朱武威，馬景存，姚運(yùn)仕，王瑞龍，馮忠緒

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

近年來，隨著瀝青路面的大力建設(shè)以及路面舒適度、質(zhì)量要求的提升，提高路面質(zhì)量，延長(zhǎng)服役壽命成為路面建設(shè)的迫切需求.在瀝青路面建設(shè)中，施工質(zhì)量與路面質(zhì)量密切相關(guān)，而壓實(shí)質(zhì)量不高，往往是產(chǎn)生病害的重要原因之一[1-3].公路施工實(shí)踐證明，通過高效壓實(shí)使瀝青路面達(dá)到要求的壓實(shí)度，可以減少甚至避免瀝青路面在行車載荷作用下早期破壞，增強(qiáng)抗永久變形能力，延長(zhǎng)路面使用壽命[4-6].因此，壓實(shí)是提高路面質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，尋找新的壓實(shí)方法成為路面建設(shè)的迫切需求.

為了提高路面的壓實(shí)質(zhì)量，增強(qiáng)路面的服役性能，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了廣泛的研究.一些學(xué)者從材料改進(jìn)帶動(dòng)壓實(shí)性能提高進(jìn)行了研究，Celauro等[7]研究添加50%再生料的柔性路面抗車轍性能，通過采用高流變?yōu)r青、嚴(yán)格控制瀝青混合料均勻性等措施保證了路面性能；Chen等[8]研究添加纖維的瀝青路面性能，發(fā)現(xiàn)纖維形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不但可以增大動(dòng)態(tài)模量，而且可以吸收應(yīng)力，從而提高了瀝青路面抗損壞能力；Xiao等[9]研究了橡膠改性瀝青混合料的性能，添加橡膠微粒和添加劑后，瀝青混合料流變特性發(fā)生變化，增強(qiáng)了瀝青路面在凍融作用下的抗破壞能力，從而提高瀝青路面的性能.然而，材料性能的改進(jìn)對(duì)瀝青路面性能的提升遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，更多學(xué)者從事著壓實(shí)方法及壓實(shí)工藝改進(jìn)研究[10-12].趙鐵栓等[13]針對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)電液調(diào)幅系統(tǒng)具有非線性、大時(shí)滯的缺點(diǎn), 提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 控制策略, 提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，彌補(bǔ)現(xiàn)有振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪調(diào)幅裝置的不足；劉玉龍[14]對(duì)垂直振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)激振機(jī)構(gòu)可以使激振器在水平方向上的激振力相互抵消，不會(huì)在其他方向上產(chǎn)生振動(dòng)的擾動(dòng)，壓實(shí)中能量損失要大大降低，能量輻射深度大大提高；Yao等[15]對(duì)雙頻合成振動(dòng)壓實(shí)原理進(jìn)行研究，在任一擋位下同時(shí)存在2個(gè)頻率及其對(duì)應(yīng)的振幅，與同噸位常規(guī)壓路機(jī)相比，雙頻合成振動(dòng)壓路機(jī)工業(yè)樣機(jī)各層壓實(shí)度較高；VOLVO公司將瀝青路面所用振動(dòng)壓路機(jī)引入智能系統(tǒng)，具有IC 系統(tǒng)的壓實(shí)路徑、溫度分布圖顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，操作人員可以實(shí)時(shí)獲得能判斷作業(yè)是否達(dá)標(biāo)的壓實(shí)值，能夠做到壓實(shí)度的實(shí)時(shí)調(diào)整，使得瀝青路面具有更好的平整度[16].上述研究都是以現(xiàn)有成熟壓實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，力求解決壓實(shí)度、平整度與均勻性的統(tǒng)一問題，對(duì)瀝青混合料壓實(shí)度的改進(jìn)已經(jīng)達(dá)到一定極限，難以突破閉鎖氣孔的抵抗，不易實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，需要尋找新的壓實(shí)原理才能實(shí)現(xiàn).

為了進(jìn)一步提高瀝青路面壓實(shí)度、解決瀝青路面壓實(shí)不足的引起質(zhì)量問題，本文提出了在一定真空環(huán)境下對(duì)瀝青材料進(jìn)行壓實(shí)的新方法，將瀝青混合料置于真空室，瀝青混合料開孔孔隙與真空室連通，受氣體壓差作用，將瀝青混合料內(nèi)部氣體由傳統(tǒng)壓實(shí)的“被動(dòng)擠出”變?yōu)椤爸鲃?dòng)溢出”，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)密實(shí)度的增加.并基于馬歇爾擊實(shí)儀設(shè)計(jì)制造了真空擊實(shí)儀器，對(duì)瀝青混合料在常規(guī)壓實(shí)和真空壓實(shí)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)最終壓實(shí)效果.

1 試驗(yàn)方法與方案

本試驗(yàn)采用粘性較大、軟化點(diǎn)較高的道路石油瀝青A70，按我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)對(duì)集料的堅(jiān)固性進(jìn)行要求，粗集料應(yīng)該具有潔凈、干燥、表面紋理良好、有足夠強(qiáng)度等性質(zhì)，采用破碎礫石；細(xì)集料石屑.并采用AC13瀝青混合料路面級(jí)配為例進(jìn)行研究，具體級(jí)配如表1所示.礦粉含量為6%，瀝青用量為5%.

表1 試驗(yàn)用集料(70#AC13)級(jí)配Tab.1 Aggregate (70#AC13) gradation in the experiment

試驗(yàn)時(shí)集料用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干加熱至170 ℃，按集料級(jí)配要求確定每種集料的質(zhì)量；同時(shí)按配比確定瀝青質(zhì)量，并加熱到160 ℃，與已經(jīng)干燥、稱量好的集料、礦粉進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，得到溫度?55～165 ℃瀝青混合料.

真空壓實(shí)試驗(yàn)在真空擊實(shí)筒中進(jìn)行，如圖1所示為設(shè)計(jì)并制造的真空試驗(yàn)裝置，其腔內(nèi)徑尺寸為101.6 mm，高度63.5 mm.

圖1 瀝青真空擊實(shí)試驗(yàn)裝置Fig.1 Vacuum Compaction Test Device of Asphalt Mixture

為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)時(shí)將真空擊實(shí)筒與攪拌裝置預(yù)熱到165 ℃，將高溫瀝青混合料倒入真空擊實(shí)筒中，并緊固端蓋螺栓，保證真空腔內(nèi)密封.真空擊實(shí)過程為：通過真空泵預(yù)先抽取真空擊實(shí)筒腔內(nèi)空氣，達(dá)到設(shè)定真空度之后待其穩(wěn)定，手動(dòng)將擊實(shí)錘提升到初始最大高度，保證每次下落高度一致，利用擊實(shí)桿自由下落的重力對(duì)腔內(nèi)的瀝青混合料進(jìn)行擊實(shí)，達(dá)到了在真空環(huán)境下壓實(shí)瀝青混合料.用游標(biāo)卡尺測(cè)量承力壓實(shí)裝置的頂端與端蓋面之間的高度h，擊實(shí)前后兩次測(cè)量高度之差即為沉降量.在未抽取真空與不同真空度的條件下，用高度游標(biāo)卡尺測(cè)量每一次或者每幾次擊實(shí)后混合料的沉降量以及擊實(shí)結(jié)束之后的累積沉降量，為了減小誤差，試驗(yàn)中每次在同一平面測(cè)量5組數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值作為此次數(shù)據(jù).試驗(yàn)中，每個(gè)試驗(yàn)樣本總的擊實(shí)次數(shù)為80次，并將擊實(shí)80次后的累積沉降量作為瀝青混合料最終壓實(shí)沉降量.通過對(duì)比瀝青混合料在普通壓實(shí)與在不同真空度環(huán)境下壓實(shí)的沉降量來評(píng)價(jià)真空壓實(shí)效果，為后續(xù)研究提供依據(jù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

將制備好的瀝青混合料在瀝青真空裝置中進(jìn)行常規(guī)擊實(shí)和真空擊實(shí).圖2為采用常規(guī)擊實(shí)和在真空度為-0.04 MPa下?lián)魧?shí)的瀝青混合料的沉降量對(duì)比.從圖2中可以看出，在相同間隔的擊實(shí)次數(shù)下，真空壓實(shí)的沉降量都高于普通壓實(shí)；在1～5次擊實(shí)階段，每擊實(shí)1次，真空壓實(shí)和普通壓實(shí)區(qū)別不大，隨擊實(shí)次數(shù)增加沉降量逐漸減小，這是由于密實(shí)度逐步增加導(dǎo)致每次的下降量更??；在第6～30次擊實(shí)階段，每擊實(shí)5次測(cè)量一次數(shù)據(jù)，在31～80次階段，每擊實(shí)10次測(cè)量一次數(shù)據(jù)，結(jié)果表明擊實(shí)次數(shù)在6～80次之間時(shí)，隨著壓實(shí)度的逐步增加，相同間隔下的擊實(shí)次數(shù)下累計(jì)沉降量逐步變小，但總體上，真空壓實(shí)的沉降量高于普通壓實(shí).

圖3為采用普通壓實(shí)和在真空度-0.04 MPa下在同等擊實(shí)次數(shù)下的瀝青混合料累積沉降量，從圖3中可以看出，兩種情況下的累積沉降量隨擊實(shí)次數(shù)增加呈先快速增長(zhǎng)后趨于平緩的規(guī)律；在相同的擊實(shí)次數(shù)下，真空壓實(shí)的累積沉降量都高于普通壓實(shí)；另外，在初始1～5次擊實(shí)階段，材料易被壓實(shí)，真空壓實(shí)和普通壓實(shí)區(qū)別不大；自6～30次擊實(shí)階段，開始累積沉降量差距逐漸變大；在終了31～80次擊實(shí)階段，材料已較密實(shí)，壓實(shí)變得困難，沉降量差距也逐步變大.試驗(yàn)結(jié)果表明，在瀝青混合料松軟階段，孔隙反彈力小和閉孔少，真空負(fù)壓的作用不明顯，但隨著壓實(shí)度的增加，瀝青材料之間變得更致密時(shí)，真空壓實(shí)的效果開始顯現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)是額外的負(fù)壓導(dǎo)致混合料中的一些閉鎖氣孔的力的平衡被打破，并有一些被擠破，形成開孔或是更小的閉孔，最終實(shí)現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，改進(jìn)壓實(shí)效果.

圖4所示為在不同真空度下(-0.04 MPa, -0.06 MPa, -0.08 MPa, -0.09 MPa)瀝青混合料壓實(shí)累計(jì)沉降量的變化.從圖4中可看出，在0～5次擊實(shí)下，真空壓實(shí)和普通壓實(shí)區(qū)別不大，但隨著擊實(shí)次數(shù)逐步增加，真空壓實(shí)在每時(shí)每刻的壓實(shí)沉降量都高于非真空壓實(shí).在真空壓實(shí)中，當(dāng)真空度從-0.04 MPa～-0.08 MPa時(shí)，壓實(shí)的累積沉降量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但真空度從-0.06 MPa增加 -0.08 MPa時(shí)，壓實(shí)的累積沉降量的相對(duì)增加值減緩，并出現(xiàn)有交叉現(xiàn)象，表明在這一區(qū)間，真空度的增加沒有使得壓實(shí)的沉降量大幅度改變；當(dāng)真空度從-0.08 MPa增加到-0.09 MPa時(shí)，壓實(shí)累計(jì)沉降量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，上述結(jié)果表明，真空壓實(shí)能夠明顯的改善瀝青路面的壓實(shí)沉降量，且在真空壓實(shí)中，-0.08 MPa是一個(gè)最佳的壓實(shí)真空度，具有明顯的壓實(shí)沉降效果.而且，真空提供的負(fù)壓在對(duì)瀝青微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)化到一定階段后，外部加載和混合料內(nèi)部抵抗力形成彈性抵抗平衡，已經(jīng)大大的提高了壓實(shí)度，如進(jìn)一步提高壓實(shí)效果，外部負(fù)載需要增加，但在壓實(shí)度很高的情況下，壓實(shí)將變得更難.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證真空擊實(shí)下壓實(shí)效果，采用表干法對(duì)在不同擊實(shí)狀態(tài)下(常規(guī)擊實(shí)，真空度-0.04 MPa、-0.06 MPa、-0.08 MPa、-0.09 MPa)的瀝青混合料進(jìn)行空隙率測(cè)試，如圖5所示為不同擊實(shí)狀態(tài)下的瀝青試件的孔隙率變化.從圖5可知，常規(guī)擊實(shí)下的瀝青混合料的空隙率最大，達(dá)到5.1%，高于所有真空擊實(shí)的空隙率；在真空條件下，空隙率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在真空度-0.08 MPa下達(dá)到最小值4.6%，而在-0.09 MPa下達(dá)到4.7%；圖6也能看出，采用真空壓實(shí)方法能降低試件的礦料間隙，在真空度-0.08 MPa結(jié)果最理想，這一結(jié)果表明真空擊實(shí)下的壓實(shí)度高于常規(guī)擊實(shí)的壓實(shí)度，而且在真空擊實(shí)中，-0.08 MPa為一個(gè)最佳的壓實(shí)真空度，其空隙率常比常規(guī)擊實(shí)減小9.8%，礦料間隙率減小了2.3%，空隙率與礦料間隙率測(cè)試結(jié)果與累計(jì)擊實(shí)深度試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性.另外，選取常規(guī)擊實(shí)和真空度-0.08 MPa下的瀝青混合料為試驗(yàn)樣本，對(duì)其進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖7所示為兩種壓實(shí)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變圖，從圖中能夠看出，兩種狀態(tài)下的應(yīng)變規(guī)律圖形基本相似，在低應(yīng)力區(qū)域0.8 MPa以下，曲線變化近乎重合；但在高應(yīng)力階段，也即是峰值區(qū)域的應(yīng)力，真空擊實(shí)樣件最大劈裂強(qiáng)度為1.062 MPa，常規(guī)壓實(shí)樣件為0.962 MPa，劈裂強(qiáng)度提高了11.52%，結(jié)果表明真空壓實(shí)使瀝青混合料更密實(shí)，承載能力更高.

圖2 真空與非真空等間隔擊實(shí)下沉降量變化Fig.2 Settlement Changing under Vacuum and Non-vacuum at Equal Intervals Compaction

圖3 真空與非真空壓實(shí)累積沉降量對(duì)比Fig.3 The Comparison of Cumulative Settlement under Vacuum and Non-vacuum

圖4 不同真空度下累計(jì)壓實(shí)沉降量對(duì)比Fig.4 The comparison of cumulative settlement under different vacuum degrees

圖5 不同擊實(shí)環(huán)境下的樣件空隙率Fig.5 The void fraction under different vacuum compaction

圖6 不同擊實(shí)環(huán)境下的礦料間隙率Fig.6 Voids in Mineral Aggregate under different Vacuum Compaction

圖7 兩種擊實(shí)狀態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變Fig.7 Stress-Strain under Vacuum Compaction and Common Compaction

3 結(jié)論

(1)在對(duì)等的單次擊實(shí)下和相同的累積擊實(shí)次數(shù)下，真空下瀝青混合料單次擊實(shí)沉降量和累積沉降量都高于常規(guī)擊實(shí)的沉降量，真空壓實(shí)效果優(yōu)于常規(guī)壓實(shí)且-0.08 MPa是一個(gè)較優(yōu)的真空壓實(shí)環(huán)境；

(2)通過對(duì)比常規(guī)壓實(shí)和真空擊實(shí)下的空隙率和礦料間隙率，發(fā)現(xiàn)在-0.08 MPa下的空隙率比常規(guī)壓實(shí)下減小小9.8%，礦料間隙率減小2.3%，證明了真空壓實(shí)優(yōu)于常規(guī)壓實(shí)，且-0.08 MPa為一個(gè)最佳真空度；對(duì)比常規(guī)壓實(shí)和-0.08 MPa真空度壓實(shí)下瀝青真混合料的劈裂強(qiáng)度，真空壓實(shí)下提高了11.52%，表明空壓實(shí)的路面其結(jié)構(gòu)相對(duì)常規(guī)壓實(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，承載力更強(qiáng).

(3)用自行設(shè)計(jì)的擊實(shí)裝置制作試驗(yàn)樣本來近似馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)試，要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的精確度，試驗(yàn)裝置還需進(jìn)一步提高精度；而且，試驗(yàn)中由于真空度較難控制，需更進(jìn)一步對(duì)其更細(xì)的劃分，增加區(qū)分度，最終建立真空度對(duì)瀝青路面壓實(shí)度精準(zhǔn)控制關(guān)系，為未來設(shè)計(jì)真空壓路機(jī)提供依據(jù).