沥青混合料旋转压实成型与马氏制件比较.pdf

第 1 期(总第1 4 0期)2 0 0 3年 2月 2 0 日 华 东 公 路 EAS T CHI NA HI GHW AY N o 1(T o t a l N o 1 4 0)F e b r ua r y 2 0 03 文章编号：1 0 0 1 7 2 9 1(2 0 0 3)0 l一 0 0 7 8 0 4 文献标识码：B 沥 青 邀 舍 料 旋 转 压 实 成 型 与 马 氏 制 件 的 毙 较 郁炳生，金涛，钱喜红，马志刚，陈兴伟，王宇辉，马卫民，黄文(1 苏州市交通工程管理处，江苏 苏州 2 1 5 0 0 0；2 同济大学道路与交通工程教育部重点试验室，上 海 市2 0 0 0 9 2)摘要：通过旋转压 实仪和马氏击实效果的大量试验比较分析，建立了旋转压 实和马氏试件间 空隙率和用油量的关 系，并对拌和厂混合料的旋转压实试验结果进行 了分析。关键词：旋转压实仪；马歇 尔；空隙率；用油量 美国 S H R P所制定的 S u p e r p a v e 设计方法规定：沥青混合料试件的制备必须采用旋转压实仪，这是有 其原因的。由于当代高速公路上交通量不断增大，车 辆轮胎荷载进一步提高，使得马歇尔击实仪不再能提 供模拟现实路面使用状态下的各种性能。马歇尔击实 仪的击实功作用不够。单纯增加击实次数并不能提高 压实效果，而且有时还会使石料产生击碎现象。从力 学分析的角度，施工和使用状态下的路面受到车轮的 碾压作用而很少受到撞击作用，而旋转压实仪的压实 过程较接近路面的实际压实状态，压实的程度可以达 到最大理论密度的 9 8 以上，并且成 型时可 以通过 压实次数或者试件高度等模式进行控制，并能采集每 压实一次时的试件高度，以便对沥青混合料的体积特 性进行评价。正是 由于旋转压实仪具有较好的模拟性 和数据采集的便利性，使得它成为沥青混合料制件中 较理想的压实工具。但 与此 同时这些设备 的价格 昂 贵，如旋转压实仪通常要4万美元左右，这除了少数 研究单位有实力购置以外，想要在广大的设计和施工 单位加以推广显然在短期 内难以实现。而马歇尔击实 仪由于价格便宜和携带方便，加上在长期的使用过程 中积累了很多经验，在设计和施工单位 中得到了广泛 的推广。因此可供选择 的措施之一就是通过旋转压实 仪和马氏击实效果的大量试验比较分析，在其间建立 起一种沟通的方法，以便 于 S u p e r p a v e成果的精华在 国内更快地推广，使修 出的路 面耐久，基 本上不渗 水，具有较高的抗车辙、抗疲劳开裂 的能力。l 旋转压实与马氏试件空隙率及用油量的关 系 本论文对某 S u p一1 9级配在相 同沥青 含量(P 6 收稿 日期：2 0 0 2 1 1 1 1 修回 日期：2 0 0 2-1 2-2 9 =4 ，4 3 二种)的条件下，分别进行 了马 氏击 实和旋转压实的试验，试件直径采用 1 5 c m和 1 0 c m 两种。S H R P方法规定试件采用的直径为 1 5 c m，考 虑到马氏试件的直径为 1 0 c m，为了便于比较，增加 1 0 c m这种直径。根据 S u p e r p a v e“室内试验应与工地情况相同”的原则，因“理论计算时假定试件为平滑圆柱体，而实际试件表面不平整会 引起试件体积稍小于平滑圆 柱体体积，因而对试件密度要进行修正”。S u p e r p a v e 还曾规定，试件两端部必须锯去 6 m m的高度后再进 行测试。考虑到马氏试件的端部是不锯掉的，因此本 试验中对旋转压实试件采用锯去与不锯去两种方法进 行 比较。旋转压实仪压实后，通过计算机打印出每一旋转 次数时的试件高度。据此结果可按试件的直径和高度 及混合料的质量估算出每一次旋转压实后的试件密度(毛体积密度)，然后再根据试件实测 密度对上述 毛 体积密度进行修正，得出修正后不同旋转次数下的密 度。试验结果见表 1及图 1、图 2。表 l 旋转压实 马氏击实试件试验结果汇总 直径端部(c m)状况 沥青 c m m 含量N 韧始 N 设计 N 最大：9：l 2 5：2 0 5 要达到 4 标准压实 空隙率所次数(1 2 5次)鱼奎照空一 需 的 压 实 下 的 空 隙 套 耋 主 次数 率(表干法)未切除 端部 切除 端部 未 切除 端部 切除 端部 4 3 8 4 4 9 5 8 9 7 3 4 8 4 3 9 5 I 9 6 5 4 3 8 4 4 5 9 5 9 5 9 7 5 4 8 4 3 5 9 5 5 9 6 9 4 3 8 5 3 9 5 3 5 9 6 9 5 4 8 3 5 9 4 6 9 6 4 3 8 5 8 5 9 5 6 9 7 6 5 4 8 3 9 5 9 5 0 5 9 6 6 4 2 4 3 4 9 5 2 4 0 5 4 3 4 5 5 2 4 6 5 4 3 5 4 5 2 4 4 4 3 4 9 5 5 2 维普资讯 2 0 0 3 年第 1 期 郁炳生，金涛，钱喜红等：沥青混合料旋转压实成型与马氏制件的比较 一 7 9一!0 枣；-4-4 3 蠼2 毯1 0 4荡 0 5 1 吗a 氏3 1l4案 6 5 1l荡4 4 4：3 沥青含量()图 1 旋转压实与马氏击实试件空隙率(表干法)比较(P 6 =4 3 )示意 图 2 旋转压 实与马 氏击实试 件空 隙率(表干 法)比较(P 6 =4 0 )示意 从上述试验结果中可得 以下结论。(1)当旋转压实试件两端未锯除时，在设计旋转 压实次数 N=1 2 5条 件下，当含油量 P b=4 3 时，直径为 1 0 c m 的试 件，其密 实度为 9 5 8 ，空隙率 为 4 2，而当空隙率达到 4 0 时，所需 的旋转次 数 N=1 3 4，略 比 S H R P规定 的设计 次数多一些；对 于直径为 1 5 c m的试件，其密实度为 9 5 3 5 ，空隙 率为 4 6 5，而当空隙率达到 4 0 时，所需 的旋转 次数 N=1 4 9，也 比 S H R P规定 的设计 次数多 一些。在含油量 4 0 时，直径为 1 0 c m的试件，其密实度 为 9 5 1 ，空隙率为 4 9 ，而 当空隙率达 到 4 0 时，所需的旋转次数 N=1 6 9，比 S H R P规定 的设计 次数多一些；对于直径为 1 5 c m的试件，其密实度为 9 4 6 ，空隙率为 5 4 ，而当空隙率达到 4 0 时，所需的旋转次数 N=2 0 5，达到了 S H R P规定的最大 次数。而对于马氏试件而言，在双面击实 7 5次的情况 下，当含油量为 4 3 ，试件的水中重法空隙率为 4 3 ，表干重法空隙率为 5 3 ；当含油量为4 0，试件 的水中重法空隙率 为 5 2 ，表干重法空隙率为 6 4。旋转压实试件的表干法空隙率与马氏击实试件的 水中重法空隙率较为接近。(2)当旋转压实试件两端锯除时，在设计旋转压 实次数 N：1 2 5条件下，当含油量 P b=4 3 时，直 径为 1 0 c m的试件，其密实度为 9 5 9 5 ，平均空 隙 率为 4 0 5 ，而当空隙率达到 4 0 时，所需 的旋转 次数 N=1 3 1，略 比 S HR P规 定 的设 计次数 多一些；对于直径 为 1 5 c m的试件，其 密实度为 9 5 6，空 隙率为 4 4 ，而 当空隙率达到 4 0 时，所需 的旋 转次数 N：1 3 8，比 S H R P规定的设计次数略多一些。在含油量 4 0 时，直径 为 1 0 c m的试件，其密实度 为9 5 5，空隙率为 4 5 ，而 当空隙率达到 4 0 时，所需 的旋转次数 N=1 4 5，比 S H R P规定 的设计 次数多一些；对于直径为 1 5 c m的试件，其密实度为 9 5 0 5 ，平 均空 隙率 为 4 9 5，而 当空 隙率 达 到 4 0 时，所需 的旋转次数 N=1 7 1，也 比 S H R P规定 的设计次数多一些。现把各种旋转试 件与马氏试 件的空隙率(表干 重法)之 间的关 系列 于表 2中。当然，这些关 系式 还有待更多的试验数来验证。表 2未锯 除端部 的旋转压 实试件 与马 氏试 件空隙率 关系 直径 端部 沥青 标准压实次数下的 马氏试件的空 空隙率间的关系(c m)状况 含量 空隙率(表干法)隙率 表干重法。旋转压实试件直径为 1 0 c m与 1 5 c m的空隙率 的 关系见表 3。表 3 直径为 1 0 c m与 1 5 c m的旋转试件间空隙率的比较 维普资讯 一8 0一 华 东 公 路 2 0 0 3年第 1 期 从上述试验结果可以看 出：在沥青含量 4 0 和 4 3 的条件下，无论直径 1 0 c m还是 1 5 c m的试件，旋转压实仪的压实效果比马歇尔击实的好，压实空隙 率略小。试验中还得知对于直径为 1 0 c m的旋转压实试 件，水中重法测定试 件=4 0 时，用 油量为 4 0 ；而马氏试件 水中重法 测定试 件 V a=4 0 时 的用油量 P b=4 4。对未锯除端部和锯除端部 的试件测试结果表明：在设计压实次数下，锯除端部的试件密度比未锯除端 部的试件密度大 0 3 5 至 0 6 5 ，而且直径 1 5 c m 的试件相差较大，平均为 0 5，直径 1 0 c m的试件 相差较小，平均为 0 4。这一现象表明旋转压实仪 的端部对试件空隙率有所影响，但新的 S u p e r p a v e 设 计方法中并未建议采用锯除端部的测试结果。根据试件测试结果的比较，由于旋转压实仪设计 压实次数下的混合料密实度 比马歇尔击实双面 7 5次 的好，因此在施工 中应该适 当增加压路机的吨位。或 增加压实次数，从而提高施工压实功，以达到与旋转 压实仪相应的压实效果。在不 同沥青用量的条件下，旋转压实方法较马歇 尔击实法稳定一些，也就是说，沥青含量的变化对旋 转压实的影响较小些，而对马歇尔击实的影响则较明 显。这是 由于旋转压实和马歇尔击实的作用机理是不 同的，旋转压实对混合料产生揉搓碾压作用，在试验 的过程中，有利于集料之间的错动，从而使集料有重 新排列的过程。旋转压实的机械作用和沥青含量都是 集料不断密实的原因。而马歇尔击实的过程中，当沥 青含量不足时石料 的错动会很少，不利于产生集料的 重新排列；当沥青含量增加时集料的相对移动才可能 发生。所 以，沥青含量对马歇尔击实试件的影响 比对 旋转压实仪的影响要大。此外，由于沥青混合料的集料类型、集料级配、试件尺寸和沥青含量都会影响旋转压实仪和马歇尔击 实仪的比较结果，因此美国 S H R P计划所公布的设计 压实次数在中国的应用还有待进一步的检验，利用我 国的常见石料和级配对旋转压实仪的设计压实次数进 行研究是非常必要的。2 拌和厂混合料的旋转压实试验结果分析 目前我国拥有旋转压实仪的单位基本都是科研和 设计单位，还没有哪家生产施工单位采用旋转压实仪 进行生产配合 比的设计。因此，有必要对拌和厂拌 的沥青混合料进行旋转压实试验，以检验生产单位拌 制的混合料与试验室拌制的混合料的差异性。为此，曾对某工程两个标段 S u p一1 9级配进行 了 室内马氏配合比设计，设计结果见表 4。参照 S u p e r-p a v e 空隙率取4 的设计标准，得出 A标室内试验最 佳用 油 量 为 4 4 ，B标 室 内 试 验 最 佳 用 油 量 为 4 3 。后来又对拌和厂拌制的沥青混合料进行取样，采用旋转压实仪进行压实，成型压力为 6 0 0 k P a，试 件直径为 1 0 c m，试验结果见表 5。表4 某工程 S u p 一1 9 A B标沥青混合料室内马氏试验结果 4 3 3 5 5 6 5 6 表 5 某工程 S u p一1 9 A B标拌和厂沥青 混合料旋转压实(直径 1 0 e ral 试验结果 J(k N m 口 1)将室内马氏配合比设计结果与拌和厂沥青混合料 取样旋转压实的结果相比较可 以得出以下结论。(1)马氏击实与旋转压实的压实功不一样。根据 上节的分析，旋转压实的压实功比马氏击实仪的要大，由表2 旋转试件与马氏试件空隙率问的换算关系可以 得知，如果对拌和厂所取样的混合料进行马氏击实，其 空隙率(表干法)A标大约为 2 1 1 2 6 2=2 6 5：B标的空隙率大约为2 0 1 2 6 2=2 5 2 左右。麒敦 i詈 度 靛 撇 谍 率 法一 排 率 地 一 徘 薹 度 一 捧 辜 法 一 幢 一 甜 捧 率 求 二 一；2；度 默耽黻 腮 标段 弘 0 0 0 强 弧 孤；i i 聃 3 妨 ，9 3 0 6 8 2，3 3，2 4 2 似 上2 扮 3 m 挪 ；3 蜥 研舶 上 上上 O 5 2：2 n 4 4 m；目 B N 蓝 酊 凹 3 研 2 3 4 枷 帕 2 粥川写 彤 上 上 犯 3 m瑚麟呲 ；3 斯 2 5 2 0 4 4 B 勰 率 法一 排 率 塑 一 徘薹 度 一 捧 率 法 一 幢 一；耋 强 率 求 lI 一；2 i 度 默舵黻 蝻脯 标段 维普资讯 2 0 0 3 年第 1 期 郁炳生，金涛，钱喜红等：沥青混合料旋转压实成型与马氏制件的 (2)由马氏设计方法与旋转压实方法所定的最佳 用油量有所差别。根据经验，通常 由马 氏设计法确定 的最佳用油量要 比由旋转压实方法所确定的最佳用油 量多 0 4 0 5 左右。其 主要原因是：旋转压实仪 在压实过程 中有揉搓碾压作用，而不象 马氏击实仪那 样单纯依靠击实作用压实，因此达到相 同的空隙率旋 转压实所需 的沥青含量 比马氏击实的要少。(3)试验室拌制混合料与拌和厂拌制混合料的效 果有所不同。为了让试验室拌制的混合料的级配跟设 计的一样，在室内成型试件时都是每个试件单独配料，单独拌制。这样可以避免数个试件一起拌制而造成的 粗细料的离析，从而影响到级配的准确性。在进行单 个试件的拌制、成型前的装料等过程 中，拌和锅的内壁 上、乘料器具 内壁上都会不 同程 度的粘走一些 沥青。而拌和厂拌和混合料时 由于拌和量大，且沥青都是 自 动喷射，通常在关掉喷射开关后还会有少量的沥青从 喷射管道下滴。因此，在拌和厂拌制时，所加的沥青用 量可以比试验室所定 的沥青 用量减少一些。根据经 验，通常向拌和厂建议拌和时所加 的沥青用量比试验 室所定用量要减少 0 2 0 3结语 工程实践中，可 以根据 _ J 转压实之间的差别的原因，趸 进行生产配合 比设计时，确 可以放宽到 4 5 左右。同样是由于上述分析的 青用量附近把沥青用量减少 率可以增加 0 7 1 8。样沥青混合料用旋转压实仪 但可以预计，在拌和厂将沥j 后，采用马氏成型得到的试千 近 4 左右，V MA与 V F A的于 p e r p a v e所规定地要求。参考 1 J T J 0 l 4 _ _ 9 7公 路 沥青 路 面设 计 l 9 9 7 ，目 护，简讯 维普资讯