壓實(shí)對(duì)AC-20 瀝青混合料性能影響研究

曹檢云 ,高凱凱

(1.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,長(zhǎng)沙 410125;2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院,北京 100029;3.交科院公路工程科技(北京)有限公司,北京 100088)

隨著我國(guó)公路交通的迅速發(fā)展,道路交通量和交通荷載不斷增加,對(duì)路面使用性能提出了更高的要求。然而,調(diào)查顯示部分瀝青路面在通車1～2年內(nèi)就出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍、開裂和水損壞等病害,導(dǎo)致行車安全及道路的使用壽命受到影響[1-2]。瀝青路面使用性能的主要影響因素包括原材料性能、混合料級(jí)配、壓實(shí)工藝等[3-5],而在原材料一定的情況下,壓實(shí)環(huán)節(jié)對(duì)路面性能尤為關(guān)鍵。如壓實(shí)不足,容易使混合料密實(shí)度小、空隙率大,導(dǎo)致車轍、水損壞等病害;如壓實(shí)過大,則會(huì)使集料壓碎、空隙率過小,導(dǎo)致混合料性能受影響,甚至出現(xiàn)路面泛油等病害[6-7]。因此,選擇合適的室內(nèi)壓實(shí)方法及現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)就顯得尤為重要。目前,瀝青混合料室內(nèi)壓實(shí)多采用馬歇爾法,其采用雙面擊實(shí)75次或112 次的錘擊法制備混合料試件,能較好地模擬壓實(shí)過程中鋼輪壓路機(jī)靜壓的狀態(tài),但是馬歇爾法的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)過低,容易導(dǎo)致顆粒擊碎[8]。為更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的振動(dòng)碾壓及膠輪壓實(shí),采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備混合料試件,并對(duì)其性能進(jìn)行研究[9]。本文采用馬歇爾法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法分別制備不同壓實(shí)次數(shù)下的AC-20 混合料試件,對(duì)其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,分析壓實(shí)方法對(duì)AC-20 混合料性能的影響,明確效果較好的瀝青混合料壓實(shí)方式及壓實(shí)功,以期為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論支持。

1 原材料及礦料級(jí)配

1.1 SBS 改性瀝青

試驗(yàn)采用SBS 改性瀝青,SBS 改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 SBS 改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 礦料

試驗(yàn)采用的集料為石灰?guī)r,規(guī)格為19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm 和0～4.75 mm,其中集料壓碎值為16.3%;礦粉由石灰?guī)r加工而成。礦料其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足路面施工技術(shù)規(guī)范要求。

1.3 混合料級(jí)配

試驗(yàn)采用混合料級(jí)配為AC-20C、AC-20、AC-20F,AC-20 混合料礦料級(jí)配如表2 所示。

表2 AC-20 混合料礦料級(jí)配

1.4 試驗(yàn)方案

通過馬歇爾法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法分別確定不同級(jí)配類型的AC-20 混合料的最佳油石比,不同成型方法混合料的最佳油石比如表3 所示。按照確定的最佳油石比,通過馬歇爾雙面擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次、75 次、100 次及125 次制備AC-20 混合料試件,測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度以及凍融劈裂強(qiáng)度比,并測(cè)試不同成型方法及壓實(shí)次數(shù)下混合料試件的密度;制備高溫車轍板試樣及低溫小梁彎曲試樣,測(cè)試其動(dòng)穩(wěn)定度及低溫抗裂性能。

由表3 可知,隨著壓實(shí)次數(shù)增加,采用馬歇爾法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備混合料的最佳油石比均呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì),而相同壓實(shí)次數(shù)下,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法混合料的最佳油石比略小于馬歇爾法的。這是由于相較于馬歇爾法,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法不僅能更好地模擬實(shí)際施工壓實(shí),而且其壓實(shí)功更大,相同壓實(shí)次數(shù)下其混合料的密實(shí)度更大,混合料的最佳油石比也會(huì)略有降低[10]。

表3 不同成型方法混合料的最佳油石比

2 壓實(shí)對(duì)AC-20 混合料路用性能的影響

2.1 高溫穩(wěn)定性

通過瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車轍試驗(yàn),測(cè)定混合料的馬歇爾穩(wěn)定度及動(dòng)穩(wěn)定度,以此作為評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)。AC-20混合料高溫穩(wěn)定性隨壓實(shí)次數(shù)改變的變化曲線如圖1 所示。其中,MAC-20 表示馬歇爾法制備的AC-20 混合料,GAC-20 表示旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備的AC-20 混合料,下同。

由圖1 可知,隨壓實(shí)次數(shù)的增多,擊實(shí)功增大,相同級(jí)配的混合料高溫穩(wěn)定性提升;且混合料高溫穩(wěn)定性隨擊實(shí)次數(shù)的增加,增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。壓實(shí)125 次制備出的AC-20 混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)于壓實(shí)75 次的混合料分別提升了20%和18%。當(dāng)壓實(shí)次數(shù)低于100 時(shí),粗級(jí)配瀝青混合料高溫穩(wěn)定性受擊實(shí)次數(shù)影響大于細(xì)級(jí)配瀝青混合料,在相同的擊實(shí)次數(shù)下,粗級(jí)配瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性較好。但當(dāng)壓實(shí)次數(shù)超過100 時(shí),AC-20 混合料的高溫穩(wěn)定性提升要大于其他兩種級(jí)配混合料。造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)擊實(shí)次數(shù)增加,擊實(shí)功隨之增大,瀝青混合料更加密實(shí),內(nèi)部集料間的相對(duì)滑動(dòng)便需要更多的外力作用,因此增強(qiáng)了混合料抵抗破壞和車轍損害的性能;而擊實(shí)次數(shù)增加到一定程度后,混合料內(nèi)部已經(jīng)基本處于完全密實(shí)狀態(tài),所以繼續(xù)增加擊實(shí)次數(shù),混合料高溫性能提升效果不再明顯;相對(duì)于細(xì)級(jí)配瀝青混合料,粗級(jí)配瀝青混合料中粗集料較多,顆粒間不易滑動(dòng),因此當(dāng)擊實(shí)功不足時(shí),難以達(dá)到密實(shí)狀態(tài),故其高溫穩(wěn)定性受擊實(shí)次數(shù)影響大于細(xì)級(jí)配瀝青混合料;由于粗集料間有一定的嵌擠力,相對(duì)移動(dòng)需要更多的能量,故粗級(jí)配瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于細(xì)級(jí)配瀝青混合料。但如壓實(shí)次數(shù)過多,粗級(jí)配混合料中粗顆粒被擊碎,混合料的骨架結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定影響,導(dǎo)致其高溫性能增加受限,所以AC-20 混合料的粗集料顆粒破碎程度相對(duì)較小,其混合料高溫穩(wěn)定性增加更大[11-12]。同時(shí),相較馬歇爾法制備的AC-20 混合料試樣,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法所制備試樣的高溫穩(wěn)定性明顯提升;在相同壓實(shí)次數(shù)下,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法所制備試樣的馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度相較馬歇爾法制備的試樣分別提升了13%和15%。這是由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法利用揉搓壓實(shí)使制備試樣的密實(shí)度增加,混合料的性能得以提升。

2.2 低溫抗裂性

通過-10 ℃環(huán)境下的瀝青混合料彎曲試驗(yàn),測(cè)定混合料發(fā)生低溫開裂時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度及破壞應(yīng)變,以此作為評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性的指標(biāo)。AC-20 混合料低溫抗裂性隨壓實(shí)次數(shù)改變的變化曲線如圖2 所示。

由圖2 可知,隨壓實(shí)次數(shù)增多,擊實(shí)功增大,相同級(jí)配的混合料的低溫抗裂性提升;混合料低溫抗裂性隨擊實(shí)次數(shù)的增加,提升趨勢(shì)逐漸變緩,粗級(jí)配瀝青混合料低溫抗裂性受擊實(shí)次數(shù)影響大于細(xì)級(jí)配瀝青混合料;在相同的擊實(shí)次數(shù)下,細(xì)級(jí)配瀝青混合料的低溫抗裂性較好。相較壓實(shí)75次的AC-20 混合料試樣,壓實(shí)125 次制備出的混合料試樣的抗彎拉強(qiáng)度及破壞應(yīng)變分別提升了4%和3%。當(dāng)擊實(shí)次數(shù)增加,混合料密實(shí)度增大,黏結(jié)力增強(qiáng),抗彎拉強(qiáng)度提升,破壞應(yīng)變提升。低溫環(huán)境下,瀝青含量對(duì)混合料抗裂性能影響較大,細(xì)級(jí)配瀝青混合料最佳油石比較大,因此低溫抗裂性較好。由于瀝青在低溫環(huán)境下呈現(xiàn)硬脆特性,因此細(xì)級(jí)配瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度提升較多,破壞應(yīng)變提升幅度并不大。同時(shí),相同壓實(shí)次數(shù)下,相較使用馬歇爾法制備的AC-20 混合料試樣,使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備的試樣的低溫抗裂性明顯提升,使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備的試樣的抗彎拉強(qiáng)度及破壞應(yīng)變相較使用馬歇爾法制備的試樣分別提升了10%和5%。

2.3 水穩(wěn)定性

通過瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn),測(cè)定混合料凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度,計(jì)算混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比,以此作為評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性的指標(biāo)。AC-20 混合料水穩(wěn)定性隨壓實(shí)次數(shù)改變的變化曲線如圖3 所示。

由圖3 可知,級(jí)配相同的瀝青混合料隨擊實(shí)次數(shù)的增多,擊實(shí)功增大,混合料的水穩(wěn)定性提升,但提升幅度并不大;混合料凍融前后的抗拉強(qiáng)度隨擊實(shí)次數(shù)的增加,增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩,粗級(jí)配瀝青混合料水穩(wěn)定性受擊實(shí)次數(shù)影響大于細(xì)級(jí)配瀝青混合料;在相同的擊實(shí)次數(shù)下,細(xì)級(jí)配瀝青混合料的水穩(wěn)定性略好。相對(duì)于壓實(shí)75 次的AC-20 混合料試樣,壓實(shí)125 次制備試樣的凍融劈裂強(qiáng)度比提升了5%。隨著擊實(shí)次數(shù)增加,集料間黏結(jié)力增大,混合料抗拉強(qiáng)度提升,但影響混合料水穩(wěn)定性的主要因素是瀝青與集料表面的黏結(jié)能力,所以增加擊實(shí)次數(shù)對(duì)混合料的水穩(wěn)定性影響不大;細(xì)級(jí)配瀝青混合料雖然瀝青含量略大,一定程度上緩解了集料表面瀝青剝落的情況,但混合料都處在最佳油石比的情況下,3 種級(jí)配的瀝青混合料自由瀝青及結(jié)構(gòu)瀝青比例相近,故提升效果也不明顯。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備的混合料的密實(shí)程度更大,其混合料的抗水損害能力相對(duì)較強(qiáng),其凍融劈裂強(qiáng)度比也略大,相對(duì)提升了2%左右。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析了不同壓實(shí)次數(shù)及不同級(jí)配AC-20 混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性,結(jié)果如下。

(1) 隨著壓實(shí)次數(shù)增加,使用馬歇爾法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備混合料的最佳油石比均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),而相同壓實(shí)次數(shù)下,使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備的混合料試樣的最佳油石比略小于使用馬歇爾法制備的混合料試樣的最佳油石比。

(2) 隨著壓實(shí)次數(shù)增加,混合料的性能呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)。壓實(shí)125 次制備的混合料試樣的馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變以及凍融劈裂強(qiáng)度比,相對(duì)于壓實(shí)75 次的試樣分別提升了20%、18%、4%、3%和2%。

(3) 相同壓實(shí)次數(shù)下,使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備的混合料試樣的性能明顯優(yōu)于使用馬歇爾法制備的混合料試樣。使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備試樣的馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變以及凍融劈裂強(qiáng)度比,相對(duì)于壓實(shí)75 次的試樣分別提升了13%、15%、10%、5%和2%。