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，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。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方法時的水平：馬歇爾試件成型過程與道路實際壓實有較大的差異，只通過增加擊實次數(shù)來提高密實程度，結(jié)果不但沒有明顯地增加密實程度，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，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際情況，世界各國對此成型方式進行了研究.主要有法國的LCPC旋轉(zhuǎn)壓實、美國SHRP旋轉(zhuǎn)壓實儀SGC (Shear Gyratory Compaction)、美國工程兵旋轉(zhuǎn)壓實儀GTM(Gyratory Test Machine)三種。其中美國SHRP曾對旋轉(zhuǎn)壓實、輪碾壓實、馬歇爾壓實的試件和現(xiàn)場鉆芯試件進行了工程性質(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場，正在進行臨建和備料的準(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)計方案等進行了評估和論證.最終敲定上面層采用4cmAC-13C改進型、SMA-13.中面層采用6cmAC-20C改進型.下面層采用8cmAC-25C改進型。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)外的先進經(jīng)驗，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，因為增加壓實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儀進行試驗。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。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試驗試件的尺寸比標(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)馬歇爾擊實以及旋轉(zhuǎn)壓實儀參數(shù)

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

　　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 壓實角(℃) 1.25

　　擊實次數(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過程中可以更加充分地移動、嵌擠，使試件更加密實，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。因為我們經(jīng)常遇到標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾壓實度超出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，實際上這是標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實功過小和試件尺寸效應(yīng)的緣故。

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