沥青道面修补材料和易性指标及影响因素

廖小芳，凌建明，章晖毓，袁 捷

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092；2.宁波市城建设计研究院有限公司，宁波 315012）

沥青道面修补材料和易性指标及影响因素

廖小芳1，凌建明1，章晖毓2，袁 捷1

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092；2.宁波市城建设计研究院有限公司，宁波 315012）

按照马歇尔设计方法，双面击实75次，在进行机场沥青道面修补材料配合比设计的同时，测试马歇尔试件双面击实50次的空隙率和试件高度，提出了机场沥青混合料施工和易性的评价指标“h0”，将其作为配合比设计的一个参考指标，并分析了油石比、级配组成以及击实温度对机场沥青混合料施工和易性的影响。试验研究表明：沥青用量越多，施工和易性越好，粗集料用量越多，施工和易性越差，温度越高，施工和易性越好。

机场工程；沥青道面；修补材料；施工和易性；SMA-13

机场沥青道面在使用过程中受飞机荷载、自然环境等因素的影响，将逐渐产生各种破损，危及飞行安全。而热拌沥青混合料具有修补质量好、承载能力强、耐久性高的优点，故常被用作沥青道面的永久性修补材料。但热拌沥青混合料也暴露出不少问题，究其原因，混合料尽管在试验室合格并满足要求，但在施工过程中，机械、拌和、运输、摊铺、碾压和温度都发生变化，使得混合料性能也发生变化，甚至不满足设计要求。而这些变化对于机场沥青道面修复材料尤为明显，因为机场沥青道面的修补作业大多属于不停航的夜间施工，在施工现场，沥青混合料降温较快，如果混合料不易于拌和与碾压，即施工和易性差，将严重影响修补材料的粘结性能和碾压质量。加之机场夜间航班间隙只有4～5 h，修复时间有限，也降低了其碾压的密实度，影响其修复的效果。所以，要使机场沥青道面具有良好的耐久性，沥青混合料除了具有良好的高温性能、低温性能、疲劳性能和水稳定等性能外，还须具有良好的施工和易性，根据沥青道面所处的地理、气候情况，进行合理的组成材料设计，才能保证其施工质量。故本文提出了施工和易性的评价指标，将其作为机场沥青道面修补材料配合比设计的一个指标，并分析了沥青用量、级配组成及击实温度对其的影响。

1 施工和易性

沥青混合料的施工和易性是用于评价沥青混合料摊铺和碾压难易程度特性的一个重要指标，如果沥青混合料施工和易性良好，则易于摊铺和碾压，因此施工和易性将直接影响到沥青道面修复后舒适性和压实度等指标。但是迄今为止，国内外对沥青混合料的和易性研究较少，美国Gudimettla J M等[1]对热拌沥青混合料的和易性进行了相关研究，指出混合料类型、最大公称粒径、胶结料类型和温度是影响混合料和易性的主要因素。侯曙光[2]利用自行研制的沥青混合料和易性指数测试仪测试温拌及热拌沥青混合料和易性变化规律，混合料公称最大粒径越大，和易性越差。随着温度升高，粒径较小的混合料和易性提升幅度较大。郭平，段凌云[3]采用自行开发的沥青混合料和易性试验仪对Sasobit温拌沥青混合料的和易性进行评价，指出热拌沥青混合料随着拌和温度的降低，混合料的和易性呈线性关系变差，而Sasobit温拌沥青混合料，当温度高于140℃时，温度对混合料的和易性几乎没有影响。杨朋和张肖宁[4]则基于沥青混合料的压实特性提出了施工和易性指数的概念。但目前施工和易性试验仪应用并不广，在沥青道面修复过程中只以不低于摊铺温度来保证混合料的质量要求，没有一个评价指标评价沥青混合料的工作性。鉴于此，本文提出了施工和易性的评价指标和标准。

1.1 施工和易性评价指标

施工和易性与压实性能密切相关，通常认为，压实性能好的沥青混合料具有良好的施工和易性。而马歇尔试件的空隙率和高度很大程度上反映了沥青混合料压实的难易程度。即在一定质量下，试件达到相同的空隙率或高度所需要的击实次数越少，则认为压实性能越好；或在相同的击实次数条件下，马歇尔试件的空隙率或高度越小，则认为压实性能越好。因此，马歇尔试件的空隙率或高度可以反映沥青混合料施工和易性的好坏。同时考虑机场不停航的夜间施工，在有限的时间内，沥青混合料有可能未充分碾压就开放交通，故本文提出以马歇尔试件双面击实50次的空隙率VV或试件高度h为基础来评价机场沥青道面修补材料的施工和易性。

在室内试验中，任何两个马歇尔试件的干重几乎都不相同，而马歇尔试件模具的尺寸是一样的，由此可知，试件质量必定会影响试件击实后的高度。所以，马歇尔试件的高度必须换算至同一质量下才具有可靠的对比性。为此，提出施工和易性马歇尔试件换算质量m0的确定方法：测试马歇尔试件双面击实75次条件下的试件高度，将合格试件高度下限62.2 mm[5]对应的空气中干重作为施工和易性评价的换算质量m0。另外，质量相差较大的两个试件的压实效果并不相同，为了减小质量对试件高度的影响，提出施工和易性马歇尔试件的合格标准：试件空气中干重m干必须在m0±20 g的范围之内。

由此可得到双面击实50次马歇尔试件换算高度h0的计算公式为

式中：h0为换算高度（cm）；m0为换算质量（g）；m干为马歇尔试件空气中干重实测值（g）；h干为马歇尔试件高度实测值（cm）。

通过室内试验发现，不同级配、不同油石比以及不同温度下马歇尔试件的空隙率VV与换算高度h0之间存在线性关系，如图1所示。同时考虑到试验指标的简洁性，本文提出以马歇尔试件双面击实50次所对应的换算高度h0作为施工和易性的评价指标，h0越小，施工和易性越好。

图1 换算高度与空隙率关系曲线Fig.1 Curvilinearrelation between conversion heightand void volume

1.2 施工和易性评价标准

技术规程[6]中规定，机场沥青混合料马歇尔试件击实次数为双面75次，试验规程[5]中规定标准马歇尔试件的高度为63.5±1.3 mm。在双面击实50次条件下，若换算高度依然小于标准试件的高度上限，即小于64.8 mm，则认为施工和易性至少为“良”，再根据标准试件高度中值63.5 mm将其分为“优”和“良”两个等级。当换算高度小于63.5 mm，认为此沥青混合料的施工和易性为“优”；当换算高度大于63.5 mm且小于64.8 mm，认为此沥青混合料的施工和易性为“良”。规范[6]中对SMA混合料的空隙率要求为3%～5%。室内试验发现：在马歇尔试件双面击实50次的条件下，空隙率为5%时试件的换算高度约为65.8 mm，所以当换算高度大于65.8 mm，认为此沥青混合料的施工和易性为“差”；当换算高度大于64.8 mm且小于65.8 mm，认为此沥青混合料的施工和易性为“中”，如表1所示。

2 配合比组成

2.1 原材料

粗集料选用玄武岩碎石和石灰岩碎石，前者的规格为10～15 mm和5～10 mm，后者的规格为3～5 mm。玄武岩10～15 mm、5～10 mm以及石灰岩3～5 mm这3种规格粗集料的表观密度分别为2.731 g·cm-3、2.735 g· cm-3和2.739 g·cm-3；毛体积相对密度分别为2.701 g· cm-3、2.681 g·cm-3、2.672 g·cm-3；吸水率分别为0.40%、0.74%和0.91%。细集料采用石灰岩石屑0～3 mm，表观相对密度为2.690 g·cm-3。填料采用石灰岩矿粉，表观相对密度为2.711 g·cm-3。沥青采用壳牌-011T改性沥青，密度为1.03 g·cm-3，25℃针入度为5.7 mm，软化点80℃，5℃延度为34 cm，135℃运动粘度为1 813 mPas，针入度比大于65%，5℃残留延度为20 cm。纤维采用腈纶纤维，比重为1.36 g·cm-3。

表1 SMA沥青混合料施工和易性标准Tab.1 Workability standards of SMA asphalt mixture

2.2 目标级配

根据规范[6]要求，以4.75 mm筛孔通过率为控制点，初试三组级配，初试级配4.75 mm筛孔通过率控制在24%、27%和30%左右。根据相关规范及国内外研究经验[6-9]，选择初试油石比6.0%成型3组马歇尔试件，腈纶纤维用量为热拌沥青混合料质量的0.3%，马歇尔试件击实成型温度为170℃～175℃，考虑到机场荷载的重型特点，马歇尔试件成型的击实次数定为75次/面。测试马歇尔试件的空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青混合料试件粗集料间隙率VCAmix、粗集料松装间隙率VCADRC和沥青饱和度VFA等体积参数，确定各项指标均满足要求的目标级配组成如表2所示。

根据所选的目标级配，在初试油石比6.0%的基础上，扩大沥青用量范围，进行马歇尔试验。以0.2%为间隔，选定5个油石比：5.6%、5.8%、6.0%、6.2%、6.4%。在5种油石比条件下成型马歇尔试件，双面击实75次，测试不同油石比时马歇尔试件的体积参数和力学性能指标，测试结果表明，目标级配马歇尔试件体积参数和力学性能均满足规范和设计要求的油石比范围为6.2%～6.4%。

表2 目标级配配合比组成Tab.2 Proportion components of object gradations

2.3 性能检验

从满足设计和规范要求的油石比范围中选择油石比6.2%成型马歇尔试件，双面击实50次条件下的换算高度为64.65 mm，根据表1的评价标准，施工和易性等级为“良”；双面击实75次，进行高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和粘结性等性能检验，测试结果如表3所示。

根据表3的试验结果，当油石比为6.2%时，上述机场沥青道面修补材料包括施工和易性在内的各项性能指标均满足规范和技术要求。

3 施工和易性影响因素

3.1 油石比

按照h0的评价方法和标准，分析油石比对施工和易性的影响。油石比以0.2%为间隔，从5.6%到6.4%。测试不同油石比马歇尔试件双面击实50次条件下的换算高度h0和空隙率VV，试验结果如表4和图2所示。

表3 机场温拌沥青修补材料技术指标汇总Tab.3 Specification test results of airport warm asphalt repair material

由表4和图2可知：马歇尔试件空隙率和换算高度随油石比的变化趋势大致相同，以换算高度h0来评价沥青混合料的施工和易性，油石比为5.6%、5.8%、6.0%、6.2%和6.4%时，所对应的施工和易性评价等级分别为“中”、“中”、“良”、“良”和“良”，说明油石比越高，沥青混合料的施工和易性越好。另外，当油石比低于6.0%，油石比对施工和易性的影响较大，当油石比高于6.0%时，影响较小。

表4 油石比对施工和易性的影响Tab.4 Influence of bitumen aggregate ratio to workability

图2 油石比与换算高度或空隙率关系曲线Fig.2 Curvilinear relation between bitumen aggregate ratio and conversion height or void volume

3.2 粗集料含量

按照h0的评价方法和标准，分析粗集料含量对施工和易性的影响。选取3组级配，3组级配4.75 mm筛孔通过率分别为30.1、27.1和24.2。测试不同级配马歇尔试件双面击实50次条件下的换算高度h0和空隙率VV，结果如表5和图3所示。

表5 级配组成对空隙率和试件换算高度的影响Tab.5 Influence of gradation composition to void volume and conversion height

由表5和图3可知：马歇尔试件空隙率和换算高度随粗集料含量呈线性变化，以换算高度h0来评价，级配一、级配二和级配三对应的施工和易性评价等级分别为：“优”、“良”、“差”。级配一的粗集料含量最少，级配二次之，级配三最多，表明粗集料含量越高，施工和易性越差。

图3 级配组成与换算高度或空隙率关系曲线Fig.3 Curvilinear relation between gradation composition and conversion height or void volume

3.3 击实温度

按照h0的评价方法和标准，分析击实温度对施工和易性的影响。击实温度以20℃为间隔，从120℃变化到180℃。测试不同击实温度马歇尔试件双面击实50次条件下的换算高度h0和空隙率VV，结果如表6和图4所示。

表6 击实温度对空隙率和试件换算高度的影响Tab.6 Influence of compaction temperature to void volume and conversion height

由表6和图4可知：马歇尔试件的空隙率和换算高度都随击实温度的升高先减小后基本保持稳定。以换算高度h0来评价，在击实温度为120℃、140℃、160℃和180℃时，所对应的评价等级为“差”、“差”、“中”和“良”，说明击实温度越高，沥青混合料的施工和易性越好。另外，当击实温度小于140℃时，随温度升高，换算高度急剧下降，温度对施工和易性影响较大，当击实温度大于140℃时，随着温度的升高，换算高度缓慢下降，温度对其影响较小。

图4 击实温度与换算高度或空隙率关系曲线Fig.4 Curvilinear relation between bitumen aggregate ratio and conversion height or void volume

4 结语

1）针对机场沥青道面不停航施工的修补特点，以马歇尔试件双面击实50次所对应的试件高度h为基础提出了机场沥青道面修补材料施工和易性的评价指标h0，并将其与马歇尔试件的空隙率进行对比分析，研究表明，施工和易性的评价指标h0与空隙率VV存在一定的线性关系。

2）通过测试机场修补用沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、粘结性和施工和易性等性能，确定了机场温拌沥青修补材料的原材料生产配比：10 mm～15 mm：5 mm～10 mm：3 mm～5 mm：0～3 mm：矿粉为48：29：1：12：10，腈纶纤维掺量为0.3%，最佳油石比为6.2%。试验表明其生产配比满足规范和设计要求，施工和易性良好。

3）油石比越大，施工和易性越好，对于上述机场沥青道面修补材料，当油石比低于6.0%，油石比对施工和易性的影响较大，当油石比大于6.0%时，影响较小；粗集料用量越多，施工和易性越差；击实温度越高，沥青混合料的施工和易性越好，对于上述沥青混合料，当击实温度小于140℃时，击实温度对施工和易性影响较大，当击实温度大于140℃时，施工和易性随击实温度的变化较小。

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

[2]侯曙光.热拌与温拌沥青混合料和易性试验[J].南京工业大学学报（自然科学版），2011，33（5）：36-39.

[3]郭 平，段凌云.Sasobit温拌沥青混合料和易性研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2012，43（1）：119-123.

[4]杨 朋，张肖宁.橡胶沥青混合料压实性能研究[J].公路工程，2009，34（4）：141-144.

[5]公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].中华人民共和国交通部，2000.

[6]民用机场沥青混凝土道面施工技术规范[S].中国民用航空总局，2000.

[7]公路沥青路面施工技术规范[S].中华人民共和国交通部，2004.

[8]民用机场沥青混凝土道面设计规范[S].中国民用航空总局，2000.

[9]李立寒，张南鹭.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2008.

（责任编辑：黄 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，硕士，研究方向为道路与机场工程.