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沥青混合料体积?#38382;?#24433;响因素分析

摘 要:研究了马歇尔试验击实?#38382;?#30701;期老化、成型压实方法、成型温度几种试验条件对密级配沥青混合料体积?#38382;?#30340;影响。结果表明:击实?#38382;?#26174;著影响密级配沥青混合料的体积?#38382;?#38543;着击实?#38382;?#30340;增加,马歇尔试件的空隙率和矿料间隙率减小,试件的沥青饱?#25237;?#22686;加;沥青混合料老化后的体积指标变化规律与老化前一致,随着沥青混合料成型温度降低或老化,沥青混合料的矿料间隙率和空隙?#35797;?#22823;,沥青饱?#25237;?#20943;小,增加了沥青混合料水损坏的可能性。


关键词:道路工程;体积?#38382;欢?#26399;老化;成型方法

引言

目前,马歇尔设计法和Surperpave设计法是中国沥青混合料配合比设计的主要方法中国沥青网sinoasphalt.com。马歇尔设计方法采用击实成型,Surperpave设计方法则采用搓揉压实成型。成型方法不同,试件的密实度不同,继而使得最佳油石?#30830;?#29983;变化,其中体积?#38382;?#26159;影响混合料最佳油石比的关键指标之一[1-4]。


张爱芳等研究了成型方法对沥青混合料体积?#38382;?#21450;路用?#38405;?#30340;影响,指出通过旋转压实获得的沥青混合料试件的空隙率、间隙率大于马歇尔击实试件,而沥青饱?#25237;?#23567;于马歇尔击实试件。鲁正兰等在不同击实温度条件下,通过对SMA-13、SUP-13、AC-13混合料和温拌橡胶沥青混合料进?#26032;?#27463;尔试验得出:随着击实温度的降低,沥青混合料矿料间隙率、空隙率以及流值增大,而沥青饱?#25237;?#21450;稳定度减小[5]。杨燕涛等比较了沥青混合料旋转压实法与传统马歇尔击实法对试件密?#21462;?#21147;学?#38405;?#21450;路用?#38405;?#30340;影响,指出旋转压实法?#19979;?#27463;尔法能更好地模拟车轮荷载作用,具有更优的力学?#38405;?#21644;路用?#38405;埽?]。


2011年新颁布的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对沥青混合料试件密度的测试方法、体积?#38382;?#35745;算方法进行了补充完善,引入了有效相对密?#21462;?#26377;效沥青用量、有效沥青体积?#23454;?#27010;念,沥青混合料由原来的三相体积计算体系转变为新的四相体积计算体系。故本文基于现行的试验规程和规范[7-11],通过理论分析、公式计算和试验验证,分析影响AC类密级配沥青混合料体积?#38382;?#30340;因素,为混合料设计和施工提供参考。

击实?#38382;投?#26399;老化对沥青混合料体积?#38382;?#30340;影响

试验采用玄武岩集料成型的AC-16C沥青混合料,采用最佳油石比进?#26032;?#27463;尔击实试验,在相同击实温度时,选择击实?#38382;?#20998;别为40、50、60、75、90、100次,研究不同击实?#38382;?#23545;沥青混合料体积?#38382;?#30340;影响[12-15]。同时,为了分析现场?#35775;?#28151;合料从出料到摊铺过程中受沥青老化的影响,对AC-16C沥青混合料进行短期老化处理,对比老化前后沥青混合料体积指标的变化情况[16]。老化处理的程序为?#33322;?#25292;和好的沥青混合料置于温度为135℃的烘箱中保温2h,然后升温至击实温度进?#26032;?#27663;击实试验,进而测算其体积指标。击实试验试件的各相关指标与击实?#38382;?#30340;关?#31561;?#22270;1、2所示。?#27833;?、2可以看出,随击实?#38382;?#30340;增加,空隙率?#27663;?#24615;减小,当击实?#38382;?#36229;过90次,空隙率基本无变化,?#19994;?#20987;实?#38382;?#20174;90次增加到100?#38382;保?#35797;件表面碎石显著增多,说明?#31890;?#23494;级配类沥青混合?#19979;?#27463;尔击实?#38382;?#23452;小于90次。击实?#38382;?#20174;75次增加到90?#38382;保?#32769;化前沥青混合料空隙率从4.48%降为3.64%,空隙率降幅为18.8%;老化后空隙率从6.73%降为6.06%,降幅为10.0%。因此,要保持相同的设计空隙率,沥青混合料无论是否老化,马歇尔击实?#38382;?#39640;的沥青混合料的设计油石比较击实?#38382;?#20302;的混合料低。

沥青混合料体积?#38382;?#24433;响因素分析 中国沥青网,sinoasphalt.com
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对比老化前后沥青混合料体积?#38382;?#38543;击实?#38382;?#30340;变化曲线可知:老化前后混合料的体积?#38382;?#38543;击实?#38382;?#30340;变化规律一致,说明击实?#38382;?#23545;混合料体积?#38382;?#30340;影响不随老化而改变?#22351;?#32769;化后沥青混合料的试件高度大于老化前的高度,老化后沥青混合料的空隙率大于老化前沥青混合料的空隙率。这是因为:当油石比?#27426;?#26102;,在高温环境下,集料吸入了部分沥青,使试件空隙?#35797;?#22823;,试件的毛体积相对密度减小,有效沥青含量降低。因此,沥青混合料短期老化后,其矿料间隙?#35797;?#22823;,沥青饱?#25237;?#20943;小。


由此可知,老化后沥青混合料的空隙率和矿料间隙?#35797;?#22823;,沥青饱?#25237;?#20943;小,可能超出规范的设计要求,易形成渗水,增加了沥青层水损坏等破坏的可能性,且老化后沥青混合料压?#36947;?#38590;,沥青层厚将?#23721;源?#21040;要求。因此,沥青混合料生产后宜立即铺筑压实,?#28304;?#21040;设计要求的体积指标,若保温时间过长,铺筑的?#35775;?#21508;项指标将难以符合要求,应予以废弃或者采取增加压实?#38382;?#31561;工艺措施。

 不同压实方法对沥青混合料体积参数的影响

当前通常采用马歇尔设计法和Surperpave设计法进行密级配沥青混合料设计。其中,马歇尔设计法强调混合料必须保证?#27426;?#30340;空隙?#26159;?#37325;?#29992;?#24230;,但试验成型方式与现场施工条件不一致,施工时集料易被击碎,造成级配改变。Surperpave混合料设计法把材料选择与混合料设计集中在设计方法中,把材料特性同?#35775;?#32467;构特性联系起来预测?#35775;嫘阅埽?#20294;需要大量的基础性数据支撑和后期?#23548;?#39564;证[17-18]。


本文选用玄武岩集料AC-16C密级配沥青混合料,采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%五种油石比,分别通过马歇尔击实方法和旋转压实方法成型试件,研究2种不同的成型方法对沥青混合料体积?#38382;?#30340;影响,试验结果如图3所示。


?#27833;?可以得出:随着油石比的增加,试件毛体积相对密度?#35797;?#22823;的趋势,相同条件下旋转压实试件比马歇尔击实试件更?#29992;?#23454;,其毛体积相对密度均?#28304;?#20110;马歇尔击实试件;旋转压实试件的空隙率均小于马氏击实试件,二者之间的差值在0.5~1.0%之间,均值为0.7%。在相同级配和油石比下,马氏试件的矿料间隙率要大于旋转压实试件的矿料间隙率,二者之间的差值在0.53~0.89%之间,均值为0.69%;由于级配和沥青含量相同,沥青混合料试件中有效沥青百分率仅与毛体积相对密度有关,?#24066;?#36716;压实试件的有效沥青百分率大于马氏试件的有效沥青百分率;旋转压实试件的沥青饱?#25237;?#22823;于马氏试件的沥青饱?#25237;齲?#20108;者之间的差值范围为2.57-3.08%,均值为2.74%。


根据上述分析可知,马歇尔击实成型沥青混合料试件的过程与旋转压实揉搓压密过程的集料重构不同,各?#23548;?#26009;在落锤的冲击作用下主要表现为?#25307;?#25509;触,产生定量空间重构需要的能量大于Super-pave旋转压实法,因而旋转压实时的压实功大于马歇尔击实功。现场施工时,压实机具的轮胎与铺筑的混合料接触,通过机具本身的重力和振动作用进行压实,其机理与旋转压实工作机理类似,更接近柔性接触状态,与马氏试验中的?#25307;?#30896;?#27493;?#35302;不同,因此使用旋转压实进行级配设计与验证,与生产?#23548;?#30340;差异会降低到最小。

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 成型温度对沥青混合料体积?#38382;?#30340;影响

沥青是一种黏弹性材料,具有显著的感温性。沥青混合料在超过规定的压实温度下碾压,容易产生横向裂纹或推移,影响?#35775;?#30340;平整度;碾压温度过低,则?#35775;?#19981;易压实,形成较大的空隙而诱发水损坏,影响?#35775;?#32784;久性。因此,本文通过不同成型温度下的室内马歇尔试验,模拟不同的碾压温度对沥青混合料各种体积?#38382;?#30340;影响,分析温度与马歇尔试件各项体积?#38382;?#30340;关系。采用石灰岩集料和SBS改性沥青进行 AC-20C沥青混合料设计,其级配见表1 ;改性沥青混合料的拌和温度和碾压温?#30830;?#21035;为163℃和158℃ 。

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 为?#25628;?#31350;成型温度(高温、低温)对沥青混合料体积?#38382;?#30340;影响,将 AC-20C混合料的成型温度设为 60℃~190℃ 。确定最佳油石比为4.4% ,制备马歇尔试件,然后按?#23637;?#33539;要求测量混合料高?#21462;?#31354;隙率、矿料间隙率及饱?#25237;?#31561;体积?#38382;?#35797;验结果如图4 、5所示。

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?#27833;?可以看出,190 ℃时马歇尔试件高度是61.86mm ,空隙率为3.2% , 60 ℃ 时试件高度为72.19mm ,空隙率为8.5% 。高度净增10.33mm ,空隙?#35797;?#22823;3倍,说明随着成型温度的降低,试件高度和空隙率均?#27426;显?#22823;。


由图5可知,随着击实温度的增加,矿料间隙率呈减小趋势,饱?#25237;?#38543;之增加。这是因为:沥青的黏度随温?#30830;?#29983;变化,高温时沥青黏?#35748;?#23545;较小,为集料颗粒空间重构提供润滑条件,形成良好的嵌挤,成型试件的空隙率相对较小?#22351;?#24403;成型温度过高时,成型试件的空隙率过小,容易导致车辙?#22836;?#27833;等病害;而当混合料成型温度过低时,由于沥青黏度大,拌和时集料表面裹覆的大量沥青胶泥已经硬化,?#22351;?#36215;?#22351;?#28070;滑作用,反而会限制集料的运动 [19-20 ] 。所以,低温时进行压实作业,集料间的位置不易移动,空隙率大,混合料较难密实,导致沥青?#35775;?#21457;生早期水损坏、车辙和网裂等病害。因此,应严格控制沥青混合料摊铺温度和碾压温度,以期得到?#38405;?#26368;优的?#35775;妗?/span>

 结语

对于马歇尔设计法和Surperpave设计法,成型温度对沥青混合料的体积?#38382;?#22343;有较大影响,在相同的级配和油石比条件下,密级配青混合料旋转压实试件的空隙率?#19979;?#27663;击实试件的空隙?#24066;。?#37319;用旋转压实法确定的最佳油石比?#19979;?#27463;尔试验法略小。马歇尔击实?#38382;?#23545;混合料体积指标的影响不随老化而改变,无论老化与否,随击实?#38382;?#30340;增加,沥青混合料试件的空隙率和矿料间隙率?#25216;?#23567;,试件的沥青饱?#25237;?#22686;加。老化后沥青混合料的空隙率和矿料间隙率较老化前增大,而沥青饱?#25237;?#36739;老化前减小,增大了?#30828;?#31561;?#35775;?#26089;期病害的发生概率。

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