沥青混合料真空压实下强化力学性能

李晓辉李彦伟冯忠绪张良奇

(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室, 陕西西安710064;2.河北省交通规划设计院， 河北石家庄050011;3.河南万里交通科技集团股份有限公司， 河南许昌461000)

0 引言

沥青混合料主要由集料颗粒、沥青胶浆和空隙这三相材料组成，三者复杂的形状属性、空间分布及接触关系对混合料的宏观特性(如空隙率、密度等)与路用性能，如增强永久变形能力、抗车辙能力有着非常重要的影响[1-4]。如何更好的保证沥青路面的路用性能，提高路面使用寿命，一直以来是路面建设中的一个难点，而改进沥青混合料的力学性能，是其中一个有效的改善沥青路面质量的途径[5-8]。

国内外学者对改善沥青混合料力学性能的因素进行了大量研究，王修山等研究低标号沥青、外掺剂用量对高模量沥青混凝土力学性能的影响规律，认为低标号沥青可提高沥青混凝土的力学强度、劈裂强度和动态抗压模量,随外掺剂用量的增加呈增加趋势[9]。范亮平研究集料几何形状、空隙率对沥青混合料力学性能影响，认为最终沥青混合料均匀性与其高低温力学性能的变异系数有很好的相关性[10]。彭勇应用图像技术对集料分布对沥青混合料劈裂强度影响数值分析，认为集料分布状态越差，通过沥青混合料虚拟劈裂试验计算得到的压头反力均值的变异系数越大[11]。Saleh研究集料级配、矿物填料等对泡沫沥青稳定混合料力学性能的影响，认为集料级配和矿物填料对间接拉伸强度和断裂能的影响显著[12]。Wang等研究认为优化沥青—骨料之间的配比对沥青混合料的空隙率、密度、力学特性有着重要影响[13-14]。Edith和Silvia运用数值模拟的方法研究了沥青混合料内部结构的不均匀性对其力学特性的影响，研究表明均匀性不均一会削弱力学性能，引起裂缝[15-16]。上述研究中，对于沥青混合料力学性能的改进，更多的从材料和级配的角度入手，运用静压实、振动压实以及智能压实等组合工艺来进行加强[17-20]具有一定的局限性，基于此，本文从压实的角度，提出采用真空压实的方法改善沥青混合料的力学性能，为路面质量的提高探究新的施工工艺。

1 压实试验方法及过程

试验采用细粒式AC-13冷拌沥青混合料为铺设材料，其由乳化沥青、矿料、水和水泥等所组成。在配料中，乳化沥青含55 %的90#道路石油沥青，标准参照《沥青路面施工技术规范—JTG—2004》；水泥是普通硅酸盐水泥，标号32.5R；按《沥青路面施工及验收规范》(GBJ50092—96)规定，试验用集料及沥青混合料级配比例如图1所示。试验所用冷拌沥青混合料采用双螺旋无轴搅拌机搅拌完成，搅拌机公称容积为100 L，搅拌线速度为2.0 m/s；粗集料先人工拌匀，后遵照施工规范配比在搅拌机中拌料，最后加入水泥拌合适当时间完成冷拌混合料制备。

对于沥青路面，摊铺起到预压及路面平整的作用，是沥青路面建设的关键工艺，本文试验是在实验室完成的小型沥青路面铺筑试验，无法使用摊铺机进行铺筑，但为了保证同样预铺效果，设计了长度4.5 m、宽度为1 m槽钢导轨模型，试验时铺设沥青混合料厚度为0.07 m，保证每次试验中预铺路面高度统一且具有可操作性。对于铺筑的沥青路面，应用如图2所示的手扶式真空振动压路机进行碾压，手扶真空样机基于现有双钢轮压路机设计制造，其不同处是由前后钢轮空间及两侧壁的密封形成一个真空室，通过鼓风机抽取密闭式的空气形成具有一定真空度的沥青混合料密闭空间，沥青混合料碾压即可维持在真空环境下进行；其中压路机自重为350 kg、振动频率为47 Hz、激振力为2.71 kN。当振动和真空同时关闭时，该样机还可执行静碾压，因此，可用其展开静碾压、真空碾压、振动压实、真空振动压实，其中真空碾压时真空度为-0.01 MPa。为保证试验对比的精确性，每个样本路面先预压两遍；为了对比需要，将样本路面分五个区域后，再进行不同遍数的压实试验，分别执行压实总遍数为2、4、6、8、10的试验，用以评价力学性能特性随压实遍数的变化规律。

图1 沥青混合料配比
Fig.1 Ratio of asphalt mixture

图2 真空压实样机
Fig.2 Vacuum compaction prototype

2 沥青混合料压实后性能评价

在对沥青路面进行性能评价前，需对压实后的沥青路面先进行养生，如图3所示为压实养生后的沥青路面。养生完成后的沥青混合料用取芯机(钻头直径为Φ108 mm)分别对不同压实工况下(静碾压、真空静碾压、振动压实、真空振动压实)在不同压实总遍数(2、4、6、8、10遍)的试验区域分别取芯，通过试验设备对所取芯标样做劈裂强度测试和马歇尔稳定度测试。

图3 压实养生后的路面Fig.3 Pavement after compaction regimen

图4 累积沉降量随压实遍数的变化Fig.4 Variation of cumulative settlement amount with compaction number

图4是各压实工况下沥青混合料累积沉降量随压实遍数的变化规律，从整体上看，各工况累积沉降量随压实遍数呈现出普通的压实规律，即是压实深度为递增趋势；以总压实遍数10为界限，在压实的前4遍，由于混合料较为松散，累积沉降量增加较多，约占总沉降量三分之二以上；压实总遍数到6以后，路面累积沉降量曲线趋于平滑，累积增加不再明显，呈平缓上升趋势，表明6遍后沥青混合料具有较高的压实度，难以再压实。从图4中对不同工况进行对比，压实2遍后，对于静碾压，非真空下路面累积沉降量为4.6 mm，真空静碾压下累积沉降量为5.1 mm，增加值为0.5 mm，提高率约10.8 %；对于振动压实情形下，非真空下累积沉降量为8.4 mm，真空下累积沉降量为9.2 mm，提高率为9.5 %。当路面进行完10遍压实作业后，对有真空和非真空的压实效果进行对比，静碾压在真空下的累积沉降量比非真空下提高1.5 %，振动压实在真空下累积沉降量比非真空下增加了2.5 %，振动压实引入真空环境效果更好。对比碾压遍数与沉降量之间的错位关系，能够发现在路面沉降量为13.2 mm处，真空静碾压只需8遍可达到，非真空静碾压需10遍才能实现；同理，真空振动压实与非真空振动压实具有同样的对应规律，研究结果表明，真空压实能够提高沥青路面压实度，在达到相同累积沉降量时，压实遍数减少约20 %，能够有效的节省压实能量。

图5所示为马歇尔稳定度随压实遍数的变化规律，从图中可以看出，在同样的最终压实遍数下，对于振动和静碾压而言，都是真空压实下的马歇尔模数明显强于非真空压实下，真空压实更具优势。对不同的工况下进行对比发现，在压实2遍后，真空静碾压实下马歇尔稳定度为13.28 kN，比单纯的静碾压实的11.24 kN增加了2.04 kN，提高了约18.2 %，而真空振动压实下马歇尔稳定度为23.37 kN，比单纯的振动压实的17.68 kN大5.69 kN，增大了约32.2 %；压实10遍后，真空静碾压实下马歇尔稳定度比静碾工况提高了9.62 %，真空振动压实下马歇尔稳定度比振动工况分别提高了34.74 %。图6为马歇尔模数随压实遍数的变化规律，同样在压实2遍后，真空静碾压下马歇尔模数为2.17 kN/mm，比单纯的静碾下的1.14 kN/mm提高了1.03 kN/mm，提高率为90.3 %，而真空振动压实下马歇尔模数为2.66 kN/mm，比单纯的振动压实下的2.37 kN/mm提高了12.2 %，其它各遍数下也具有明显的效果；对比最高遍数为10遍的数据，发现真空静碾压下马歇尔模数比静碾压下提高了6.32 %；真空振动压实下马歇尔模数比单纯振动压实下提高了8.26 %。上述研究揭示，在沥青路面施工中，对于压实这一环节，在传统的静压或是振动压实中附加真空压实环境，马歇尔稳定度和模数随着压实环境的变化而变化，即真空下大于非真空，显示出真空压实具有明显的增加压实度和强化路面力学性能的作用。这是因为在传统的压实中，压实能量的传递不足以打破压实中沥青混合料内部形成的内部闭锁孔，引入真空压实后，闭孔中的气体刺破沥青膜的包裹，沥青混合料中的成分，包括不同规格的集料、沥青等将会有一个重新排列和分布，被真空压实后的路面微观结构将会发生一些变化，也即是集料之间的间隙更小，排列更紧密，间接的提高沥青路面的饱和度，表现在宏观的路面结构上，马歇尔稳定度和模数就增大，进而强化了路面的力学性能。

图5 马歇尔稳定度随压实遍数的变化
Fig.5 Variation of marshall stabilitywith compaction number

图6 马歇尔模数随压实遍数的变化
Fig.6 Variation of marshall moduluswith compaction number

图7 劈裂强度随压实遍数的变化Fig.7 Variation of splitting strength with compaction number

为进一步评价真空压实对沥青混合料力学性能的改进，对不同压实工况下的混合料进行了劈裂试验，如图7所示是不同工况下的沥青样本劈裂强度随压实遍数的变化规律。从图7中可以看出，整体上分析，各压实遍数下劈裂强度与压实遍数具有强烈关联性，具有同向变化的增加趋势；但分段研究发现，6遍前，劈裂强度曲线陡峭，显示增速明显，在压实6遍后，劈裂强度增加变缓并逐渐趋于稳定，表明密实度增加不明显。从单个工况进行对比发现，总压实遍数为2时，以静碾压为例，引入真空工况后，劈裂强度从0.22 MPa 增加到0.43 MPa，真空下比非真空下增加幅度约95.5 %，在振动压实中，引入真空工况后，劈裂强度的增加幅度为13.2 %，同样具有明显的效果；为进一步对比真空压实效果，取压实10遍作为研究样本，发现静碾压中，10遍后真空比非真空下劈裂强度提高了5.8 %，振动压实下，真空下能比非真空提高9.8 %；更进一步数据比较发现，真空静碾压8遍时劈裂强度为0.51 MPa，几乎与单纯静碾压实10遍时相当，振动压实也具有同样的趋势，上述现象表明，对于沥青混合料的静碾压或是振动压实，当结合真空压实技术后，在同样的压实次数下，真空压实所能承受的劈裂强度更大，这种现象发生的原因在真空环境中，负压有助于压实后沥青混合料微观结构的强化，增加压实度，减小了孔隙尺寸，反之，如果要达到相同劈裂强度时，压实遍数减少约20 %，也间接表明真空压实能有效改进沥青路面压实效果，提高了压实度。

上述试验结果表明，在传统的压实设备上设计真空装置，使沥青路面在真空环境下再进行压实，路面的性能相比于传统压实方法，具有明显的优势，宏观上表现为路面力学性能的改进。之所以能产生如此效应，关键是新的压实机理造成。如图8所示压实后沥青混合料中孔隙的状态，由于预压后沥青料中固相和气相的存在，开孔、半开孔和闭孔三者兼存，压实时，大部分开孔被直接封闭消失，小部分会被压实成小的闭孔，和原有的闭孔一样封闭有空气，这部分闭孔在压实的最后难以消除，形成类似于弹簧效应的“气相空气弹簧”，压实中消耗压实能量，从而使最后的压实阶段变得尤其困难，传统的压实方法更是难于解决。当在传统的压实设备中引入真空室后，由于真空状态下的负压产生的力学效应，助其进一步打破封闭气孔，进而从微观上表现为压实后密实度的增加，宏观上表现为力学性能的强化。

图8 压实后沥青混合料中孔隙的状态Fig.8 Porestate in asphalt mixture compacted

3 结论

本文应用基于双钢轮压路机结构设计的真空压实压机对沥青混合料进行静碾压、真空静碾压、真空振动压实、振动压实四种工况的压实试验，主要结论有：

①对比碾压遍数与沉降量之间的错位关系，能够发现在路面沉降量为13.2 mm处，真空静碾压只需8遍可达到，非真空静碾压需10遍才能实现；同理，真空振动压实与非真空振动压实具有同样的对应规律。

②压实10遍后，真空静碾压实下马歇尔稳定度和模数分别比静碾工况提高了9.62 %和6.32 %，真空振动压实下马歇尔稳定度和模数比振动工况分别提高了34.74 %和8.26 %，说明同等试验条件下，真空压实提高了沥青混合料的强度。

③在引入真空压实后，真空压实下的劈裂强度相比于常规压实大大提高，而且真空静碾压和振动压实8遍时劈裂强度几乎分别等同与单纯静碾压和真空振动压实10遍时的劈裂强度，表明在同样的压实次数下，真空压实所能承受的劈裂强度更大，反之，如果要达到相同劈裂强度时，压实遍数减少约20 %。

因此，真空压实方法应用于沥青路面压实能够大大提高压实深度，增强沥青路面的力学性能，有效改进沥青路面质量。