī)r石屑0～3 mm，表觀相對密度為2.690 g·cm-3。填料采用石灰?guī)r礦粉，表觀相對密度為2.711 g·cm-3。瀝青采用殼牌-011T改性瀝青，密度為1.03 g·cm-3，25℃針入度為5.7 mm，軟化點(diǎn)80℃，5℃延度為34 cm，135℃運(yùn)動粘度為1 813 mPas，針入度比大于65%，5℃殘留延度為20 cm。纖維采用腈綸纖維，比重為1.36 g·cm-3。

表1 SMA瀝青混合料施工和易性標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Workability standards of SMA asphalt mixture

2.2 目標(biāo)級配

根據(jù)規(guī)范[6]要求，以4.75 mm篩孔通過率為控制點(diǎn)，初試三組級配，初試級配4.75 mm篩孔通過率控制在24%、27%和30%左右。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)[6-9]，選擇初試油石比6.0%成型3組馬歇爾試件，腈綸纖維用量為熱拌瀝青混合料質(zhì)量的0.3%，馬歇爾試件擊實(shí)成型溫度為170℃～175℃，考慮到機(jī)場荷載的重型特點(diǎn)，馬歇爾試件成型的擊實(shí)次數(shù)定為75次/面。測試馬歇爾試件的空隙率VV、礦料間隙率VMA、瀝青混合料試件粗集料間隙率VCAmix、粗集料松裝間隙率VCADRC和瀝青飽和度VFA等體積參數(shù)，確定各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求的目標(biāo)級配組成如表2所示。

根據(jù)所選的目標(biāo)級配，在初試油石比6.0%的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大瀝青用量范圍，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。以0.2%為間隔，選定5個(gè)油石比：5.6%、5.8%、6.0%、6.2%、6.4%。在5種油石比條件下成型馬歇爾試件，雙面擊實(shí)75次，測試不同油石比時(shí)馬歇爾試件的體積參數(shù)和力學(xué)性能指標(biāo)，測試結(jié)果表明，目標(biāo)級配馬歇爾試件體積參數(shù)和力學(xué)性能均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的油石比范圍為6.2%～6.4%。

表2 目標(biāo)級配配合比組成Tab.2 Proportion components of object gradations

2.3 性能檢驗(yàn)

從滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的油石比范圍中選擇油石比6.2%成型馬歇爾試件，雙面擊實(shí)50次條件下的換算高度為64.65 mm，根據(jù)表1的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，施工和易性等級為“良”；雙面擊實(shí)75次，進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和粘結(jié)性等性能檢驗(yàn)，測試結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)油石比為6.2%時(shí)，上述機(jī)場瀝青道面修補(bǔ)材料包括施工和易性在內(nèi)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范和技術(shù)要求。

3 施工和易性影響因素

3.1 油石比

按照h0的評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，分析油石比對施工和易性的影響。油石比以0.2%為間隔，從5.6%到6.4%。測試不同油石比馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次條件下的換算高度h0和空隙率VV，試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖2所示。

表3 機(jī)場溫拌瀝青修補(bǔ)材料技術(shù)指標(biāo)匯總Tab.3 Specification test results of airport warm asphalt repair material

由表4和圖2可知：馬歇爾試件空隙率和換算高度隨油石比的變化趨勢大致相同，以換算高度h0來評價(jià)瀝青混合料的施工和易性，油石比為5.6%、5.8%、6.0%、6.2%和6.4%時(shí)，所對應(yīng)的施工和易性評價(jià)等級分別為“中”、“中”、“良”、“良”和“良”，說明油石比越高，瀝青混合料的施工和易性越好。另外，當(dāng)油石比低于6.0%，油石比對施工和易性的影響較大，當(dāng)油石比高于6.0%時(shí)，影響較小。

表4 油石比對施工和易性的影響Tab.4 Influence of bitumen aggregate ratio to workability

圖2 油石比與換算高度或空隙率關(guān)系曲線Fig.2 Curvilinear relation between bitumen aggregate ratio and conversion height or void volume

3.2 粗集料含量

按照h0的評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，分析粗集料含量對施工和易性的影響。選取3組級配，3組級配4.75 mm篩孔通過率分別為30.1、27.1和24.2。測試不同級配馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次條件下的換算高度h0和空隙率VV，結(jié)果如表5和圖3所示。

表5 級配組成對空隙率和試件換算高度的影響Tab.5 Influence of gradation composition to void volume and conversion height

由表5和圖3可知：馬歇爾試件空隙率和換算高度隨粗集料含量呈線性變化，以換算高度h0來評價(jià)，級配一、級配二和級配三對應(yīng)的施工和易性評價(jià)等級分別為：“優(yōu)”、“良”、“差”。級配一的粗集料含量最少，級配二次之，級配三最多，表明粗集料含量越高，施工和易性越差。

圖3 級配組成與換算高度或空隙率關(guān)系曲線Fig.3 Curvilinear relation between gradation composition and conversion height or void volume

3.3 擊實(shí)溫度

按照h0的評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，分析擊實(shí)溫度對施工和易性的影響。擊實(shí)溫度以20℃為間隔，從120℃變化到180℃。測試不同擊實(shí)溫度馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次條件下的換算高度h0和空隙率VV，結(jié)果如表6和圖4所示。

表6 擊實(shí)溫度對空隙率和試件換算高度的影響Tab.6 Influence of compaction temperature to void volume and conversion height

由表6和圖4可知：馬歇爾試件的空隙率和換算高度都隨擊實(shí)溫度的升高先減小后基本保持穩(wěn)定。以換算高度h0來評價(jià)，在擊實(shí)溫度為120℃、140℃、160℃和180℃時(shí)，所對應(yīng)的評價(jià)等級為“差”、“差”、“中”和“良”，說明擊實(shí)溫度越高，瀝青混合料的施工和易性越好。另外，當(dāng)擊實(shí)溫度小于140℃時(shí)，隨溫度升高，換算高度急劇下降，溫度對施工和易性影響較大，當(dāng)擊實(shí)溫度大于140℃時(shí)，隨著溫度的升高，換算高度緩慢下降，溫度對其影響較小。

圖4 擊實(shí)溫度與換算高度或空隙率關(guān)系曲線Fig.4 Curvilinear relation between bitumen aggregate ratio and conversion height or void volume

4 結(jié)語

1）針對機(jī)場瀝青道面不停航施工的修補(bǔ)特點(diǎn)，以馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次所對應(yīng)的試件高度h為基礎(chǔ)提出了機(jī)場瀝青道面修補(bǔ)材料施工和易性的評價(jià)指標(biāo)h0，并將其與馬歇爾試件的空隙率進(jìn)行對比分析，研究表明，施工和易性的評價(jià)指標(biāo)h0與空隙率VV存在一定的線性關(guān)系。

2）通過測試機(jī)場修補(bǔ)用瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、粘結(jié)性和施工和易性等性能，確定了機(jī)場溫拌瀝青修補(bǔ)材料的原材料生產(chǎn)配比：10 mm～15 mm：5 mm～10 mm：3 mm～5 mm：0～3 mm：礦粉為48：29：1：12：10，腈綸纖維摻量為0.3%，最佳油石比為6.2%。試驗(yàn)表明其生產(chǎn)配比滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，施工和易性良好。

3）油石比越大，施工和易性越好，對于上述機(jī)場瀝青道面修補(bǔ)材料，當(dāng)油石比低于6.0%，油石比對施工和易性的影響較大，當(dāng)油石比大于6.0%時(shí)，影響較??；粗集料用量越多，施工和易性越差；擊實(shí)溫度越高，瀝青混合料的施工和易性越好，對于上述瀝青混合料，當(dāng)擊實(shí)溫度小于140℃時(shí)，擊實(shí)溫度對施工和易性影響較大，當(dāng)擊實(shí)溫度大于140℃時(shí)，施工和易性隨擊實(shí)溫度的變化較小。

[1]GUDIMETTLA J M，COOLEY L A，BROWN ER.Workability of hotmix asphalt[R].NCAT Report 03-03 2003.

[2]侯曙光.熱拌與溫拌瀝青混合料和易性試驗(yàn)[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，33（5）：36-39.

[3]郭 平，段凌云.Sasobit溫拌瀝青混合料和易性研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，43（1）：119-123.

[4]楊 朋，張肖寧.橡膠瀝青混合料壓實(shí)性能研究[J].公路工程，2009，34（4）：141-144.

[5]公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].中華人民共和國交通部，2000.

[6]民用機(jī)場瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范[S].中國民用航空總局，2000.

[7]公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國交通部，2004.

[8]民用機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國民用航空總局，2000.

[9]李立寒，張南鷺.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2008.

（責(zé)任編輯：黃 月）

Workability index and influence factors of asphalt pavement repair material

LIAO Xiao-fang1，LING Jian-ming1，ZHANG Hui-yu2，YUAN Jie1
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Ningbo Urban Construction Design Institute，Ningbo 315012，China）

According to Marshall Design method，after 75 times compaction for each face of Marshall sample，the proportion design of asphalt pavement repair material is presented.Void volume and height of Marshall sample with 50 times compacted are tested，evaluation indexes of workability“h0”for airport mix asphalt is proposed.“h0”is regarded as one of the proportion design indexes.The influence of bitumen aggregate ratio，gradation composition and compaction temperature to workability of airport mix asphalt are analyzed.These studies indicate that the more bitumen，the better workability is，the more coarse aggregate，the worse workability is，the higher temperature，the better workability is.

airport engineering；asphalt pavement；repair material；workability；SMA-13

V35；U414

：A

：1674-5590（2014）01-0046-05

2012-06-08；

：2012-10-18

廖小芳（1988—），男，湖南永州人，碩士，研究方向?yàn)榈缆放c機(jī)場工程.