压实对AC-20 沥青混合料性能影响研究

曹检云 ,高凯凯

(1.长沙市规划设计院有限责任公司,长沙 410125;2.交通运输部科学研究院,北京 100029;3.交科院公路工程科技(北京)有限公司,北京 100088)

随着我国公路交通的迅速发展,道路交通量和交通荷载不断增加,对路面使用性能提出了更高的要求。然而,调查显示部分沥青路面在通车1～2年内就出现了严重的车辙、开裂和水损坏等病害,导致行车安全及道路的使用寿命受到影响[1-2]。沥青路面使用性能的主要影响因素包括原材料性能、混合料级配、压实工艺等[3-5],而在原材料一定的情况下,压实环节对路面性能尤为关键。如压实不足,容易使混合料密实度小、空隙率大,导致车辙、水损坏等病害;如压实过大,则会使集料压碎、空隙率过小,导致混合料性能受影响,甚至出现路面泛油等病害[6-7]。因此,选择合适的室内压实方法及现场压实控制标准就显得尤为重要。目前,沥青混合料室内压实多采用马歇尔法,其采用双面击实75次或112 次的锤击法制备混合料试件,能较好地模拟压实过程中钢轮压路机静压的状态,但是马歇尔法的压实标准过低,容易导致颗粒击碎[8]。为更好地模拟现场施工时的振动碾压及胶轮压实,采用旋转压实法制备混合料试件,并对其性能进行研究[9]。本文采用马歇尔法和旋转压实法分别制备不同压实次数下的AC-20 混合料试件,对其高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性进行测试,分析压实方法对AC-20 混合料性能的影响,明确效果较好的沥青混合料压实方式及压实功,以期为现场施工提供理论支持。

1 原材料及矿料级配

1.1 SBS 改性沥青

试验采用SBS 改性沥青,SBS 改性沥青主要技术指标如表1 所示。

表1 SBS 改性沥青主要技术指标

1.2 矿料

试验采用的集料为石灰岩,规格为19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm 和0～4.75 mm,其中集料压碎值为16.3%;矿粉由石灰岩加工而成。矿料其他各项指标均满足路面施工技术规范要求。

1.3 混合料级配

试验采用混合料级配为AC-20C、AC-20、AC-20F,AC-20 混合料矿料级配如表2 所示。

表2 AC-20 混合料矿料级配

1.4 试验方案

通过马歇尔法和旋转压实法分别确定不同级配类型的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。按照确定的最佳油石比,通过马歇尔双面击实和旋转压实50次、75 次、100 次及125 次制备AC-20 混合料试件,测试其马歇尔稳定度以及冻融劈裂强度比,并测试不同成型方法及压实次数下混合料试件的密度;制备高温车辙板试样及低温小梁弯曲试样,测试其动稳定度及低温抗裂性能。

由表3 可知,随着压实次数增加,采用马歇尔法和旋转压实法制备混合料的最佳油石比均呈现逐渐降低趋势,而相同压实次数下,旋转压实法混合料的最佳油石比略小于马歇尔法的。这是由于相较于马歇尔法,旋转压实法不仅能更好地模拟实际施工压实,而且其压实功更大,相同压实次数下其混合料的密实度更大,混合料的最佳油石比也会略有降低[10]。

表3 不同成型方法混合料的最佳油石比

2 压实对AC-20 混合料路用性能的影响

2.1 高温稳定性

通过沥青混合料马歇尔稳定度试验和车辙试验,测定混合料的马歇尔稳定度及动稳定度,以此作为评价沥青混合料的高温稳定性的指标。AC-20混合料高温稳定性随压实次数改变的变化曲线如图1 所示。其中,MAC-20 表示马歇尔法制备的AC-20 混合料,GAC-20 表示旋转压实法制备的AC-20 混合料,下同。

由图1 可知,随压实次数的增多,击实功增大,相同级配的混合料高温稳定性提升;且混合料高温稳定性随击实次数的增加,增长趋势逐渐变缓。压实125 次制备出的AC-20 混合料的马歇尔稳定度和动稳定度相对于压实75 次的混合料分别提升了20%和18%。当压实次数低于100 时,粗级配沥青混合料高温稳定性受击实次数影响大于细级配沥青混合料,在相同的击实次数下,粗级配沥青混合料的高温稳定性较好。但当压实次数超过100 时,AC-20 混合料的高温稳定性提升要大于其他两种级配混合料。造成这种现象的原因是当击实次数增加,击实功随之增大,沥青混合料更加密实,内部集料间的相对滑动便需要更多的外力作用,因此增强了混合料抵抗破坏和车辙损害的性能;而击实次数增加到一定程度后,混合料内部已经基本处于完全密实状态,所以继续增加击实次数,混合料高温性能提升效果不再明显;相对于细级配沥青混合料,粗级配沥青混合料中粗集料较多,颗粒间不易滑动,因此当击实功不足时,难以达到密实状态,故其高温稳定性受击实次数影响大于细级配沥青混合料;由于粗集料间有一定的嵌挤力,相对移动需要更多的能量,故粗级配沥青混合料的高温稳定性优于细级配沥青混合料。但如压实次数过多,粗级配混合料中粗颗粒被击碎,混合料的骨架结构会受到一定影响,导致其高温性能增加受限,所以AC-20 混合料的粗集料颗粒破碎程度相对较小,其混合料高温稳定性增加更大[11-12]。同时,相较马歇尔法制备的AC-20 混合料试样,旋转压实法所制备试样的高温稳定性明显提升;在相同压实次数下,旋转压实法所制备试样的马歇尔稳定度和动稳定度相较马歇尔法制备的试样分别提升了13%和15%。这是由于旋转压实法利用揉搓压实使制备试样的密实度增加,混合料的性能得以提升。

2.2 低温抗裂性

通过-10 ℃环境下的沥青混合料弯曲试验,测定混合料发生低温开裂时的抗弯拉强度及破坏应变,以此作为评价沥青混合料低温抗裂性的指标。AC-20 混合料低温抗裂性随压实次数改变的变化曲线如图2 所示。

由图2 可知,随压实次数增多,击实功增大,相同级配的混合料的低温抗裂性提升;混合料低温抗裂性随击实次数的增加,提升趋势逐渐变缓,粗级配沥青混合料低温抗裂性受击实次数影响大于细级配沥青混合料;在相同的击实次数下,细级配沥青混合料的低温抗裂性较好。相较压实75次的AC-20 混合料试样,压实125 次制备出的混合料试样的抗弯拉强度及破坏应变分别提升了4%和3%。当击实次数增加,混合料密实度增大,黏结力增强,抗弯拉强度提升,破坏应变提升。低温环境下,沥青含量对混合料抗裂性能影响较大,细级配沥青混合料最佳油石比较大,因此低温抗裂性较好。由于沥青在低温环境下呈现硬脆特性,因此细级配沥青混合料抗弯拉强度提升较多,破坏应变提升幅度并不大。同时,相同压实次数下,相较使用马歇尔法制备的AC-20 混合料试样,使用旋转压实法制备的试样的低温抗裂性明显提升,使用旋转压实法制备的试样的抗弯拉强度及破坏应变相较使用马歇尔法制备的试样分别提升了10%和5%。

2.3 水稳定性

通过沥青混合料冻融劈裂试验,测定混合料冻融前后的劈裂抗拉强度,计算混合料的冻融劈裂强度比,以此作为评价沥青混合料的水稳定性的指标。AC-20 混合料水稳定性随压实次数改变的变化曲线如图3 所示。

由图3 可知,级配相同的沥青混合料随击实次数的增多,击实功增大,混合料的水稳定性提升,但提升幅度并不大;混合料冻融前后的抗拉强度随击实次数的增加,增长趋势逐渐变缓,粗级配沥青混合料水稳定性受击实次数影响大于细级配沥青混合料;在相同的击实次数下,细级配沥青混合料的水稳定性略好。相对于压实75 次的AC-20 混合料试样,压实125 次制备试样的冻融劈裂强度比提升了5%。随着击实次数增加,集料间黏结力增大,混合料抗拉强度提升,但影响混合料水稳定性的主要因素是沥青与集料表面的黏结能力,所以增加击实次数对混合料的水稳定性影响不大;细级配沥青混合料虽然沥青含量略大,一定程度上缓解了集料表面沥青剥落的情况,但混合料都处在最佳油石比的情况下,3 种级配的沥青混合料自由沥青及结构沥青比例相近,故提升效果也不明显。旋转压实法制备的混合料的密实程度更大,其混合料的抗水损害能力相对较强,其冻融劈裂强度比也略大,相对提升了2%左右。

3 结论

通过室内试验对比分析了不同压实次数及不同级配AC-20 混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性,结果如下。

(1) 随着压实次数增加,使用马歇尔法和旋转压实法制备混合料的最佳油石比均呈现逐渐降低的趋势,而相同压实次数下,使用旋转压实法制备的混合料试样的最佳油石比略小于使用马歇尔法制备的混合料试样的最佳油石比。

(2) 随着压实次数增加,混合料的性能呈现增强趋势。压实125 次制备的混合料试样的马歇尔稳定度、动稳定度、抗弯拉强度、破坏应变以及冻融劈裂强度比,相对于压实75 次的试样分别提升了20%、18%、4%、3%和2%。

(3) 相同压实次数下,使用旋转压实法制备的混合料试样的性能明显优于使用马歇尔法制备的混合料试样。使用旋转压实法制备试样的马歇尔稳定度、动稳定度、抗弯拉强度、破坏应变以及冻融劈裂强度比,相对于压实75 次的试样分别提升了13%、15%、10%、5%和2%。