不同频率的振动搅拌沥青混凝土高温稳定性能

孟勇军，李正华，李超，江微，邹海军

(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西南宁530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西南宁530004；4.广西特殊地质公路安全工程技术研究中心， 广西南宁530004；5.广西路桥工程集团有限公司， 广西南宁530200；6.中交路桥华南工程有限公司， 广东中山528403)

0 引言

失稳性车辙作为一种常见的沥青路面病害，产生原因主要是在高温天气和行车荷载的反复碾压共同作用下，对路面施加的作用力超过了沥青混凝土抗剪强度，发生侧向流动变形。因此沥青混凝土路面高温稳定性能的好坏决定路面车辙问题是否严重[1-3]。近年来关于沥青混凝土高温稳定性能的研究涉及很多方面[4-7]，振动搅拌技术在水泥混凝土方面也取得了广泛的应用[8-11]，但关于搅拌因素的作用对沥青混凝土高温稳定性能影响的研究却非常少。本文中采用一种轴振动强制式搅拌机进行沥青混凝土的制备，通过4种试验对基于振动搅拌技术的沥青混凝土的高温稳定性能进行分析评价，为振动搅拌技术在沥青混凝土中的应用提供一定的指导意义。

1 原材料和车辙试验方法

1.1 原材料

①SBS改性沥青

本研究采用SBS改性沥青，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)试验方法对其性能进行试验，试验结果见表1。各技术指标均满足规范要求。

表1 SBS改性沥青基本性能试验Tab.1 Basic performance test of SBS modified asphalt

②辉绿岩基本性质

本次试验集料采用的是广西百色的辉绿岩，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)的试验方法集料进行基本性能试验。试验结果见表2。

表2 辉绿岩基本性能试验Tab.2 Basic performance test of diabase

③级配组成

本研究选用AC-13连续密级配的级配类型。级配曲线采用AC-13级配曲线中值，对石料进行筛分，然后用水洗去石料表面的灰尘与污垢，再放入烘箱中烘干备用。

④沥青混合料油石比

本研究采用最佳油石比作为沥青混合料车辙板试件的油石比。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的相关要求，对0(即不开启振动作用，仅保留搅拌作用)、10、20、30、40、50 Hz的振动搅拌工艺马歇尔试件做马歇尔稳定度(MS)、流值(FL)、毛体积密度、空隙率(VV)、饱和度(VFA)和矿料间隙率(VMA)等指标分析，计算最佳油石比，计算结果见表3。

表3 最佳油石比Tab.3 Optimum asphalt-aggregate ratio

1.2 车辙试验方法

1.多功能试验主机;2.围压控制系统;3.恒温水浴箱;4.高温加热带；5.搅拌轴；6.振频与转速控制器图1 轴振动强制式搅拌机样机Fig.1 Structural sketch of shaft vibration forced mixer

①沥青混凝土的制备

使用轴振动强制式搅拌机进行制备沥青混凝土，其振动作用的施加方式为：在搅拌设备对沥青混合料进行搅拌时，激振器带动搅拌叶片进行振动，由此可直接将振动作用所产生的能量传导到沥青混合料中，提高传导效率。根据相关工程经验，通过转速控制器将转速控制在35 r/min，搅拌时间为90 s，搅拌温度为180 ℃。为了探究振动频率对沥青混合料高温稳定性能的影响，本研究通过振动频率控制器设置0 、10、20、30、40、50 Hz的振动搅拌频率制备沥青混合料。该搅拌机如图1所示。

②标准车辙试验

在各振动频率作用下沥青混凝土最佳油石比的基础上，通过轴振动强制式搅拌机样机制备振动频率分别为0、10、20、30、40、50 Hz共6种不同振动搅拌方式的AC-13密级配沥青混凝土，进行标准车辙试验。试验温度为60 ℃，试验轮的接触压强为0.7 MPa。

1.搅拌电机；2.振动电机；3.温度调节旋钮图2 三轴压缩试验设备连接图Fig.2 Connection of triaxial compression test equipment

③高温车辙试验

通过参考相关文献[12]，保持试验轮的接触压强为0.7 MPa不变，将试验温度由60 ℃提高至70 ℃。本小节选取变振动频率为0、30、40 Hz共3种不同振动搅拌方式制备AC-13密级配沥青混凝土进行试验。

④重载车辙试验

通过参考相关文献[13-14]，保持试验温度60 ℃不变，将试验轮的接触压强由0.7 MPa提高到1.4 MPa。本小节选取振动频率为0、30、40 Hz这3种不同振动搅拌方式制备AC-13密级配沥青混凝土进行试验。

1.3 抗剪强度试验方法

通过参考相关文献[15-18]，将旋转压实成型参数确定为：压实角度为1.25 °，施加压力为600 kPa，旋转速率固定为30 r/min，旋转次数取125。成型好直径为100 mm，高为172 mm的圆柱体试件并用旋转压实仪附带的脱膜装置进行脱膜，用切割机切除试件两端，使试件高度为(150±2)mm。

本小节选取振动频率为0、30、40 Hz这3种不同振动搅拌方式制备AC-13密级配沥青混凝土进行抗剪强度试验。其设备连接图如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 标准车辙试验

图3 不同振动搅拌频率下的车辙试验(60 ℃+0.7 MPa)结果对比Fig.3 Contrast diagram of rutting test (60 ℃+0.7 MPa) about different vibration mixing frequencies

不同振动搅拌频率下的车辙试验如图3所示。由图可知，传统搅拌制备的试件动稳定度平均值为8 986次/mm，而振动作用加入后，试件的动稳定度平均值均提高到了11 000次/mm以上。当振动频率范围为10～40 Hz时，随着振动频率的提高，试件动稳定度平均值也在不断提高， 40 Hz时试件动稳定度达到了最高值13 780次/mm。而当振动频率进一步提高到50 Hz时，试件的动稳定度平均值较40 Hz反而有所下降，回到类似振动频率为30 Hz时的作用效果，这说明一味提高振动频率并不能一直增强沥青混凝土的抗车辙性能。

而在进行试验报告的数据处理时若是动稳定度平均值大于6 000次/mm，则只需记作>6 000次/mm。考虑到所有沥青混凝土试件的动稳定度都已远大于6 000次/mm，为进一步验证振动搅拌所带来的沥青混合料高温性能的提升是否能够保持，并结合南方高温闷热的环境条件和我国货运汽车的平均载重量的不断增加，补充进行高温车辙试验和重载车辙试验，由此希望将动稳定度值有效控制在6 000次/mm以内，也能进一步拉开数据间的差值，所得到的试验数据也更能说明振动搅拌技术对沥青混凝土抗车辙性能的影响。由本小节可知，对抗车辙性能提升效果最好的振动搅拌频率是30、40 Hz，因此取振动搅拌频率为30、40 Hz进行后续研究。

2.2 高温车辙试验

引入动稳定度在高温条件下的保持率作为评价指标，计算公式为

(1)

式中：β为动稳定度在高温条件下的保持率，%；Ds2为70 ℃高温车辙试验动稳定度平均值，次/mm；Ds1为标准车辙试验动稳定度平均值，次/mm。

不同振动搅拌频率下的车辙试验结果见表4。

表4 不同振动搅拌频率下的车辙试验(70 ℃、0.7 MPa)结果Tab.4 Results of rutting test (70 ℃、0.7 MPa) about different vibration mixing frequencies

由表4可知，传统搅拌所得到的试件，70 ℃动稳定度平均值为2 199次/mm，而振动作用加入后，当振动频率为30 Hz和40 Hz时，试件的70 ℃动稳定度平均值都提高到了4 000次/mm以上，说明振动搅拌技术所制备的沥青混凝土在高温环境作用下的抗车辙性能的衰减程度比传统搅拌的沥青混凝土要小，也更能抵抗高温环境下的行车荷载作用。

由于将试验温度从60 ℃提高到70 ℃，对比图3和表4可知，70 ℃车辙试验所得到的试件动稳定度平均值都有了进一步的下降，均达到本节所预设的小于6 000次/mm的要求。且经过计算可以发现，传统搅拌所得到的试件动稳定度在高温条件下的保持率为24.47%，而振动频率为30、40 Hz时所对应的试件动稳定度在高温条件下的保持率分别提高到了31.32%和35.25%。即使在更高温的恶劣环境条件下，振动搅拌技术也能在一定程度上提高沥青混合料抵抗车辙病害的能力。

2.3 重载车辙试验

动稳定度在重载交通条件下的保持率作为评价指标，计算公式为

(2)

式中：γ为动稳定度在重载交通条件下的保持率，%；Ds3为1.4 MPa重载车辙试验动稳定度平均值，次/mm；Ds1为节2.1中的标准车辙试验动稳定度平均值，次/mm。

不同振动搅拌频率下的车辙试验结果见表5。

表5 不同振动搅拌频率下的车辙试验(60 ℃、1.4 MPa)结果Tab.5 Results of rutting test (60 ℃、1.4 MPa) about different vibration mixing frequencies

由表5可知，传统搅拌所得到的试件，1.4 MPa动稳定度平均值为1 124次/mm，而振动作用加入后，当振动频率为30、40 Hz时试件的1.4 MPa动稳定度平均值都提高到了2 300次/mm以上，提升效果明显，说明振动搅拌技术所制备的沥青混凝土在重载交通作用下的抗车辙性能的衰减程度比传统搅拌的沥青混凝土要小，也更能抵重载交通条件下的行车荷载作用。

由于将试验轮的接触压强由0.7 MPa提高到1.4 MPa，对比图3和表5可知，1.4 MPa车辙试验所得到的试件动稳定度平均值都有了大幅度的下降，且均小于6 000次/mm。经过计算可以发现，传统搅拌所得到的试件动稳定度在重载交通条件下的保持率为12.51%，而振动频率为30、40 Hz时所对应的试件动稳定度在重载交通条件下的保持率分别提高到了17.74%和20.70%。即使在重载交通的恶劣条件下，振动搅拌技术也能在一定程度上提高并保持沥青混凝土抵抗车辙病害的能力。

2.4 抗剪强度试验

三轴压缩条件下，试件的抗剪强度与围压有关[19-22]，抗剪强度与黏聚力和内摩擦角的关系式为

τf=c+σtanφ,

(3)

式中：τf为沥青混合料的抗剪强度，kPa；c为试件的黏聚力，kPa；σ为主应力值，kPa；φ为内摩擦角，(°)。

不同振动搅拌频率下的黏聚力与内摩擦角及不同振动搅拌频率下的抗剪强度试验结果分别见表6、7。

表6 不同振动搅拌频率下的黏聚力与内摩擦角Tab.6 Results of cohesion and internal friction angle about different vibration mixing frequencies

表7 不同振动搅拌频率下的抗剪强度试验结果Tab.7 Results of shear strength test about different vibration mixing frequencies

由表6可知，传统搅拌所得到的试件，黏聚力平均值为908.86 kPa，而振动作用加入后当振动频率为30、40 Hz时，试件的黏聚力平均值都提高到了985 kPa以上，说明振动搅拌技术所制备的沥青混凝土的剪切破坏性能的衰减程度比传统搅拌的沥青混凝土要小。当振动频率达到40 Hz时所对应的试件黏聚力平均已达到了1 010 kPa，提升幅度为11.1%。而内摩擦角主要由集料本身的性质决定[23]，振动作用的加入并未对内摩擦角产生显著影响。

由表7进行横向分析可知，在一定范围内当振动频率不变时，随着围压的增大，沥青混凝土试件的抗剪强度也在逐渐提高，但抗剪强度增长的幅度逐渐变小。纵向分析可知，在搅拌过程中振动作用的加入能提高密级配沥青混凝土的抗剪强度，当振动频率为40 Hz时抗剪强度的提升效果最好，在不同围压的条件下提高幅度范围为6.0%～13.1%。

相比传统搅拌技术，振动搅拌技术所得试件黏聚力的提高幅度较为显著，说明黏聚力对振动作用更为敏感，这是由于悬浮-密实结构中，振动作用的加入使细集料和矿粉得到更有效的重新分布，从而形成更黏稠的沥青胶浆，使其具有更大的黏聚力，能更紧密粘结骨料，总体来看有利于其强度提高，又由于本实验基于最佳油石比进行，因而此时沥青胶浆具有最优的黏聚力。当试件受到剪切作用时，沥青胶浆的黏聚力则表现为抵抗剪切破坏的抗力；而内摩擦角主要与集料本身的压碎值，磨耗值和针片状含量有关，因此振动作用的引入对内摩擦角的增大程度有限。振动搅拌增大了集料与沥青相互接触的比表面积，促进了集料对沥青的吸收，沥青的有效含量得以提高，黏聚力增大，也使得沥青混凝土整体性更好，进一步提高沥青混凝土的抗剪强度。而剪切疲劳破坏在宏观方面即表现为车辙病害，也说明剪切流动破坏是车辙病害产生的主要原因。

3 结语

本文在各振动频率所对应的最佳油石比基础上，通过一种轴振动强制式搅拌机进行沥青混凝土的制备，进行4项高温稳定性能试验，得出以下结论：

①由于搅拌过程中振动作用的加入，标准车辙试验时试件动稳定度的平均值得到了有效提高。当振动频率范围为10～40 Hz时，随着振动频率的提高，试件动稳定度平均值也在不断提高，40 Hz时达到峰值。

②分别通过高温车辙试验和重载车辙试验，并且引入动稳定度在高温条件下和重载交通条件下的保持率作为评价指标，结果表明，即使在高温和重载交通的恶劣条件下，振动搅拌技术也能提高沥青混合料抵抗车辙病害的能力。

③通过进行抗剪强度试验发现，振动作用使试件黏聚力平均值提高10%以上，而并未对内摩擦角产生显著影响。当振动频率为40 Hz时，对试件抗剪强度的提升效果最好，在不同围压的条件下提高幅度范围为6.0%～13.1%。

④综合来看，最佳振动频率在30～40 Hz，此时激振力和混合料的和易程度最好，且在恶劣严苛的环境条件下也能保持沥青混凝土抵抗车辙病害的能力。