不同成型方式对排水沥青混合料性能的影响研究

刘佳　孟宪东　彩雷洲

摘要：排水沥青混合料空隙率较大，在重载沥青混合料设计时，仅单纯地增加马歇尔击实次数容易造成集料破碎导致级配范围变化，影响沥青混合料设计精度。对于一般沥青混合料而言，旋转压实比马歇尔击实能取得更好的路面压实效果。为研究不同成型方法及次数对马歇尔试件物理指标、路用性能的影响，文章选择了旋转压实及马歇尔击实这两种方法，研究不同压实方法及击实次数时对物理指标及路用性能的影响。结果表明：从沥青混合料毛体积相对密度、空隙率的大小来看，马歇尔击实对于PAC-13排水沥青混合料压实效果更好;对于PAC-13排水沥青混合料，在连通空隙率方面，马歇尔击实优于旋转压实;在马歇尔稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比方面，旋转压实优于马歇尔击实，其中旋转压实成型在80次压实和马歇尔成型在50次击实时可达到PAC-13排水沥青混合料较好的路用性能。

关键词：排水沥青混合料;旋转压实;马歇尔击实;物理指标;路用性能

0 引言

为检测排水沥青混合料的各项路用性能，验证设计结果是否满足规范要求和使用条件，国内大部分采用马歇尔成型法进行试验[1]，从而完成混合料配合比设计。近十年来随着高速公路交通量的持续增加，重载车辆比例也越来越高，路面压实机械吨位的提高使得马歇尔击实仪模拟实际路面压实效果不再准确，仅单纯增加马歇尔击实次数对沥青混合料压实效果的提升并不理想，偶尔还会产生粒径偏大集料的破碎现象[2-3]。

排水沥青混合料空隙比较大，单纯地增加击实次数进行重载沥青混合料设计很容易造成集料的破碎从而使级配变细，影响沥青混合料设计精度，同时对于开级配大空隙的排水沥青混合料采用马歇尔成型方法是否合适也需验证。鉴于此，需要找寻一种更为合理的成型方法来满足排水沥青混合料（尤其重载交通）配合比设计。

在19世纪80年代，美国公路战略研究所（SHRP）计划进行了一项沥青课题研究，总共耗时5年，耗费资金5 000万美元，研究出了Superpave法[4]。张争奇[5]通过分析Superpave旋转压实密度曲线发现其密度与路面施工密度更接近。周杰[6]等研究了旋转压实与现场压实相关性，发现旋转压能真实反映公路交通荷载的实际情况。因此本文采用旋转压实成型法与马歇尔成型法进行对比，研究排水沥青混合料试件的物理性质及路用性能，以期得到一种更能反映路面实际情况的排水沥青混合料成型方法供后续实体工程参考。

1 马歇尔击实与旋转压实成型概述

马歇尔法是布鲁斯·马歇尔（Brue Mar shall）最早提出的方法，在19世纪40年代，美国陆军工程兵部队对马歇尔法进行了改进，并增加了一些标准性的性能测试试验，最后发展成沥青混合料配合比设计标准方法[7]。马歇尔击实成型法操作方式简单，费用较低，是最广泛成熟的成型试件方法，但因其成型方式与实际情况不同也造成其缺點，即对车辆的水平剪切模拟性较差，随着近年来交通量及重载车辆的比例增加，该方法局限性也更加明显。

Superpave旋转压实是沥青混合料通过设定的压力、压实角及转速揉搓作用成型，可以更好地模拟施工压实过程的揉搓、移动、重排、定向作用，成型过程能更进一步模拟还原现场施工过程，同时成型的沥青混合料更符合现场实际施工碾压和后续重复交通荷载下的路面材料。与马歇尔击实成型方法相对比，SGC旋转压实成型更符合沥青混合料的现场施工碾压成型，混合料可以在油石比较小的情况下，密实度更大，并能够保证沥青混合料更真实地体现高低温性等路用性能。此外，旋转压实成型过程可以实时定量输出混合料的高度、密度和空隙率等体积参数，更精确直观地体现材料的性能信息。鉴于以上特点，采用旋转压实仪（SGC）进行重载排水沥青混合料设计。旋转压实仪SGC工作原理及压实过程如图1及图2所示。

2 试验部分

2.1 试验材料

（1）沥青

沥青为壳牌基质沥青，由92%SBS改性沥青掺加8%的高黏改性剂，经高速剪切20 min制备而成的高黏改性沥青。

（2）集料

粗集料选用10～15 mm、5～10 mm两档辉绿岩集料，细集料为0～3 mm石灰岩机制砂，均符合规范的要求。集料指标见表2。

2.2 级配

级配设计方法采用的是贝雷法[8]。集料筛分汇总见表3，集料密度见下页表4。

采用贝雷法作为级配设计方法，最大公称粒径NMPS为13 mm，故第一控制筛孔PCS为2.36 mm，第二控制筛孔SCS为0.6 mm，第三控制筛孔TCS为0.15 mm。根据贝雷法和表3所示集料筛分结果，文中粗细集料划分界限PCS为2.36 mm，有两档粗集料（CA-1粗集料粒径为10～15 mm，CA-2粗集料粒径为5～10 mm），一档细集料FA粒径为0～3 mm，填料[WTB1X]MF[HTXH]为矿粉。设计密度取松装密度的100%，设计0.075 mm筛通过率P0.075设计为5%，CA-1和CA-2按体积比52∶48组成。预留空隙率为34%。级配设计步骤如下所示：

贝雷法计算所得合成矿料级配，初试油石比4.8%，进行排水沥青混合料孔隙率、稳定度等关键指标检测。各项性能参数见表4，均满足设计要求，可进行下一步研究。

（1）初步计算

CA-1和CA-2按52∶48比例混合后，单位体积内粗集料量为：

CA-1∶1.67×100%×52%=0.868 4

CA-2∶1.61×100%×48%=0.772 8

粗集料间隙率为：

设粗集料空隙由细集料和预留空隙组成，所需细集料量及单位体积粗细集料总量为：

（0.453 4-0.34）×1.62=0.183 7