基于不同成型方式的沥青混合料性能研究

赵永鹏

（山西路桥集团隰吉高速公路有限公司，山西 临汾 041300）

0 引言

国内对热拌沥青混合料的设计多采用马歇尔方法，然而马歇尔方法与沥青路面实际压实过程有较为明显的差异，因此根据马歇尔方法得到的最佳油石比及空隙率仍然未能获得最佳的路用性能[1]。为了真实模拟沥青路面在实际碾压过程的受力状态，国外对沥青混合料的成型方式进行了诸多研究，形成了以旋转压实为核心的成型方法，包括法国LCPC旋转压实、美国Superpave标准SGC旋转压实、美国工兵团GTM旋转压实等[2]。

本文基于Superpave旋转压实和马歇尔击实成型方法，简单介绍了Superpave沥青混合料配合比的设计过程，并通过车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验，对比分析了在两种不同成型方式下AC-20沥青混合料最佳油石比、高温抗变形、低温抗开裂及水稳定性能差异，为合理选择沥青混合料级配设计方法提供了借鉴。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青

本研究采用90号基质沥青，基础技术指标如表1所示。在Superpave沥青混合料设计中需要对沥青胶结料进行PG分级试验[3]，以确定沥青胶结料适用的温度范围，本研究所用沥青的PG分级情况如表2和表3所示，根据试验结果确定本沥青的温度等级为PG58-22。

表1 沥青技术指标

表2 沥青PG分级高温结果

表3 沥青PG分级低温结果

1.1.2 集料

集料采用石灰岩，分为 1号（0～3）、2号（3～5）、3号（5～10）、4号（10～20）四档，各档的物理指标列于表4，合成级配避开了控制区与限制点[4]，如图1所示。

表4 集料技术指标

图1 AC-20设计级配

1.2 试验方法

首先，采用Superpave旋转压实仪和马歇尔击实仪，分别以3.8%、4.3%、4.8%、5.3%油石比成型试件，并测定其毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度、流值及粉胶比，计算获得两种成型方式的最佳油石比。然后，以最佳油石比分别成型车辙板试件、小梁试件及马歇尔尺寸试件，进行60℃车辙试验、-10℃小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验，对比其高低温稳定性及抗水损坏能力。

2 试验结果分析

2.1 最佳油石比

2.1.1 Superpave最佳油石比

Superpave沥青混合料设计中，以4.0%空隙率对应的油石比作为最佳油石比，并要求在此空隙率时VMA、VFA、粉胶比满足规范要求[5]。本研究在不同油石比下混合料的指标如图2所示。可以看出，4.0%空隙率对应的最佳油石比为4.52%，此时沥青混合料的VMA、VFA、粉胶比分别为13.2%、73.0%、1.13。

图2 Superpave最佳油石比

2.1.2 马歇尔最佳油石比

马歇尔设计方法需测定沥青混合料密度、VV、VMA、VFA、稳定度和流值等指标，并通过公式[6]计算得到最佳油石比。本研究的技术指标随油石比的变化如图3所示，随着油石比升高，马歇尔稳定度并未出现最大值，因此OAC1可直接采用空隙率为4.0%时对应的油石比4.8%，OAC2通过计算各项指标均符合技术标准的沥青用量范围的中值为4.7%，则马歇尔方法最佳油石比为4.75%。

2.2 路用性能

两种成型方式下沥青混合料的路用性能试验结果列于表5，可以看出：相比于马歇尔击实方法，采用旋转压实成型沥青混合料动稳定度提升约26%，冻融劈裂比及残留稳定度升高约2%，破坏弯拉应变基本相同，综合考虑旋转压实成型的沥青混合料具有优良的高温稳定性、低温抗裂性及抗水损坏能力。

3 讨论与分析

由最佳油石比与路用性能试验结果可以看出，成型方式对沥青混合料的性能有着显著的影响，旋转压实成型沥青混合料具有更加稳定的结构。一方面，由于马歇尔击实只是单纯地将沥青混合料上下压实，集料在压实的过程中相对位置基本已经固定，而Superpave旋转压实以一定角度旋转底板压实混合料，在此过程中集料会发生微小的错动以形成更稳定更密实的结构，与实际沥青路面轮胎压路机搓揉、碾压过程更为接近；另一方面，Superpave以体积指标作为最佳油石比控制指标，而马歇尔方法得到的最佳油石比常常会偏离目标空隙率，因此，两种成型方式得到的沥青混合料结构有根本差异。此例中，相同油石比下两种成型方式的空隙率并不相同，而不同最佳油石比下对应的空隙率也有差异。此外，马歇尔成型试件双面击实75次，压实功要高于Superpave旋转压实，有可能会压碎集料，使得实际级配偏离原设计级配，细料增多，稳定性变差。

4 结论

a）采用旋转压实成型沥青混合料确定的最佳油石比要小于马歇尔击实方法，本例中AC-20级配由Superpave设计方法确定的最佳油石比要比马歇尔击实减少0.23%。

表5 路用性能试验结果

图3 马歇尔最佳油石比

b）成型方式对沥青混合料性能影响显著，相比于马歇尔击实方法，采用旋转压实成型的沥青混合料动稳定度提升26%，冻融劈裂比及残留稳定度升高2%，破坏弯拉应变基本相同，具有优良的高温稳定性、低温抗裂性及抗水损坏能力。

c）Superpave旋转压实法以体积指标作为最佳油石比控制指标更有利于形成稳定的结构。