振動成型瀝青混合料在路面中的應用研究

孫建 SUN Jian

（濰坊交通發展集團有限公司，濰坊 261061）

0 引言

交通量的劇增對我國瀝青路面的路用性能提出了嚴峻的考驗，特別是重載車輛向著重型、多軸、集裝箱等方向的轉變，車輛荷載也隨之發生較大的變化[1]。這就導致我國以中輕交通為出發點所建立的瀝青混合料設計體系越來越難以適應車輛荷載的迅猛增長[2]。我國當前以馬歇爾法作為瀝青混合料的材料設計方法已經沿用多年，相關研究認為，其與瀝青混合料在路面使用過程中的性能僅有70%~80%的相關性[3-4]。對于高等級公路，馬歇爾試件的擊實次數為雙面75 次，該數值對于其他等級公路則為50 次，這其中存在兩個問題，一個是擊實錘的擊實方式與實際工程中的壓實工藝差異性較大，另一個則是與現代交通重載車輛較多的現狀不相符[5]。許多國家已經摒棄了馬歇爾設計法，并將目光轉向Superpave 法、Hveem 法以及GTM 法，上述方法的共性為模擬壓路機壓實過程中的揉搓作用，對于瀝青混合料內部形成更加穩定的嵌擠結構具有較大的作用[6-7]。也有部分國家在馬歇爾體積設計法的基礎上加大了室內擊實功，例如印尼將擊實次數提升為100 次，以此來適應日益增長的重載交通[8]。振動成型瀝青混合料是由長安大學團隊提出的，該技術在分析了國內重在交通早期病害的基礎上，完善了重交通瀝青混料的壓實標準，研究表明，振動成型瀝青混合料對抗拉強度、動穩定度、抗剪強度等有著20%以上的提升幅度，而對于車轍深度則有著20左右的降低效果[9]。相較于Superpave 法、Hveem 法以及GTM 法，振動成型法更容易容易被國內所接受，相關設備也無需依靠國外進口，具有較大的推廣價值[10]。

本文基于上述背景，從振動成型法對瀝青混合料體積指標的影響出發，分析了振動成型法對瀝青混合料的體積參數、力學特性及相關路用性能的作用規律，提出了振動成型瀝青混合料的設計方法與標準，并對室內小型試驗場地內的進行了實體路面的鋪筑與檢測。研究成果對振動成型瀝青混料在瀝青路面中的推廣應用具有一定的實際意義。

1 試驗設計

1.1 原材料

本文選用的瀝青為山東高速物資儲運有限公司生產的SBS 改性瀝青，粗集料為玄武巖，細集料為石灰巖，填料為石灰巖礦粉，各項材料的技術性能均滿足相關規范的技術要求，具體指標見表1。

表1 原材料技術性能

以上述材料為原材料，拌制AC-16 瀝青混合料備用。

1.2 實驗方法

選擇振動成型儀，其振動頻率為40Hz，上下車質量分別為110kg 以及170kg，靜偏心夾角為120°，靜偏心力矩為0.11kg·m。利用上述儀器制備AC-16 瀝青混合料振動成型試件，碾壓試件為20s、40s、60s、80s 和100s，并對上述不同的試件進行體積指標的檢測，分別檢測其空隙率和毛體積相對密度，然后對碾壓時間各不相同的AC-16 試件進行力學指標（動穩定度）的測試，最后進行動穩定度、破壞應變、殘留穩定度及凍融劈裂殘留強度比進行檢測，對比路用性能。為了使上述試驗結果具有可比性，本文選擇了馬歇爾法制備了傳統的AC-16 馬歇爾試件，并開展了同步試驗，試驗結果作為參照輔助分析。

在上述試驗完成后，優選出合適的振動成型碾壓時間，并以此作為振動成型瀝青混合料的設計標準，隨后在實驗室內開展了小型實體工程的鋪筑，觀察并對比實際效果。

2 振動成型瀝青混合料的技術性能

2.1 體積參數

對瀝青振動成型儀制備的不同碾壓時間下的AC-16試件及傳統馬歇爾AC-16 試件進行體積指標的檢測，檢測結果見表2。

表2 AC-16 瀝青混合料體積指標

表2 顯示，隨著振動成型碾壓時間的延長，AC-16 的毛體積密度呈現出逐漸增大的趨勢，但該趨勢隨著相對密度的增大而逐漸放緩；此外空隙率隨著碾壓時間的延長而迅速減小，當振動成型達到80s 時，空隙率達到了2.0%。對比振動成型與馬歇爾法不難看出，馬歇爾法制備的AC-16 的空隙率大約相當于振動成型30s 時的空隙率。

上述現象表明，振動成型能夠獲得比馬歇爾法更加密實的瀝青混合料，這對于提高瀝青混合料的實驗室基礎密度具有重要的作用，也對施工現場壓實度提出了更高的要求。

2.2 力學性質

對瀝青振動成型儀制備的不同碾壓時間下的AC-16試件及傳統馬歇爾AC-16 試件穩定度檢測，檢測結果見圖1。

圖1 穩定度試驗結果

穩定度反應的是試件在遭受荷載的作用下，能夠表現出的最大力值，一般而言，穩定度越大，瀝青混合料力學性能也就越強。從上圖可以看出傳統的馬歇爾試件的穩定度能夠達到8kN 以上，這雖然已經滿足了規范規定的最低值，但是相較于振動成型，特別是振動成型時間在40s 以上的試件而言尚有較大的差距。振動成型60s 時，試件的穩定度便可以達到12kN，振動成型100s 時，其穩定度甚至接近14kN，遠遠高于傳統馬歇爾試件的8.7kN。這表明較低的空隙率對于提高瀝青混合料的力學性能具有顯著的作用。

2.3 路用性能

對瀝青振動成型儀制備的不同碾壓時間下的AC-16試件及傳統馬歇爾AC-16 試件進行路用性能檢測，檢測結果顯示當振動成型次數達到60s 后，瀝青混合料的動穩定度便可以接近最高值，這幾乎是傳統馬歇爾法制備的瀝青混合料的兩倍。我國現行規范采用動穩定度指標進行瀝青混合料抗車轍性能的評價，一般而言，動穩定度數值越高，抗車轍性能越強，由此可以得出，振動成型時間越長，混合料越密實，其抗車轍性能也就越突出。在低溫彎曲試驗中，與動穩定度試驗規律相類似，不同的是，振動成型對破壞應變的提升幅度不是特別大，這與影響瀝青混合料的低溫影響因素有關。混合料的低溫抗裂性能一方面取決于瀝青材料自身的低溫勁度模量，另一個方面則是混合料的級配類型與密實程度。而振動成型影響的僅僅為混合料的密實程度，所以其對低溫性能的提升幅度有限，就振動成型60s 而言，相對傳統的馬歇爾法提升幅度在30%左右。浸水試驗和凍融劈裂強度試驗的試驗結果規律相仿，都是振動成型20s 時最低。傳統馬歇爾試件的殘留穩定度和TSR 略低于振動成型40s 時的數值，但顯著小于振動成型60s、80s 以及100s 時的試件。殘留穩定度和TSR 均是瀝青混合料水穩定性能的評價指標，數值越大，表征混合料的水穩定性越強，反之越小。我國瀝青路面的早期病害基本上與水有關，所以水穩定性相較于我國瀝青路面早期病害的防治而言具有重要的意義，從這一角度出發，振動成型60s 以上的混合料具有較強的水穩定性，這對振動成型工藝及標準的制定具有一定的指導作用。

2.4 振動成型工藝的確定

從上述試驗結果來看，當振動成型60s 及以上時，瀝青混合料將擁有較大的密度、較小的空隙率、較強度的力學性能、較大的抗車轍性能與低溫抗裂性能，同時擁有較強的水穩定性，從該角度出發，推薦振動成型60s 作為標準成型工藝。

此外，空隙率指標作為瀝青混合料最為重要的一項體積參數，其對混合料的技術性能的影響起著決定性的作用。目前業界一般認為，瀝青混合料的空隙率一般不宜低于2.0%，當空隙率低于該數值時，瀝青路面的在使用過程中容易產生泛油病害，影響車輛行車安全。結合本文的試驗結果，當振動成型80s 或100s 時，瀝青混合料的空隙率迫近或突破了2.0%這一限值，所以即便是其力學性能及路用性能合理，也不推薦該成型方式。

綜上，本文推薦振動成型60s 作為瀝青混合料振動成型的標準工藝，并以振動成型60s 得到的毛體積相對密度為標準，以此進行瀝青路面壓實度的控制標準。

3 工程應用

本文基于上述理論對振動成型進行了小尺寸工程應用，分別拌制了AC-25、AC-20 和AC-16 瀝青混合料，并在實驗室內分別進行了振動成型瀝青混合料毛體積相對密度的測試，計算壓實度試驗結果見表3，然后以壓實度98%的要求分別鋪筑了3m 的瀝青路面，路面結構為下面層AC-25，中面層AC-20，上面層AC-16。鋪筑完畢之后第二天鉆芯取樣，分別測試芯樣的空隙率及穩定度指標，并判斷壓實度。隨后對路面開展了加速加載試驗，加載速度為12km/h，加載長度為6m，模擬重交通6 年的交通量后對路面進行檢測，檢測結果匯總于表3。

表3 路面檢測試驗結果

從試驗結果可以看出，實驗室采用振動成型瀝青混合料，從而對瀝青瀝青路面進行施工控制，在壓實度相仿的前提下所得到的瀝青路面擁有空隙率較小，穩定度較大，同時在加速加載之后所產生的車轍深度約為傳統路面的1/3，并且未見水損害病害。

由此可以得出，振動成型瀝青混合料對于提高瀝青路面的各項路用性能具有顯著的作用。

4 結論

本文從振動成型法對瀝青混合料體積指標的影響出發，分析了振動成型法對瀝青混合料的體積參數、力學特性及相關路用性能的作用規律，提出了振動成型瀝青混合料的設計方法與標準，并對室內小型試驗場地內的進行了實體路面的鋪筑與檢測，所取得的研究成果總結如下：

①振動成型能夠獲得比馬歇爾法更加密實的瀝青混合料，毛體積相對密度較大，空隙率較小。

②振動成型時間越長，混合料越密實，其抗車轍性能越突出、低溫抗裂性及水穩定性也越強。

③推薦振動成型60s 作為瀝青混合料振動成型的標準工藝，并以振動成型60s 得到的毛體積相對密度為標準進行瀝青路面壓實度的控制標準。

④振動成型瀝青混合料對于提高實體工程中瀝青路面的各項路用性能具有顯著的作用。