垂直振動壓實法成型SMA-13混合料體積參數(shù)設(shè)計標準研究

蔣 應(yīng) 軍， 倪 辰 秧， 張 宇， 鄧 長 清， 張 偉， 楊 迪 鋒， 薛 金 順

(1.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.湖北文理學院 土木工程與建筑學院，湖北 襄陽 441053)

0 引 言

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)因其良好的路用性能被廣泛應(yīng)用于路面面層[1].目前，Marshall 法、GTM法和Superpave法仍是設(shè)計SMA混合料最具代表性的方法[2].然而，長期工程經(jīng)驗表明Marshall法壓實標準偏低，且在壓實過程中集料被擊碎的情況比較嚴重，這不僅造成集料級配的變化，而且會影響對實際路用性能預(yù)測的準確性，亦會影響SMA混合料的配合比設(shè)計[3-7].GTM法和Superpave法模擬現(xiàn)場受力情況對試件進行搓揉壓實和旋轉(zhuǎn)壓實，與現(xiàn)場相關(guān)性強，但由于壓實設(shè)備過于昂貴而難以普及，同時混合料壓實功要求高，用作表面層時，其抗疲勞性能可能不足[8-10].因此，本文采用與現(xiàn)行交通標準和施工現(xiàn)場實際壓實效果更接近的垂直振動壓實法(VVCM)進行SMA混合料設(shè)計[11-12].

目前SMA混合料配合比設(shè)計方法為體積設(shè)計法，體積參數(shù)是反映混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、影響混合料性能的重要因素[13-15].在混合料級配和試驗條件相同的情況下，壓實功和油石比對體積參數(shù)有較大的影響.因此，當壓實標準發(fā)生變化時，體積參數(shù)指標將發(fā)生變化，最佳油石比也會發(fā)生變化.本文研究當采用VVCM成型SMA-13混合料試件時，體積參數(shù)與混合料性能之間的相關(guān)關(guān)系，并以力學性能最佳為原則，提出VVCM成型SMA-13混合料體積參數(shù)標準.

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

(1)瀝青

瀝青采用韓國雙龍牌SBS改性瀝青，其技術(shù)性質(zhì)見表1.

表1 SBS改性瀝青技術(shù)性質(zhì)

(2)集料

試驗集料均來自陜西商洛，其中粗集料為玄武巖碎石，細集料為石灰?guī)r機制砂，礦粉為石灰?guī)r礦粉.

1.2 礦料級配

本文選擇3種不同的級配類型成型試件，分別為中國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004，記為CH)、美國AASHTO規(guī)范(記為AM)和澳大利亞標準AS2150(記為AU)中SMA-13對應(yīng)的級配中值，見表2.采用的油石比分別為4.8%、5.1%、5.4%、5.7%和6.0%.

表2 礦料級配

1.3 試件成型方案

將所需集料放入(105±5)℃的烘箱中烘干至恒重后加入拌和鍋，均勻拌和粗集料和細集料，然后將準確稱量的瀝青加入，開啟拌和鍋再次攪拌.礦粉應(yīng)單獨加入充分攪拌.總拌和時間為180 s.

垂直振動壓實儀是VVCM的核心，其構(gòu)造見圖1.結(jié)合課題組已有研究成果[16-17]，垂直振動壓實儀工作參數(shù)為工作頻率37 Hz，名義幅度1.2 mm，上車系統(tǒng)質(zhì)量108 kg，下車系統(tǒng)質(zhì)量167 kg.試件成型時，將SMA-13混合料裝入試模，振動壓實65 s.

圖1 垂直振動壓實儀的構(gòu)造

2 SMA-13混合料成型方法評價

為了評價提出的SMA-13混合料成型方法，選擇不同成型方法(Marshall法、SGC法和VVCM)制備油石比5.7%的SMA-13混合料試件各6個，測試并分析其體積參數(shù)和力學性能變化情況.其中，VVCM采用振動時間為65 s；Marshall 法為雙面擊實75次，重型Marshall法為雙面擊實155次；SGC法為旋轉(zhuǎn)壓實100次.

2.1 體積參數(shù)

SMA-13混合料VVCM試件、Marshall試件和SGC試件的體積參數(shù)見表3.

由表3知，VVCM試件和重型Marshall試件兩者的密度接近重交通壓實標準的密度，約為1.02倍的Marshall試件密度，且二者的體積參數(shù)基本一致，其中空隙率明顯小于Marshall試件的，說明二者的壓實功基本相同.SGC試件的密度比VVCM試件和重型Marshall試件的略小，是Marshall試件的1.01倍，說明SGC旋轉(zhuǎn)壓實100次的壓實功比VVCM和重型Marshall試件的略小，但是比Marshall試件的大.

表3 不同成型方法試件的體積參數(shù)

2.2 力學性能

SMA-13混合料VVCM、Marshall和SGC試件的力學強度見表4，試件的制備和試驗過程均按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)進行.

表4 不同成型方法SMA-13混合料試件力學強度

由表4知，VVCM試件的穩(wěn)定度、抗壓強度、劈裂強度和抗剪強度分別是標準Marshall試件的1.37、1.21、1.31和1.39倍，平均高32%；而VVCM試件的穩(wěn)定度、抗壓強度、劈裂強度和抗剪強度分別是重型Marshall試件的1.11、1.06、1.10和1.11倍，平均高9%；同時，VVCM試件的穩(wěn)定度、抗壓強度、劈裂強度和抗剪強度分別是SGC試件的1.05、1.02、1.05和1.09倍，平均高5%.這說明雖然重型Marshall法和VVCM的壓實功相當，但是相對于重型Marshall法，VVCM振動對提升SMA-13混合料試件的力學性能有幫助，且其性能略優(yōu)于SGC試件的，說明VVCM相對于SGC法能提升SMA-13混合料的力學性能.

3 體積參數(shù)對SMA-13混合料的力學性能影響及設(shè)計標準

3.1 空隙率對力學性能影響及設(shè)計標準

3.1.1 油石比對空隙率的影響 空隙率是壓實混合料空隙體積占總體積的百分率，是瀝青混合料設(shè)計時一個重要的體積參數(shù)指標，也是瀝青混合料性能的主要影響因素[18].油石比r對瀝青混合料空隙率e的影響見圖2.

圖2 油石比對空隙率影響

由圖2知，壓實功相同時，礦料級配及油石比對壓實瀝青混合料空隙率影響顯著.隨著油石比增大，不同礦料級配的SMA-13混合料空隙率均近似線性降低，這是因為當瀝青用量較少時，瀝青潤滑作用較弱，礦料顆粒間摩擦力比較大，壓實功無法將礦料壓密，所以隨著瀝青用量的增加，瀝青不斷填充礦料空隙，空隙率逐漸降低.

3.1.2 空隙率對力學性能的影響 根據(jù)SMA-13混合料VVCM試件力學性能與體積參數(shù)之間關(guān)系試驗結(jié)果，繪制力學性能與空隙率曲線，見圖3.其中Ms為試件的馬歇爾穩(wěn)定度，Rc為試件的抗壓強度，τd為試件的抗剪強度，Ri為試件的劈裂強度，Smax表示各曲線峰值，R表示曲線標準差.

由圖3知，隨著空隙率增大，SMA-13混合料各力學性能呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律.這是因為當原材料、級配類型和試件成型方法一定時，SMA-13混合料油石比越大，空隙率越小.

圖3 空隙率對力學性能影響

3.1.3 空隙率設(shè)計標準 空隙率與力學性能函數(shù)見表5，表中e代表Smax對應(yīng)的空隙率，emin、emax代表0.95Smax對應(yīng)的空隙率范圍.

由表5知，各力學性能最大值對應(yīng)的空隙率最小為3.25%，最大為3.37%.考慮實際施工時的情況，建議采用0.95Smax對應(yīng)的空隙率作為設(shè)計標準.各項力學性能對應(yīng)的emin和emax交集范圍為2.45%～4.03%，故采用2.5%～4.0%為空隙率的標準建議值.

表5 力學性能與空隙率之間函數(shù)表達式

規(guī)范認為，瀝青混合料空隙率小，容易出現(xiàn)車轍、泛油等病害.而VVCM試件相對較小的空隙率和混合料密度的提高，不是源于過多的瀝青膠漿，而是源于壓實方式的改變和壓實功的提升，造成礦料間隙率的減小及礦料空間相對位置的改變.同時，混合料空隙率過大，其力學性能呈現(xiàn)下降趨勢，而且容易出現(xiàn)水損壞、瀝青老化等病害，影響混合料的耐久性[19]，所以建議空隙率最大值取4.0%.因此，本文建議空隙率設(shè)計標準為2.5%～4.0%較為合理.

3.2 瀝青飽和度對力學性能影響及設(shè)計標準

3.2.1 油石比對瀝青飽和度的影響 SMA-13混合料瀝青飽和度隨油石比的變化見圖4.

由圖4知，在同一礦料級配下，隨著油石比增大，瀝青飽和度呈現(xiàn)遞增趨勢，這是因為瀝青的增加填充了礦料的空隙，使混合料的瀝青飽和度不斷增大.

圖4 油石比對瀝青飽和度影響

3.2.2 瀝青飽和度對力學性能的影響 根據(jù)試驗結(jié)果，繪制力學性能與瀝青飽和度曲線，見圖5.

圖5 瀝青飽和度對力學性能影響

由圖5知，SMA-13混合料各力學性能均隨瀝青飽和度的增大呈凸曲線變化.當油石比較小時，瀝青飽和度較小，瀝青對礦料顆粒的黏結(jié)力不足，導(dǎo)致混合料的力學性能較差；隨混合料中瀝青含量逐漸增加，瀝青對礦料顆粒的黏結(jié)力逐漸增強，混合料的力學性能均得到提升；力學性能達到峰值之后，進一步增大瀝青用量，混合料的瀝青飽和度繼續(xù)增大，但是，由于混合料中自由瀝青數(shù)量過多，導(dǎo)致礦料顆粒被擠開，瀝青對礦料的黏結(jié)作用變?nèi)?，力學性能下降.

3.2.3 瀝青飽和度設(shè)計標準 瀝青飽和度與力學性能函數(shù)見表6，其中ea代表Smax對應(yīng)的瀝青飽和度，ea，min、ea，max代表0.95Smax對應(yīng)的瀝青飽和度范圍.

表6 力學性能與瀝青飽和度之間函數(shù)表達式

由表6知，Smax對應(yīng)的瀝青飽和度范圍為78.27%～79.82%.同理，以0.95Smax對應(yīng)的瀝青飽和度為設(shè)計標準，在各項性能中所交叉的范圍為74.11%～83.38%，綜合考慮各種力學性能，建議瀝青飽和度設(shè)計標準為74%～83%.

3.3 礦料間隙率對力學性能影響及設(shè)計標準

3.3.1 油石比對礦料間隙率的影響 在設(shè)計及施工過程中，許多因素都會對礦料間隙率的大小產(chǎn)生影響，包括壓實功、礦料性質(zhì)、礦料級配及油石比等.油石比對礦料間隙率的影響曲線見圖6.

圖6 油石比對礦料間隙率影響

由圖6知，在3種不同的級配下，隨油石比的增大，混合料礦料間隙率呈凹曲線變化.在瀝青用量較少時，瀝青對礦料顆粒的潤滑作用不足，顆粒間摩擦力較大，導(dǎo)致混合料難以被壓實，所以隨瀝青用量的增加，礦料間隙率逐漸減?。坏敒r青用量過多時，瀝青會阻礙礦料顆粒的接近，導(dǎo)致試件的礦料間隙率增大.

3.3.2 礦料間隙率對力學性能的影響 根據(jù)試驗結(jié)果，繪制力學性能與礦料間隙率曲線，見圖7.

由圖7知，SMA-13混合料礦料間隙率與馬歇爾穩(wěn)定度有較好的相關(guān)性，但與其他性能之間的相關(guān)性較差.一般認為，礦料間隙率對瀝青混合料的耐久性有重要影響[20].我國規(guī)范中由最大公稱粒徑確定礦料間隙率，但是在一些實際工程中，混合料的礦料間隙率即使不滿足要求，也具有較好的使用性能和較大的油石比.因此，在我國相關(guān)規(guī)范中，礦料間隙率僅作為檢驗性指標使用.

圖7 礦料間隙率對力學性能影響

3.3.3 礦料間隙率設(shè)計標準 在我國相關(guān)規(guī)范中，礦料間隙率僅作為檢驗性指標使用，即確定最佳油石比時，把OAC曲線相對應(yīng)的礦料間隙率與規(guī)范的最小礦料間隙率相比較，若礦料間隙率未能達到規(guī)范要求，則需要對混合料級配進行調(diào)整.國內(nèi)外礦料間隙率研究及室內(nèi)試驗研究的礦料間隙率對力學性能的影響規(guī)律表明[21]，瀝青混合料力學性能與礦料間隙率之間的相關(guān)性較差.

現(xiàn)行規(guī)范中，采用Marshall法成型SMA-13混合料試件，em，min=17%，e=3%～4%.而重交通壓實標準為Marshall設(shè)計標準的1.02倍，SMA-13混合料VVCM試件的空隙率標準為2.5%～4.0%，采用兩種方法成型試件時，VVCM確定的油石比比Marshall法小0.4%，因此給出SMA-13混合料VVCM試件的礦料間隙率最小值標準為14.5%.

4 結(jié) 論

(1)VVCM試件的體積參數(shù)與重型Marshall試件和SGC試件基本一致，密度約為Marshall試件的1.02倍，空隙率明顯降低；VVCM試件力學強度分別約為Marshall試件、重型Marshall試件和SGC試件的1.32、1.09和1.05倍.

(2)同一礦料級配下，隨著油石比增大，空隙率呈現(xiàn)減小趨勢；隨空隙率增大，SMA-13混合料各力學性能均呈凸曲線變化.以0.95Smax對應(yīng)的空隙率為設(shè)計標準，各項力學性能對應(yīng)的空隙率共同范圍為2.45%～4.03%，故提出空隙率設(shè)計標準范圍為2.5%～4.0%.

(3)同一礦料級配下，隨著油石比增大，瀝青飽和度呈現(xiàn)遞增趨勢；隨瀝青飽和度增大，SMA-13混合料各力學性能均呈凸曲線變化.0.95Smax對應(yīng)交集為74.11%～83.38%，綜合考慮各力學性能，提出瀝青飽和度設(shè)計標準范圍為74%～83%.

(4)SMA-13混合料的各力學性能與礦料間隙率之間沒有較好的相關(guān)性，因此僅把礦料間隙率作為參考標準.以現(xiàn)行規(guī)范對礦料間隙率的規(guī)定為基礎(chǔ)，結(jié)合成型方法對體積參數(shù)影響，建議14.5%為SMA-13混合料的最小礦料間隙率.