路桥沥青混合料试验检测方法探究

胡承祖

（广东新通工程科技有限公司,广东 广州 510700）

0 引言

沥青混合料路面因方便养护、行车舒适、稳定性好成为路桥工程建设的首选，但在自然环境因素与行车荷载的持续作用下，沥青路面会受到损坏，致使诸多工程在通车1～2 年后则会出现早期病害，影响工程使用性能，也会增加行车安全风险。为了克服上述问题，提出将新型聚合物改性沥青混合料运用于工程中，但需要采用有效的试验检测方法来确定常规材料与新型材料的性能差异。基于此，该文围绕不同胶结材料的沥青混合料性能对比，以选择合适的试验手段客观判断性能为目标，探究路桥沥青混合料的试验检测方法。

1 路桥沥青混合料常用试验检测方法

1.1 沥青混合料马歇尔稳定度试验

在沥青混合料试验检测中，马歇尔稳定度试验应用频率极高，是最为重要的试验手段之一，分为标准马歇尔稳定度试验和浸水马歇尔稳定度试验两种。标准马歇尔稳定度试验试验有以下关键步骤：

（1）按照试验规程准备所需试件，放入恒温水槽内进行保温处理，保温时间根据试件尺寸确定，标准尺寸试件保温时间控制在30～40 min，大型尺寸试件保温时间控制在45～60 min，水槽中两个试件之间应间隔10 cm，底部垫起与水槽底部保持≥5 cm 的距离[1]。

（2）试验装备保温处理，将试验所用马歇尔试验仪上的两个压头取下，放置在试件保温的水槽中，压头与试件温度一致后取出，将内面水分擦干。为保证压头在试验中自如滑动，取少量黄油，涂抹在下压头捣棒上。装备处理结束后，将试件取出，立即放在下压头上，再取上压头盖上，最后移动至加载设备上。

（3）在上压头球座上稳固放好钢球，其位置应与荷载测定装置压头对准。

（4）试验中所用马歇尔试验仪为自动化装置，应先正确连接用于监测位移与压力的传感器，并接通X-Y 记录机、计算机，根据放大比例要求调整装置，最后将两个传感器归零。

（5）启动加载设备，使试件承受荷载，加载速度为50±5 mm/min。当试验荷载达到最大值的瞬间，记录最大荷载和最大变形。最大荷载（Ms）即为稳定度，以kN表示，准确至0.01 kN。最大变形为流值（FL），以mm表示，准确至0.1 mm。

浸水马歇尔稳定度试验与标准马歇尔稳定度试验方法的区别在于马歇尔试件需在达到规定温度的恒温水槽中保温48 h，其余的试验步骤与标准马歇尔试验方法完全一致。试件的浸水残留稳定度计算采用公式如下：

式中，M0—— 试件的浸水残留稳定度（%）；Ms1——试件浸水48 h 稳定度（kN）；Ms——试件稳定度（kN）。

1.2 沥青混合料车辙试验

该试验通过在测试试件表面模拟实际车轮荷载所形成车辙，测定高温环境下路桥沥青混合料的抗车辙能力[2]。试验有以下关键步骤：

（1）将准备好的试件连同试模一起放进恒温室内，试验温度应达到60 ℃±1 ℃，不间断保温≥5 h，但不超过12 h。为了掌握试件温度是否稳定，采用热电偶温度计持续进行监测，将其黏贴在试验轮不行走部位。

（2）试验在车辙试验机的试验台上进行，需要同时移动试件、试模，放置好试件后调整试验轮位置，应确保处于试件中央位置；再按照行车方向调整试验轮行走方向，也可以与试件碾压方向保持一致[3]。

（3）做好以上调整后即可启动试验装备，满足以下其中一个条件时可以关闭装备：一是往返行走时间达到60 min，二是最大变形达到25 mm。

（4）试验过程中，设备记录仪记录变形曲线及试件温度。沥青混合料试件的动稳定度按下式计算：

式中，DS——沥青混合料的动稳定度（次/mm）；d1——对应时间t1变形量（mm）；d2——对应时间t2变形量（mm）；C1——试验机类型系数，曲柄连杆驱动加载轮往返运动方式为1.0；C2——试件系数，试验室制备宽300 mm 的试件为1.0；N——试验轮的往返碾压速度，通常为42 次/min。

但车辙试验中需要考虑气候环境条件对沥青混合料产生的影响，因此，根据试验规程要求在寒冷地区完成试验时温度可由60 ℃下调至45 ℃，在高温地区完成试验时温度可由60 ℃上调至70 ℃。除试验温度需要注意外，试验中动稳定度的计算时间也要注意，应在开始试验后的45～60 min 内开始数据统计。

1.3 沥青混合料冻融劈裂试验

该项试验是模拟路桥沥青混合料反复冻融下的受损情况，能够测定水损害前后沥青混合料的劈裂破坏强度比。试验有以下关键步骤：

（1）试件制作应采用马歇尔击实法，试件为圆柱体。制作过程中所用材料有特殊要求，其集料公称最大粒径应控制在26.5 mm 以下。成型试件双面均需要击实50 次。

（2）测试试件直径与高度，精度控制在0.1 mm，确定试件尺寸符合试验规程要求后，对称地在两侧圆心画出十字标记。

（3）对试件物理指标进行检测，测定密度、空隙率等。

（4）将4 个试件随机分为两组，一组放在平台上，于室温环境内保存；另一组需要进行真空饱水处理，采用饱水试验法，在真空度达到97.3～98.7 kPa 的环境中持续饱水15 min，到规定时间后将阀门打开，使真空环境恢复到常压状态，但不取出试件，需要继续放置30 min后取出[4]。

（5）将取出的试件放置在提前准备的洁净塑料袋内，并于袋内加入10 ml 的水，将袋口扎紧，放入-18 ℃±2 ℃条件下冷冻，冷冻时间为16 h±1 h。

（6）冷冻后取出，置入恒温水槽，水槽温度为60 ℃±5 ℃，将塑料袋去除，继续保温24 h。

（7）保温到时间后取出试件，将两组试件同时放入温度为25 ℃±0.5 ℃的恒温水槽内，持续时间≥2 h，在水槽内试件间隔应控制在10 mm 以上。

（8）取出试件通过50 mm/min 加载速率进行破裂试验，测定试件最大荷载。根据最大荷载先计算劈裂抗拉强度，公式如下：

基于劈裂抗拉强度计算冻融劈裂抗拉强度比，公式如下：

式中，TSR——冻融劈裂抗拉强度比（%）；——冻融循环后第二组有效试件劈裂抗拉强度平均值（MPa）；——未冻融循环的第一组有效试件劈裂抗拉强度平均值（MPa）。

1.4 沥青混合料弯曲试验

该项试验是一种测定路桥沥青混合料在规定温度、加载速率下被弯曲破坏时的力学性质，可以掌握沥青混合料低温拉伸性能。试验有以下关键步骤：

（1）在温度为-10 ℃±0.5 ℃的恒温水槽内进行试件降温处理，时间不短于45 min，检测试件内部温度为试验温度±0.5 ℃后可以将试件取出。取出后需要立即对称安装在万能材料试验机的支座上，按照试件成型方向调整其上下方向。

（2）按照试验规程将位移测定装置、位移计安装在规定位置上，前者支座安装在试验机上、装置安装在梁跨下缘正中央；后者支设在试件跨中下缘中央或两侧。

（3）试验中位移计、传感器等均要连接数据采集系统，跨中挠度可由LVDT 位移传感器测定。

（4）启动压力计，以跨中央形式集中施加荷载，加载速度为50 mm/min，试件被破坏后停止加载。

试件破坏时的抗弯拉强度RB、破坏时的梁底最大弯拉应变εB及破坏时的弯曲劲度模量SB关系：

式中，RB——试件破坏时的抗弯拉强度（MPa）；εB——试件破坏时的最大弯拉应变（με）；SB——试件破坏时的弯曲劲度模量（MPa）；b——跨中断面试件宽度（mm）；h——跨中断面试件高度（mm）；L——试件的跨径（mm）；PB——试件破坏时的最大荷载（N）；d——试件破坏时的跨中挠度（mm）。

2 路桥沥青混合料试验检测方法运用

2.1 材料与试验检测方案

2.1.1 试验原材料

（1）沥青。该次试验检以基质沥青、聚合物改性沥青两种不同的胶结材料为对象，前者选择东莞泰和70#基质沥青，后者配制3%、5%、7%、9%等四种不同比例聚合物掺量的壳牌新粤（佛山）改性沥青。5 种不同沥青原材料的各项技术指标均符合规范要求。

（2）集料。选用广西武宣喜福石场生产的辉绿岩集料，10～25 mm 碎石、10～15 mm 碎石、5～10 mm 碎石、0～3 mm 机制砂。集料各项指标均满足规范要求。

（3）矿粉。选用龙门县平陵镇丰帆石灰粉厂生产的石灰石矿粉。矿粉各项指标均满足规范要求。

2.1.2 沥青混合料配合比确定

为了准确检测基质沥青、聚合物改性沥青混合料的各项性能，先要确定沥青混合料的配合比，该次利用马歇尔试验配合比设计方法来确定沥青混合料的目标配合比，同时制作不同尺寸规格的混合料试件，通过相应的检试验方法得到各项检测数据进行比较。

在试验中为预防材料对检测结果客观性造成负面影响，应科学确定矿料级配与最佳石油比。该次试验统一确定混合料类型为连续密级配AC-25，设计空隙率为3%～5%。经试验比选后确定符合工程设计规定的级配范围，最终确定该次试验中矿料比例为10～25 mm 碎石∶10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶0～3 mm 机制砂∶矿粉=40%∶9%∶23%∶25%∶3%。

该次试验采用击实法制作标准马歇尔试件并通过马歇尔稳定度试验确定最佳油石比。根据以往施工经验，连续密级配AC-25 沥青混合料油石比一般可以在3.0%～5.5%范围选取，现初步选定目标配合比设计的最佳油石比4.0%为中值，按0.5%间隔变化，取3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%等5 个不同的油石比进行混合料拌和并制作马歇尔试件，每个油石比制作不少于4 个试件[5]。试件制作完成后，选取合适的试验方法测定压实混合料的密度，再利用沥青混合料马歇尔试验仪采集荷载下沥青混合料稳定度、流值等指标。经过计算，绘制油石比与流值、稳定度、孔隙率等指标之间的关系曲线，经最终测定，沥青混合料的最佳油石比为3.9%。

统一选取3.9% 为该次试验沥青混合料的最佳油石比，矿料比例为10～25 mm 碎石∶10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶0～3 mm 机制砂∶矿粉=40%∶9%∶23%∶25%∶3%，通过室内小型沥青混合料拌和机分别拌制以基质沥青、3%、5%、7%、9%聚合物改性沥青为胶结材料的沥青混合料，并制作马歇尔试件、车辙板试件、小梁试件，最后根据规范要求选取适用的试验方法检测混合料的各项性能指标。

该次试验中三种类型试件成型方式及尺寸要求如表1 所示。

2.1.3 试验检测方案

该次试验需要确定基质和聚合物改性两种沥青混合料的多项性能，重点检测高温性能、低温性能、水稳定性，其中高温稳定性采用车辙试验测定，水稳定性采用浸水马歇尔稳定度试验与冻融劈裂试验测定，低温抗裂性能采用弯曲试验检测法测定。

2.2 检测方法与检测结果

2.2.1 高温稳定性检测

该项检测是指在高温环境下对沥青混合料路面的抗车辙性能展开检测，以便准确判断沥青路面的使用性能。沥青混合料是一种性能特殊的材料，其具有典型的黏弹性，高温下流动性显著提升，从而会出现明显的变软现象。路面通车后车轮碾压会使变软的面层出现车辙，影响面层的使用性能，降低行车舒适性与安全性。为此，在对比两种类型沥青混合料性能时应先检测高温稳定性。根据该次检测所用试验方法的要求以及1 种基质沥青、4 种掺量不同的聚合物改性沥青混合料情况，统一在60 ℃温度条件下进行试验。结果如表2 所示。

表2 沥青混合料高温车辙试验检测结果

由表2 可以看出，聚合物改性沥青混合料稳定度明显高于基质沥青；当聚合物掺量变化时，沥青混合料的动稳定度也会有所变化，两者为正比例关系，而在该次试验中当聚合物掺量达到最高水平时（9%），聚合物改性沥青混合料的动稳定度与基质沥青混合料的动稳定度出现最大差距，前者基本为后者的2 倍左右，但也要注意掺量超过5%后动稳定度的增幅处于下降状态；聚合物改性沥青的动稳定度变异系数小，但并无明显变化规律。

2.2.2 低温性能检测

低温开裂是路桥工程中沥青路面出现频率较高的病害，而裂缝数量增多、深度加深会威胁行车安全性。因此，比较两种沥青混合料性能时也需要检测低温性能。该次试验检测中采用沥青混合料弯曲试验，试验中需要获得两项关键指标，弯曲劲度模量以及最大弯拉应变，用于评价沥青混合料的低温性能。该项试验中采用尺寸为250 mm×30 mm×35 mm（跨径200 mm±0.5 mm）的小梁试件，试验中完成破坏试件后，对记录仪中荷载—跨中挠度曲线进行处理，其中的直线段需要延长，延长至与横坐标出现交点，将交点作为曲线原点，取峰值时最大荷载、跨中挠度两项后续计算中的关键指标值。检测结果如表3 所示。

表3 低温弯曲试验检测结果

由表3 可以看出，检测低温性能的试验中，基质沥青混合料的最大弯拉应变值明显超过其他4 种聚合物改性沥青混合料。而聚合物掺量发生变化，混合料的最大弯拉应变值也会出现变化，两者为反比例关系，当聚合物掺量达到最高水平（9%）时，也在试验中出现最小弯拉值，与基质沥青混合料差距较大。此外，掺入聚合物会改善沥青混合料低温状态下柔韧性，掺量越大效果越好、弯曲劲度模量越高。

2.2.3 水稳定性检测

（1）浸水马歇尔稳定度试验。试验采用标准马歇尔试件，共需两组试件，同时进行保温处理，恒温水槽温度为60 ℃，但保温时间不同，一组仅保温30 min，另一组至少保温48 h，达到规定时间后取出，分别测定试件的残留稳定度值。

试验结果显示，基质沥青混合料残留稳定度为86%，3%、5%、7%、9%聚合物改性沥青混合料残留稳定度分别为91%、94%、95%、96%。通过结果可以看出，聚合物改性沥青混合料残留稳定度明显高于基质沥青，表示其黏附性能与抗剥落能力更佳。

（2）冻融劈裂试验。该项试验中每种沥青混合料也需要制作2 组试件，要求试件双面各击实50 次。两组试件处理环境不同，一组试件置放在25 ℃恒温水浴中，浸泡时间不短于2 h；另一组试件按照上述论述步骤，经过饱水试验方法进行真空饱水处理后进行冻融循环[6]。试件处理结束后进行劈裂试验，测定最大荷载。根据最大荷载先计算劈裂抗拉强度。试验结果如表4 所示。

由表4 可以看出，两种沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比结果均在现行规范要求范围内，但可以看出掺入聚合物的改性沥青混合料其试验结果高于普通基质沥青混合料，充分表明前者水稳定性更好。

综上所述，针对不同类型胶结材料的沥青混合料，若想对其性能展开准确判断，选择合适的试验检测方法是关键，并应按照统一的试验规程中的要求与步骤规范试验过程，获得客观检测结果，为路桥工程建设中选择合适沥青混合料提供依据。该次试验检测结果表明，聚合物改性沥青较70#基质沥青混合料具有更好的抗车辙能力、高温稳定性优势明显，同时也具有较好的低温抗开裂能力和水稳定性。

3 结束语

为了有效发挥不同类型试验检测方法在判断路桥沥青混合料性能与质量中的价值，该文在比较基质沥青与聚合物改性沥青两种混合料情境下，分析了试验检测方法的具体应用，直观呈现方法实际效果与应用价值。因此，在路桥施工中面临沥青混合料选择难题或改良沥青混合料前后判断效果时，均可以采用合适的试验检测方法，对沥青混合料路用性能做出正确判断，保障路桥工程质量。