振动成型沥青混合料在路面中的应用研究

孙建 SUN Jian

（潍坊交通发展集团有限公司，潍坊 261061）

0 引言

交通量的剧增对我国沥青路面的路用性能提出了严峻的考验，特别是重载车辆向着重型、多轴、集装箱等方向的转变，车辆荷载也随之发生较大的变化[1]。这就导致我国以中轻交通为出发点所建立的沥青混合料设计体系越来越难以适应车辆荷载的迅猛增长[2]。我国当前以马歇尔法作为沥青混合料的材料设计方法已经沿用多年，相关研究认为，其与沥青混合料在路面使用过程中的性能仅有70%~80%的相关性[3-4]。对于高等级公路，马歇尔试件的击实次数为双面75 次，该数值对于其他等级公路则为50 次，这其中存在两个问题，一个是击实锤的击实方式与实际工程中的压实工艺差异性较大，另一个则是与现代交通重载车辆较多的现状不相符[5]。许多国家已经摒弃了马歇尔设计法，并将目光转向Superpave 法、Hveem 法以及GTM 法，上述方法的共性为模拟压路机压实过程中的揉搓作用，对于沥青混合料内部形成更加稳定的嵌挤结构具有较大的作用[6-7]。也有部分国家在马歇尔体积设计法的基础上加大了室内击实功，例如印尼将击实次数提升为100 次，以此来适应日益增长的重载交通[8]。振动成型沥青混合料是由长安大学团队提出的，该技术在分析了国内重在交通早期病害的基础上，完善了重交通沥青混料的压实标准，研究表明，振动成型沥青混合料对抗拉强度、动稳定度、抗剪强度等有着20%以上的提升幅度，而对于车辙深度则有着20左右的降低效果[9]。相较于Superpave 法、Hveem 法以及GTM 法，振动成型法更容易容易被国内所接受，相关设备也无需依靠国外进口，具有较大的推广价值[10]。

本文基于上述背景，从振动成型法对沥青混合料体积指标的影响出发，分析了振动成型法对沥青混合料的体积参数、力学特性及相关路用性能的作用规律，提出了振动成型沥青混合料的设计方法与标准，并对室内小型试验场地内的进行了实体路面的铺筑与检测。研究成果对振动成型沥青混料在沥青路面中的推广应用具有一定的实际意义。

1 试验设计

1.1 原材料

本文选用的沥青为山东高速物资储运有限公司生产的SBS 改性沥青，粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩，填料为石灰岩矿粉，各项材料的技术性能均满足相关规范的技术要求，具体指标见表1。

表1 原材料技术性能

以上述材料为原材料，拌制AC-16 沥青混合料备用。

1.2 实验方法

选择振动成型仪，其振动频率为40Hz，上下车质量分别为110kg 以及170kg，静偏心夹角为120°，静偏心力矩为0.11kg·m。利用上述仪器制备AC-16 沥青混合料振动成型试件，碾压试件为20s、40s、60s、80s 和100s，并对上述不同的试件进行体积指标的检测，分别检测其空隙率和毛体积相对密度，然后对碾压时间各不相同的AC-16 试件进行力学指标（动稳定度）的测试，最后进行动稳定度、破坏应变、残留稳定度及冻融劈裂残留强度比进行检测，对比路用性能。为了使上述试验结果具有可比性，本文选择了马歇尔法制备了传统的AC-16 马歇尔试件，并开展了同步试验，试验结果作为参照辅助分析。

在上述试验完成后，优选出合适的振动成型碾压时间，并以此作为振动成型沥青混合料的设计标准，随后在实验室内开展了小型实体工程的铺筑，观察并对比实际效果。

2 振动成型沥青混合料的技术性能

2.1 体积参数

对沥青振动成型仪制备的不同碾压时间下的AC-16试件及传统马歇尔AC-16 试件进行体积指标的检测，检测结果见表2。

表2 AC-16 沥青混合料体积指标

表2 显示，随着振动成型碾压时间的延长，AC-16 的毛体积密度呈现出逐渐增大的趋势，但该趋势随着相对密度的增大而逐渐放缓；此外空隙率随着碾压时间的延长而迅速减小，当振动成型达到80s 时，空隙率达到了2.0%。对比振动成型与马歇尔法不难看出，马歇尔法制备的AC-16 的空隙率大约相当于振动成型30s 时的空隙率。

上述现象表明，振动成型能够获得比马歇尔法更加密实的沥青混合料，这对于提高沥青混合料的实验室基础密度具有重要的作用，也对施工现场压实度提出了更高的要求。

2.2 力学性质

对沥青振动成型仪制备的不同碾压时间下的AC-16试件及传统马歇尔AC-16 试件稳定度检测，检测结果见图1。

图1 稳定度试验结果

稳定度反应的是试件在遭受荷载的作用下，能够表现出的最大力值，一般而言，稳定度越大，沥青混合料力学性能也就越强。从上图可以看出传统的马歇尔试件的稳定度能够达到8kN 以上，这虽然已经满足了规范规定的最低值，但是相较于振动成型，特别是振动成型时间在40s 以上的试件而言尚有较大的差距。振动成型60s 时，试件的稳定度便可以达到12kN，振动成型100s 时，其稳定度甚至接近14kN，远远高于传统马歇尔试件的8.7kN。这表明较低的空隙率对于提高沥青混合料的力学性能具有显著的作用。

2.3 路用性能

对沥青振动成型仪制备的不同碾压时间下的AC-16试件及传统马歇尔AC-16 试件进行路用性能检测，检测结果显示当振动成型次数达到60s 后，沥青混合料的动稳定度便可以接近最高值，这几乎是传统马歇尔法制备的沥青混合料的两倍。我国现行规范采用动稳定度指标进行沥青混合料抗车辙性能的评价，一般而言，动稳定度数值越高，抗车辙性能越强，由此可以得出，振动成型时间越长，混合料越密实，其抗车辙性能也就越突出。在低温弯曲试验中，与动稳定度试验规律相类似，不同的是，振动成型对破坏应变的提升幅度不是特别大，这与影响沥青混合料的低温影响因素有关。混合料的低温抗裂性能一方面取决于沥青材料自身的低温劲度模量，另一个方面则是混合料的级配类型与密实程度。而振动成型影响的仅仅为混合料的密实程度，所以其对低温性能的提升幅度有限，就振动成型60s 而言，相对传统的马歇尔法提升幅度在30%左右。浸水试验和冻融劈裂强度试验的试验结果规律相仿，都是振动成型20s 时最低。传统马歇尔试件的残留稳定度和TSR 略低于振动成型40s 时的数值，但显著小于振动成型60s、80s 以及100s 时的试件。残留稳定度和TSR 均是沥青混合料水稳定性能的评价指标，数值越大，表征混合料的水稳定性越强，反之越小。我国沥青路面的早期病害基本上与水有关，所以水稳定性相较于我国沥青路面早期病害的防治而言具有重要的意义，从这一角度出发，振动成型60s 以上的混合料具有较强的水稳定性，这对振动成型工艺及标准的制定具有一定的指导作用。

2.4 振动成型工艺的确定

从上述试验结果来看，当振动成型60s 及以上时，沥青混合料将拥有较大的密度、较小的空隙率、较强度的力学性能、较大的抗车辙性能与低温抗裂性能，同时拥有较强的水稳定性，从该角度出发，推荐振动成型60s 作为标准成型工艺。

此外，空隙率指标作为沥青混合料最为重要的一项体积参数，其对混合料的技术性能的影响起着决定性的作用。目前业界一般认为，沥青混合料的空隙率一般不宜低于2.0%，当空隙率低于该数值时，沥青路面的在使用过程中容易产生泛油病害，影响车辆行车安全。结合本文的试验结果，当振动成型80s 或100s 时，沥青混合料的空隙率迫近或突破了2.0%这一限值，所以即便是其力学性能及路用性能合理，也不推荐该成型方式。

综上，本文推荐振动成型60s 作为沥青混合料振动成型的标准工艺，并以振动成型60s 得到的毛体积相对密度为标准，以此进行沥青路面压实度的控制标准。

3 工程应用

本文基于上述理论对振动成型进行了小尺寸工程应用，分别拌制了AC-25、AC-20 和AC-16 沥青混合料，并在实验室内分别进行了振动成型沥青混合料毛体积相对密度的测试，计算压实度试验结果见表3，然后以压实度98%的要求分别铺筑了3m 的沥青路面，路面结构为下面层AC-25，中面层AC-20，上面层AC-16。铺筑完毕之后第二天钻芯取样，分别测试芯样的空隙率及稳定度指标，并判断压实度。随后对路面开展了加速加载试验，加载速度为12km/h，加载长度为6m，模拟重交通6 年的交通量后对路面进行检测，检测结果汇总于表3。

表3 路面检测试验结果

从试验结果可以看出，实验室采用振动成型沥青混合料，从而对沥青沥青路面进行施工控制，在压实度相仿的前提下所得到的沥青路面拥有空隙率较小，稳定度较大，同时在加速加载之后所产生的车辙深度约为传统路面的1/3，并且未见水损害病害。

由此可以得出，振动成型沥青混合料对于提高沥青路面的各项路用性能具有显著的作用。

4 结论

本文从振动成型法对沥青混合料体积指标的影响出发，分析了振动成型法对沥青混合料的体积参数、力学特性及相关路用性能的作用规律，提出了振动成型沥青混合料的设计方法与标准，并对室内小型试验场地内的进行了实体路面的铺筑与检测，所取得的研究成果总结如下：

①振动成型能够获得比马歇尔法更加密实的沥青混合料，毛体积相对密度较大，空隙率较小。

②振动成型时间越长，混合料越密实，其抗车辙性能越突出、低温抗裂性及水稳定性也越强。

③推荐振动成型60s 作为沥青混合料振动成型的标准工艺，并以振动成型60s 得到的毛体积相对密度为标准进行沥青路面压实度的控制标准。

④振动成型沥青混合料对于提高实体工程中沥青路面的各项路用性能具有显著的作用。