垂直振动压实法成型SMA-13混合料体积参数设计标准研究

蒋 应 军， 倪 辰 秧， 张 宇， 邓 长 清， 张 伟， 杨 迪 锋， 薛 金 顺

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.湖北文理学院 土木工程与建筑学院，湖北 襄阳 441053)

0 引 言

沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)因其良好的路用性能被广泛应用于路面面层[1].目前，Marshall 法、GTM法和Superpave法仍是设计SMA混合料最具代表性的方法[2].然而，长期工程经验表明Marshall法压实标准偏低，且在压实过程中集料被击碎的情况比较严重，这不仅造成集料级配的变化，而且会影响对实际路用性能预测的准确性，亦会影响SMA混合料的配合比设计[3-7].GTM法和Superpave法模拟现场受力情况对试件进行搓揉压实和旋转压实，与现场相关性强，但由于压实设备过于昂贵而难以普及，同时混合料压实功要求高，用作表面层时，其抗疲劳性能可能不足[8-10].因此，本文采用与现行交通标准和施工现场实际压实效果更接近的垂直振动压实法(VVCM)进行SMA混合料设计[11-12].

目前SMA混合料配合比设计方法为体积设计法，体积参数是反映混合料内部结构、影响混合料性能的重要因素[13-15].在混合料级配和试验条件相同的情况下，压实功和油石比对体积参数有较大的影响.因此，当压实标准发生变化时，体积参数指标将发生变化，最佳油石比也会发生变化.本文研究当采用VVCM成型SMA-13混合料试件时，体积参数与混合料性能之间的相关关系，并以力学性能最佳为原则，提出VVCM成型SMA-13混合料体积参数标准.

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1)沥青

沥青采用韩国双龙牌SBS改性沥青，其技术性质见表1.

表1 SBS改性沥青技术性质

(2)集料

试验集料均来自陕西商洛，其中粗集料为玄武岩碎石，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为石灰岩矿粉.

1.2 矿料级配

本文选择3种不同的级配类型成型试件，分别为中国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004，记为CH)、美国AASHTO规范(记为AM)和澳大利亚标准AS2150(记为AU)中SMA-13对应的级配中值，见表2.采用的油石比分别为4.8%、5.1%、5.4%、5.7%和6.0%.

表2 矿料级配

1.3 试件成型方案

将所需集料放入(105±5)℃的烘箱中烘干至恒重后加入拌和锅，均匀拌和粗集料和细集料，然后将准确称量的沥青加入，开启拌和锅再次搅拌.矿粉应单独加入充分搅拌.总拌和时间为180 s.

垂直振动压实仪是VVCM的核心，其构造见图1.结合课题组已有研究成果[16-17]，垂直振动压实仪工作参数为工作频率37 Hz，名义幅度1.2 mm，上车系统质量108 kg，下车系统质量167 kg.试件成型时，将SMA-13混合料装入试模，振动压实65 s.

图1 垂直振动压实仪的构造

2 SMA-13混合料成型方法评价

为了评价提出的SMA-13混合料成型方法，选择不同成型方法(Marshall法、SGC法和VVCM)制备油石比5.7%的SMA-13混合料试件各6个，测试并分析其体积参数和力学性能变化情况.其中，VVCM采用振动时间为65 s；Marshall 法为双面击实75次，重型Marshall法为双面击实155次；SGC法为旋转压实100次.

2.1 体积参数

SMA-13混合料VVCM试件、Marshall试件和SGC试件的体积参数见表3.

由表3知，VVCM试件和重型Marshall试件两者的密度接近重交通压实标准的密度，约为1.02倍的Marshall试件密度，且二者的体积参数基本一致，其中空隙率明显小于Marshall试件的，说明二者的压实功基本相同.SGC试件的密度比VVCM试件和重型Marshall试件的略小，是Marshall试件的1.01倍，说明SGC旋转压实100次的压实功比VVCM和重型Marshall试件的略小，但是比Marshall试件的大.

表3 不同成型方法试件的体积参数

2.2 力学性能

SMA-13混合料VVCM、Marshall和SGC试件的力学强度见表4，试件的制备和试验过程均按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)进行.

表4 不同成型方法SMA-13混合料试件力学强度

由表4知，VVCM试件的稳定度、抗压强度、劈裂强度和抗剪强度分别是标准Marshall试件的1.37、1.21、1.31和1.39倍，平均高32%；而VVCM试件的稳定度、抗压强度、劈裂强度和抗剪强度分别是重型Marshall试件的1.11、1.06、1.10和1.11倍，平均高9%；同时，VVCM试件的稳定度、抗压强度、劈裂强度和抗剪强度分别是SGC试件的1.05、1.02、1.05和1.09倍，平均高5%.这说明虽然重型Marshall法和VVCM的压实功相当，但是相对于重型Marshall法，VVCM振动对提升SMA-13混合料试件的力学性能有帮助，且其性能略优于SGC试件的，说明VVCM相对于SGC法能提升SMA-13混合料的力学性能.

3 体积参数对SMA-13混合料的力学性能影响及设计标准

3.1 空隙率对力学性能影响及设计标准

3.1.1 油石比对空隙率的影响 空隙率是压实混合料空隙体积占总体积的百分率，是沥青混合料设计时一个重要的体积参数指标，也是沥青混合料性能的主要影响因素[18].油石比r对沥青混合料空隙率e的影响见图2.

图2 油石比对空隙率影响

由图2知，压实功相同时，矿料级配及油石比对压实沥青混合料空隙率影响显著.随着油石比增大，不同矿料级配的SMA-13混合料空隙率均近似线性降低，这是因为当沥青用量较少时，沥青润滑作用较弱，矿料颗粒间摩擦力比较大，压实功无法将矿料压密，所以随着沥青用量的增加，沥青不断填充矿料空隙，空隙率逐渐降低.

3.1.2 空隙率对力学性能的影响 根据SMA-13混合料VVCM试件力学性能与体积参数之间关系试验结果，绘制力学性能与空隙率曲线，见图3.其中Ms为试件的马歇尔稳定度，Rc为试件的抗压强度，τd为试件的抗剪强度，Ri为试件的劈裂强度，Smax表示各曲线峰值，R表示曲线标准差.

由图3知，随着空隙率增大，SMA-13混合料各力学性能呈现出先增大后减小的变化规律.这是因为当原材料、级配类型和试件成型方法一定时，SMA-13混合料油石比越大，空隙率越小.

图3 空隙率对力学性能影响

3.1.3 空隙率设计标准 空隙率与力学性能函数见表5，表中e代表Smax对应的空隙率，emin、emax代表0.95Smax对应的空隙率范围.

由表5知，各力学性能最大值对应的空隙率最小为3.25%，最大为3.37%.考虑实际施工时的情况，建议采用0.95Smax对应的空隙率作为设计标准.各项力学性能对应的emin和emax交集范围为2.45%～4.03%，故采用2.5%～4.0%为空隙率的标准建议值.

表5 力学性能与空隙率之间函数表达式

规范认为，沥青混合料空隙率小，容易出现车辙、泛油等病害.而VVCM试件相对较小的空隙率和混合料密度的提高，不是源于过多的沥青胶浆，而是源于压实方式的改变和压实功的提升，造成矿料间隙率的减小及矿料空间相对位置的改变.同时，混合料空隙率过大，其力学性能呈现下降趋势，而且容易出现水损坏、沥青老化等病害，影响混合料的耐久性[19]，所以建议空隙率最大值取4.0%.因此，本文建议空隙率设计标准为2.5%～4.0%较为合理.

3.2 沥青饱和度对力学性能影响及设计标准

3.2.1 油石比对沥青饱和度的影响 SMA-13混合料沥青饱和度随油石比的变化见图4.

由图4知，在同一矿料级配下，随着油石比增大，沥青饱和度呈现递增趋势，这是因为沥青的增加填充了矿料的空隙，使混合料的沥青饱和度不断增大.

图4 油石比对沥青饱和度影响

3.2.2 沥青饱和度对力学性能的影响 根据试验结果，绘制力学性能与沥青饱和度曲线，见图5.

图5 沥青饱和度对力学性能影响

由图5知，SMA-13混合料各力学性能均随沥青饱和度的增大呈凸曲线变化.当油石比较小时，沥青饱和度较小，沥青对矿料颗粒的黏结力不足，导致混合料的力学性能较差；随混合料中沥青含量逐渐增加，沥青对矿料颗粒的黏结力逐渐增强，混合料的力学性能均得到提升；力学性能达到峰值之后，进一步增大沥青用量，混合料的沥青饱和度继续增大，但是，由于混合料中自由沥青数量过多，导致矿料颗粒被挤开，沥青对矿料的黏结作用变弱，力学性能下降.

3.2.3 沥青饱和度设计标准 沥青饱和度与力学性能函数见表6，其中ea代表Smax对应的沥青饱和度，ea，min、ea，max代表0.95Smax对应的沥青饱和度范围.

表6 力学性能与沥青饱和度之间函数表达式

由表6知，Smax对应的沥青饱和度范围为78.27%～79.82%.同理，以0.95Smax对应的沥青饱和度为设计标准，在各项性能中所交叉的范围为74.11%～83.38%，综合考虑各种力学性能，建议沥青饱和度设计标准为74%～83%.

3.3 矿料间隙率对力学性能影响及设计标准

3.3.1 油石比对矿料间隙率的影响 在设计及施工过程中，许多因素都会对矿料间隙率的大小产生影响，包括压实功、矿料性质、矿料级配及油石比等.油石比对矿料间隙率的影响曲线见图6.

图6 油石比对矿料间隙率影响

由图6知，在3种不同的级配下，随油石比的增大，混合料矿料间隙率呈凹曲线变化.在沥青用量较少时，沥青对矿料颗粒的润滑作用不足，颗粒间摩擦力较大，导致混合料难以被压实，所以随沥青用量的增加，矿料间隙率逐渐减小；但当沥青用量过多时，沥青会阻碍矿料颗粒的接近，导致试件的矿料间隙率增大.

3.3.2 矿料间隙率对力学性能的影响 根据试验结果，绘制力学性能与矿料间隙率曲线，见图7.

由图7知，SMA-13混合料矿料间隙率与马歇尔稳定度有较好的相关性，但与其他性能之间的相关性较差.一般认为，矿料间隙率对沥青混合料的耐久性有重要影响[20].我国规范中由最大公称粒径确定矿料间隙率，但是在一些实际工程中，混合料的矿料间隙率即使不满足要求，也具有较好的使用性能和较大的油石比.因此，在我国相关规范中，矿料间隙率仅作为检验性指标使用.

图7 矿料间隙率对力学性能影响

3.3.3 矿料间隙率设计标准 在我国相关规范中，矿料间隙率仅作为检验性指标使用，即确定最佳油石比时，把OAC曲线相对应的矿料间隙率与规范的最小矿料间隙率相比较，若矿料间隙率未能达到规范要求，则需要对混合料级配进行调整.国内外矿料间隙率研究及室内试验研究的矿料间隙率对力学性能的影响规律表明[21]，沥青混合料力学性能与矿料间隙率之间的相关性较差.

现行规范中，采用Marshall法成型SMA-13混合料试件，em，min=17%，e=3%～4%.而重交通压实标准为Marshall设计标准的1.02倍，SMA-13混合料VVCM试件的空隙率标准为2.5%～4.0%，采用两种方法成型试件时，VVCM确定的油石比比Marshall法小0.4%，因此给出SMA-13混合料VVCM试件的矿料间隙率最小值标准为14.5%.

4 结 论

(1)VVCM试件的体积参数与重型Marshall试件和SGC试件基本一致，密度约为Marshall试件的1.02倍，空隙率明显降低；VVCM试件力学强度分别约为Marshall试件、重型Marshall试件和SGC试件的1.32、1.09和1.05倍.

(2)同一矿料级配下，随着油石比增大，空隙率呈现减小趋势；随空隙率增大，SMA-13混合料各力学性能均呈凸曲线变化.以0.95Smax对应的空隙率为设计标准，各项力学性能对应的空隙率共同范围为2.45%～4.03%，故提出空隙率设计标准范围为2.5%～4.0%.

(3)同一矿料级配下，随着油石比增大，沥青饱和度呈现递增趋势；随沥青饱和度增大，SMA-13混合料各力学性能均呈凸曲线变化.0.95Smax对应交集为74.11%～83.38%，综合考虑各力学性能，提出沥青饱和度设计标准范围为74%～83%.

(4)SMA-13混合料的各力学性能与矿料间隙率之间没有较好的相关性，因此仅把矿料间隙率作为参考标准.以现行规范对矿料间隙率的规定为基础，结合成型方法对体积参数影响，建议14.5%为SMA-13混合料的最小矿料间隙率.