瀝青路面成型方式與瀝青用量的關(guān)系分析

　　0 概述

　　國內(nèi)外對熱拌瀝青混合料的設(shè)計多采用馬歇爾設(shè)計方法， 即采用擊實(shí)成型的方法對各種體積參數(shù)，諸如瀝青用量、空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制的體積設(shè)計方法。該方法最早由密西西比州公路局的Brue.Marshall提出。1948年美國陸軍工程兵部隊對馬歇爾方法加以改進(jìn)，于1949年正式為美國陸軍所采用，并添加了一些測試性能和嚴(yán)格的體積參數(shù)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。最終發(fā)展成為混合料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。馬歇爾方法經(jīng)過半個多世紀(jì)的應(yīng)用，對瀝青路面設(shè)計做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。但隨著現(xiàn)代瀝青路面的發(fā)展、交通量的增大、輪胎壓力和軸載的迅速增長，這種帶有經(jīng)驗(yàn)性的方法逐漸顯示出一定的局限性：隨著交通量的增加.高壓輪胎的增多，會使瀝青混合料的最終密度超過建立馬歇爾試驗(yàn)方法時的水平：馬歇爾試件成型過程與道路實(shí)際壓實(shí)有較大的差異，只通過增加擊實(shí)次數(shù)來提高密實(shí)程度，結(jié)果不但沒有明顯地增加密實(shí)程度，反而會造成集料的破碎，從而改變礦料的級配;在現(xiàn)代施工工藝條件下，馬歇爾設(shè)計的瀝青用量普遍偏大，致使瀝青路面產(chǎn)生過早的車轍、推移、壅包等。眾所周知，瀝青路面設(shè)計最重要的技術(shù)指標(biāo)莫過于瀝青用量和空隙率，當(dāng)瀝青混合料礦料間隙率(VMA)確定后，空隙率就完全取決于瀝青用量的大小了?，F(xiàn)行《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052―2000)(以下簡稱規(guī)程)規(guī)定，當(dāng)采用較大粒徑的瀝青混合料時，應(yīng)用等量代替方法，將不可避免地導(dǎo)致礦料級配的改變 隨之我國試驗(yàn)規(guī)程給出了大粒徑瀝青混合料的大馬歇爾(ф152.4x95.3mm)方法，較普通或標(biāo)準(zhǔn)、小馬歇爾(ф101.6~63.5mm)方法有了改進(jìn)，但對最佳瀝青用量的影響程度又如何呢?為了模擬行車荷載碾壓的實(shí)際情況，世界各國對此成型方式進(jìn)行了研究.主要有法國的LCPC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、美國SHRP旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀SGC (Shear Gyratory Compaction)、美國工程兵旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀GTM(Gyratory Test Machine)三種。其中美國SHRP曾對旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、輪碾壓實(shí)、馬歇爾壓實(shí)的試件和現(xiàn)場鉆芯試件進(jìn)行了工程性質(zhì)的相關(guān)分析，結(jié)果表明：馬歇爾成型試件的工程性質(zhì)與現(xiàn)場鉆芯試件的工程性質(zhì)的相關(guān)性最差.只有7%的相似性，而SGC與現(xiàn)場鉆 取樣的相關(guān)性達(dá)到了45%。

　　安徽省沿江高速公路瀝青路面東西兩段(YJ1、YJ3)全長110.3km，：劃分為5個路面標(biāo)段， 目前各施工單位已進(jìn)場，正在進(jìn)行臨建和備料的準(zhǔn)備工作。之前省高指組織了對沿線石料、水泥等材料的調(diào)查和兩次瀝青路面施工圖審查老師論證會，詳細(xì)地對瀝青混合料的類型、材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案等進(jìn)行了評估和論證.最終敲定上面層采用4cmAC-13C改進(jìn)型、SMA-13.中面層采用6cmAC-20C改進(jìn)型.下面層采用8cmAC-25C改進(jìn)型。接下來的前期工作就是如何設(shè)計一個路用性能良好的瀝青路面。國際上有各式各樣的配合比設(shè)計方法，我國現(xiàn)行的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40―2004)(以下簡稱規(guī)范)明確了以馬歇爾方法為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計方法，同時也允許采用其他的設(shè)計方法，因而我們不應(yīng)該、更不能拘泥于技術(shù)規(guī)范，在有條件的地方和工程中，應(yīng)學(xué)習(xí)國際上或省內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，使配合比設(shè)計水平得到提高 應(yīng)該明白，盡管對材料的質(zhì)量規(guī)格、瀝青混合料的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范中都有明確的規(guī)定，規(guī)范也提出了推薦的集料級配范圍，但并不是說，滿足規(guī)范要求的設(shè)計就一定是合理的設(shè)計，更不等于是一個好的設(shè)計，規(guī)范的要求往往只是最起碼的要求，且規(guī)范的指標(biāo)并不一定與瀝青路面的使用性能有直接的關(guān)聯(lián)。本項目采用SHRP旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式設(shè)計瀝青路面，并采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾方法作為檢驗(yàn)的雙控設(shè)計方法，確地確定兩者最佳的瀝青用量的關(guān)系，期指導(dǎo)沿江高速公路瀝青路面用油量的準(zhǔn)確控制。研究認(rèn)為，對重交通路段可以通過適當(dāng)提高設(shè)計空隙率和減少瀝青用量的方法來解決，因?yàn)樵黾訅簩?shí)功最直接的影響是使最佳瀝青用量減少;對下面層AC-5大粒徑瀝青混合料采用大型馬歇爾設(shè)計方法。所采用的瀝青混合料公稱最大粒徑為26.5mm～31.5mm規(guī)范規(guī)定，26.5mm篩孔的通過率為90%～100%。就是說，大于26.5mm篩孔的礦料用量有10%左右，試驗(yàn)規(guī)程還規(guī)定，將大于26.5mm的顆粒篩除后用等量的13.2mm～26.5mm顆粒代替.然后用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾或普通馬歇爾試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)。這種替代方法必將破壞原定瀝青混合料的礦料級配，且替代量越大，級配被破壞的越嚴(yán)重。眾所周知，礦料級配對用同樣試驗(yàn)方法得到的瀝青混合料的密度和空隙率有顯著影響，因此，用替代方法得到的瀝青混合料的密度和相應(yīng)的空隙率，不能代替這種混合料在所定的擊實(shí)功下的最大密度和相應(yīng)的空隙率。用此結(jié)果來控制施工，容易產(chǎn)生誤導(dǎo).按此結(jié)果來制備室內(nèi)試件并做混合料的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。也會得出錯誤的結(jié)果，這就是我們對下面層瀝青混合料為什么要使用大型馬歇爾設(shè)計的原因?，F(xiàn)筆者將前期工作中對SGC、大Marshall、小Marshall三種成型方式對瀝青用量影響的研究成果整理出來，與廣大公路科技工作者、公路界同行交流，希望能得到有益的啟示

　　1 三種成型方法及參數(shù)

　　沿江高速公路瀝青路面下面層的混合料粒徑較大，也稱大粒徑瀝青混合料(LSM)，設(shè)計上應(yīng)采用150mm試件，目前可以采用兩種設(shè)計方法，即大馬歇爾法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型法，三種試件的成型儀器參數(shù)見表1。其中大型馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)試件的尺寸比標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件尺寸放大了50%.在保證落錘高度不變的前提下，落錘重量為10.2kg.每面擊實(shí)次數(shù)為112次。本質(zhì)上是從小馬歇爾按能量等效換算所得的試件尺寸，主要是由于小馬歇爾體積過小，造成大粒徑混合料邊際效應(yīng)影響較大的緣故而采用。大量的研究結(jié)果表明，采用大Marshall和小Marshall成型相同類型的瀝青混合料.有如下結(jié)論：

　　a)大Marshall穩(wěn)定度/小Marshall穩(wěn)定度=1.42～3.04(倍)，平均為2.2倍;

　　b)大Marshall流值/小Marshall流值=1.1 1-2.05(倍)：

　　表1 大型馬歇爾、標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)以及旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀參數(shù)

　　擊實(shí)參數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾 大型馬歇爾 SHRP旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀

　　試件直徑(mm) 101.6 152.4 直徑(mm) 150

　　試件標(biāo)準(zhǔn)高度(mm) 63.5 95.3 高度(nln1) 115

　　落錘質(zhì)量 (kg) 4.53 10.2 壓力(kPa) 6oO

　　落錘高度(mm) 457 457 壓實(shí)角(℃) 1.25

　　擊實(shí)次數(shù) 75 l12 轉(zhuǎn)速(rpm) 30

　　每次單位表面功 0.002 503 7 0.002 505 5.

　　(N .m/mm2)

　　體擊實(shí)功 0.002 957 0.002 946

　　(N.m/mm3)

　　C)大Marshall表干密度/小Marshall表干密度=1.009 4―1.209 7(倍)。

　　從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：a)當(dāng)空隙率為4.0%時.大馬歇爾、小馬歇爾和SGC試件對應(yīng)的最佳瀝青含量分別為5.7% 、6.2% 、5.5% ， 即大馬歇爾最佳瀝青含量比小馬歇爾低0.5%，比SGC高0.2%：b)大馬歇爾試件空隙率和礦料間隙率隨瀝青含量的增加，

　　其線位介于小馬歇爾試件和SGC試件之間，并且曲線斜率變化比小馬歇爾和SGC快;c)大馬歇爾試件的粗集料間隙率(VCAmix)和瀝青飽和度(VFA)的曲線線位比小馬歇爾試件和SGC試件都高，說明大馬歇爾試件粗集料間隙率(VCAmix)隨瀝青用量的微弱增加.粗集料之間磨阻力的降低更快.有利于粗骨料的分布和瀝青膠漿充分地填充于粗集料之間。

　　2 結(jié)語

　　2.1 可以看出，對同一級配的瀝青混合料，不同成型方式確定的最佳瀝青用量相差較大.遠(yuǎn)超出最佳瀝青用量±0.3%的范圍，標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾確定的瀝青用量最大，大型馬歇爾次之，SGC最小。如果沿江瀝青路面僅按標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾方法設(shè)計，可能會導(dǎo)致瀝青用量偏大，因此本項目應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和馬歇爾雙控設(shè)計方法。筆者認(rèn)為，評價瀝青混合料配合比設(shè)計是否合理、是否優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是：必須符合規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量要求。一個好的設(shè)計應(yīng)使瀝青路面具有良好的路用性能;所設(shè)計的混合料必須有利于施工;所設(shè)計的混合料應(yīng)具有良好的成本經(jīng)濟(jì)效益。

　　2.2 由于大型馬歇爾試件尺寸的增大.試件內(nèi)部的大粒徑碎石在擊實(shí)過程中可以更加充分地移動、嵌擠，使試件更加密實(shí)，這樣可有效地降低用油量，改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能，同時試件密度的增大，還對現(xiàn)場施工具有一定的指導(dǎo)意義。因?yàn)槲覀兘?jīng)常遇到標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾壓實(shí)度超出100%的情況，往往產(chǎn)生瀝青路面“過碾”的假象，導(dǎo)致瀝青路面滲水，實(shí)際上這是標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)功過小和試件尺寸效應(yīng)的緣故。

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