沥青混合料设计成型方法对SAC沥青混合料路用性能的影响

杨瑞华， 彭妙娟

(1. 上海城建职业学院 土木与交通工程学院， 上海 201999； 2. 上海大学 土木工程系， 上海 200444)

沥青混合料设计中试件的成型方法对沥青混合料路用性能起着非常重要的作用。若在设计中混合料试件所受压实功偏小，实际路面上的沥青混合料在高温环境下容易引起泛油、车辙等问题。反之，若设计中混合料试件所受的压实功偏大，则实际路面上沥青混合料容易引起水损坏、疲劳损坏等一系列耐久性问题。

我国目前的沥青混合料设计主要采用马歇尔击实方法成型试件。这种方法物理指标明确，试验简单方便，易于室内和施工现场操作。但是随着交通量、轮胎压力和轴载的迅速增长，新材料、新工艺和新结构的不断涌现，这种方法逐渐显现出它的局限性，主要体现在：与路面设计不挂钩，不能准确的判断不同交通量对沥青混合料的技术指标，试件成型方法不能模拟行车压实等。

美国SHRP利用旋转压实方法成型试件进行沥青混合料设计，旋转压实成型方法利用汽车轮胎对路面的实际接触压强设定试验时的设计压强，考虑了竖向应力和剪切应力，模拟了现代压实机具，使混合料中的集料分布更接近现场的压实过程。

SAC沥青混合料采用较多的粗碎石形成骨架，沥青砂胶填充骨架中的孔隙并使骨架胶合在一起而形成的一种骨架密实型的沥青混合料。本次实验通过对SAC沥青混合料进行SGC旋转压实与马歇尔击实研究，分析不同成型方法设计对SAC沥青混合料的高温性能、水稳定性、疲劳性能的差别，将对SAC沥青混合料的设计、施工提供一些指导作用。

1 试验方案

混合料类型采用SAC-13沥青混合料。首先采用标准马歇尔击实方法、旋转压实100次和旋转压实125次成型试件，以4%空隙率所对应的油石比作为最佳油石比。然后再采用车辙试验、冻融劈裂试验、小梁弯曲疲劳试验分别评价不同成型方法设计的同种级配的沥青混合料高温稳定性、水稳定性和疲劳性。

本次研究采用SBS改性沥青，PG分级为70-22。粗集料采用辉绿岩，压碎值13%，粘附性5级。细集料采用石灰岩，压碎值21.5%，粘附性4级。填料采用32.5级水泥，水泥视密度为3 g/cm3。混合料类型为SAC-13，级配见表1。

表1 试验所用SAC-13级配 %

采用相同的集料、级配、以及同种类型的沥青，而成型方法不同，得到的最佳油石比汇总见表2。

表2 不同成型方法设计的沥青混合料最佳油石比 %

2 不同成型方法设计的沥青混合料高温性能比较

2.1 车辙试件成型

本次研究选用车辙试验方法评价沥青混合料高温稳定性。采用马歇尔方法设计的SAC沥青混合料，其轮碾成型试件压至马歇尔标准密度100%±1%；采用旋转压实100次设计的沥青混合料，其轮碾成型试件压至旋转压实100次的标准密度100%±1%；采用旋转压实125次设计的沥青混合料，其轮碾成型试件压至旋转压实125次的标准密度100%±1%。通过反复试压，确定了不同成型方法设计的沥青混合料轮碾成型次数见表3。

表3 车辙试件碾压成型次数及体积指标汇总

2.2 车辙试验

进行60 ℃车辙试验，采取动稳定度和60 min末的相对变形值作为评价高温稳定性的指标。不同成型方法设计的沥青混合料车辙试验结果见表4。

从车辙试验结果可以看出，无论是动稳定度指标还是60 min末的相对变形，SGC旋转压实100次设计的混合料高稳定性能最好，而标准马歇尔成型设计的混合料高温性能最差。我国现行试验规范中，对于平行试验动稳定度试验结果的变异系数允许值为20%，而SGC旋转100次的动稳定度结果与SGC旋转125次结果的变异系数才仅为0.38%，远远小于20%。这说明，这两组动稳定度结果应该是属于同一水平。

表4 车辙试验结果

3 不同成型方法设计的沥青混合料水稳定性能比较

沥青路面水损害是路面早期破坏的重要因素之一。采用冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性，也有利于与我国其他工程的水稳定性进行比较。三种不同成型方式设计的沥青混合料冻融劈裂试验结果汇总见表5。

表5 冻融劈裂试验结果汇总

按照三种成型方法设计的沥青混合料，其冻融劈裂强度比均满足现行规范中大于75%的要求。其中按标准马歇尔成型方法设计的混合料水稳定性最好，而按照SGC旋转压实125次设计的混合料水稳定最差。

4 不同成型方法设计的沥青混合料疲劳性能比较

道路受环境气温影响和车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，当荷载重复作用超过一定次数后，产生疲劳断裂破坏，路面出现裂纹。

在本次研究中，采用小梁弯曲疲劳试验测试沥青混合料的疲劳性能。加载控制方式采用应力控制，三分点加载。荷载波形采用正弦波荷载，加载频率为10 HZ，试验温度为15 ℃。疲劳试验的小梁试件采用轮碾成型切割而成，试件尺寸为50×50×250 mm3。试验过程中，首先测出每一种沥青混合料的弯拉强度，根据弯拉强度确定0.2，0.3，0.4，0.6，0.7等五个不同的应力比作为应力水平。

4.1 弯拉强度试验

在进行疲劳试验之前，对沥青混合料小梁试件进行了弯拉强度试验，三种不同成型方法设计的SAC-13沥青混合料抗弯拉强度均值见表6。从表6可以看出，旋转压实125次设计的沥青混合料抗弯拉强度最大，而旋转压实100次设计的沥青混合料抗弯拉强度最小。

表6 SAC-13沥青混合料抗弯拉强度 Mpa

4.2 疲劳试验分析

采用三种不同成型方法设计的SAC-13沥青混合料小梁弯曲疲劳试验结果见表7，将试验结果进行回归分析，不同成型方法设计得到的沥青混合料应力与疲劳寿命双对数曲线见图1，双对数曲线基本呈线性关系，回归系数R2均大于0.9，这说明曲线的相关性都比较好，数据准确性较高。回归得到的SAC-13沥青混合料疲劳方程汇总见表8，疲劳方程基本形式为：

图1 不同设计成型方法设计的SAC-13双对数疲劳寿命曲线

设计成型方法应力水平弯拉强度/MPa疲劳寿命平均值对数疲劳寿命平均值标准差标准马歇尔成型0.20.96400824.60080.05280.31.44144334.15050.10810.41.9281023.90560.06130.62.8820853.30000.1535310.73.33611833.06800.0788旋转压实100次0.20.96670884.82660.00430.31.44216614.33310.05820.41.9269953.84290.04970.62.8823213.34760.15550.73.38412083.08190.0200旋转压实125次0.20.912372034.57050.01060.31.392260024.41020.07920.41.848135394.13120.02370.62.78419663.28550.10330.73.2414733.15610.1289

式中：Nf为疲劳寿命；σt为施加的应力；K，n为系数。

疲劳方程中的系数n反映了沥青混合料疲劳寿命对所施加应力的敏感程度，n越大表明疲劳寿命对应力变化的敏感程度越大，试验结果表明采用旋转压实100次设计的混合料疲劳寿命对应力变化的敏感度最大，而标准马歇尔击实设计的混合料疲劳寿命对应力变化的敏感度最小。疲劳方程中的系数k反映了沥青混合料疲劳性能的好坏，k越大表明材料的抗疲劳性能越好，试验结果标明采用旋转压实100次设计的混合料具有最好的抗疲劳性，采用标准马歇尔击实设计的混合料抗疲劳性最差。

表8 不同方法设计的SAC-13疲劳寿命方程

5 试验结果分析

本次试验结果表明，对于骨架密实型的SAC多碎石沥青混合料采用SGC旋转压实100次成型设计，能得到更好的综合路用性能。这主要是因为：SAC多碎石沥青混合料中的粗集料较多，4.75 mm粒径以上的粗集料含量比例达70%。标准马歇尔击实方法是采用标准锤冲击的方法对材料进行压实，成型的冲击力容易使粗集料击碎，不利于粗集料的重新定向排列，改变了集料级配组成。而旋转压实成型方法的压实机理与施工现场压实机具的作用机理相似，对集料有定向压实作用，有利于粗集料的定向排列形成骨架，同时降低了粗集料击碎值，保持了级配的稳定性。旋转压实125次成型设计混合料路用性能与100次成型相比有所降低，这说明单纯通过增加压实功的方式提高混合料密实度是有限的，压实次数超过100次后，对于SAC-13沥青混合料的压实效果增加不明显，而且会增加粗集料的破碎率。

标准马歇尔击实成型设计的沥青混合料最佳油石比最大，达到5.7% ，较旋转压实成型设计的最佳油石比多2%～4%。这说明，为了达到混合料4%的空隙率，马歇尔成型的沥青混合料需要更多的沥青去填充集料间空隙。沥青的增加，势必会造成沥青混合料高温稳定性的减弱，水稳定性的增强。这也是造成标准马歇尔击实成型设计的SAC沥青混合料动稳定度结果最差，而冻融劈裂强度比TSR最小的原因。

为进一步验证分析的结论，对不同成型方法设计的沥青混合料成型前后4.75 mm筛孔通过率进行分析，对比不同成型方式下SAC-13沥青混合料的粗集料破碎率，试验结果见表9。试验结果表明标准马歇尔击实对集料的破碎作用最大，破碎率高达9.1%；旋转压实成型的集料破碎率明显小于标准马歇尔击实成型，且随着旋转压实次数的增加，粗集料破碎率呈增加趋势。

表9不同成型方式下SAC-13粗集料破碎率%

成型方式成型前4.75 mm通过率成型后4.75 mm通过率粗集料(4.75 mm以上)破碎率标准马歇尔击实3039.19.1旋转压实100次3033.33.3旋转压实110次3034.14.1旋转压实120次3034.84.8

基于以上分析，可以发现SAC多碎石沥青混合料粗集料含量很大，标准马歇尔击实方法难以压实，结合施工现场情况，建议施工现场多增加重型压实机具，以克服粗集料之间摩阻力，并提高混合料摊铺温度和压实温度，增加混合料的有效压实时间。

7 结 论

(1)综合高温稳定性、水稳定性以及疲劳性能的试验结果，对于骨架密实型的SAC多碎石沥青混合料采用SGC旋转压实100次成型设计，会得到更好的综合路用性能。

(2)当沥青混合料中粗集料较多时，采用标准马歇尔击实试验会造成较多粗集料破碎，使用SGC旋转压实100次的压实效果较好.

(3)SAC沥青混合料现场施工应多增加重型压实机具，提高混合料摊铺温度和压实温度，增加混合料的有效压实时间。

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