曹青霞，张富奎，赵发章，贾汉清，王旭有，杨克诚，秦睿明

(1.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，兰州 730030；2.甘肃省公路养护技术创新中心，兰州 730030; 3.甘肃省公路交通建设集团有限公司，兰州 730030)

0 引 言

压实特性是影响沥青混合料和易性的关键指标，但目前有关沥青混合料和易性的研究更侧重于拌和过程而不是压实过程[1]。具有良好压实性能的沥青混合料应易于压实到设计体积，同时在道路运营过程中保持一定的稳定性[2]。目前，我国常用的沥青混合料配合比设计方法有马歇尔法和旋转压实法，马歇尔法通过击实方式压实混合料，旋转压实则是通过揉搓。研究者认为，旋转压实法与现场沥青混凝土路面压实机械产生的压实方式更为接近，更适合沥青混合料配合比设计[3-4]。

Mahmoud等[5]借助于旋转平板加载装置和Superpave路面旋转压实仪研究了热拌沥青混合料的压实特性，并提出压实能量指数(CEI)和交通密实指数(TDI)作为评价沥青混合料压实性能的指标。同时Zhang等[6]也通过旋转压实方法成型试件，引入压实拟合曲线斜率K1评价不同类型混合料在不同压实温度下的压实特性。Zhang等[7]通过Superpave旋转压实仪的压实曲线评价沥青混合料的压实性能，引入CEI、TDI、K1、K2四个因素来反映沥青混合料在施工和交通荷载作用下的压实性能，并对不同粗集料比(CA)的沥青混合料的压实度进行了分析，根据性能要求和施工工艺，给出了Bailey参数CA的合理范围。Gao等[8]发现压实温度对沥青混合料的马歇尔稳定度和体积特性有显著影响，同一公称最大粒径但不同级配类型的混合料需要不同的压实度才能达到设计密度。我国《公路沥青路面施工技术规范》[9](JTG F40—2004)中明确SMA类沥青混合料施工工艺为钢轮压路机振动压实，严禁胶轮揉搓，其碾压方式更接近马歇尔击实，因此，本研究在SMA-13沥青混合料成型中用了马歇尔法，在Sup-13沥青混合料设计中采用旋转压实成型[10]。

本研究选取石墨烯复合橡胶改性沥青(GRS)、橡胶-SBS复合改性沥青(RS)与SBS改性沥青(SBS)三种改性沥青，各自进行三种胶结料的旋转压实(Sup-13)和马歇尔击实(SMA-13)配合比设计。分别在三种温度(150 ℃、160 ℃、170 ℃)下进行Sup-13和SMA-13试验，构建不同结合料不同温度下两类混合料的压实/击实特性曲线，获取压实能量指数(CEI)、交通密实指数(TDI)、压实拟合曲线斜率K1、K2，评价石墨烯在沥青混合料压实过程中所起的作用。

1 实 验

1.1 原材料

SBS改性沥青、橡胶-SBS复合改性沥青、石墨烯复合橡胶改性沥青均为成品改性沥青。三种改性沥青的基本性能指标如表1所示，RTFOT为旋转薄膜烘箱老化试验。

表1 三种沥青的性能指标Table 1 Performance index of three asphalts

三种Sup-13型改性沥青混合料均采用同一种级配，如表2所示。

表2 三种Sup-13型改性沥青混合料级配Table 2 Gradation of three kinds of Sup-13 modified asphalt mixture

由于橡胶沥青粘度大，且有SBS改性剂复合改性，SMA-13型沥青混合料配合比设计中，GRS和RS两种改性沥青所用级配在SBS改性沥青混合料的基础上降低了3%的矿粉及0.2%的纤维，三种SMA-13型改性沥青混合料的级配如表3所示。

表3 三种SMA-13型改性沥青混合料级配Table 3 Gradation of three kinds of SMA-13 modified asphalt mixture

1.2 试验方案

以Sup-13型及SMA-13型混合料为研究对象，胶结料分别采用GRS、SBS、RS改性沥青，在各自规定的拌和温度下拌和，设置压实温度分别为150 ℃、160 ℃、170 ℃。

(1)对于Sup-13型混合料绘制旋转压实次数(0～200次)-试件高度曲线，试件高度与试件密实度成反比关系，利用测试试件旋转压实次数为200次时的密实度，反推压实次数(0～200次)-密实度曲线，分别计算不同压实度下的CEI、TDI、K1、K2。

(2)对于SMA-13型混合料以击实次数双面5次、15次、25次、35次、50次、100次制作6组马歇尔试件，每组3个试件，并测定混合料的最大理论密度和试件的毛体积密度，分别计算每组试件密实度的平均值。绘制击实次数-试件密实度的关系曲线，分别计算不同压实度下的CEI、TDI、K1、K2。

(3)CEI、TDI、K1、K2参数的计算[11]：

旋转压实或击实成型试件的旋转压实次数/击实次数-密实度曲线如图1所示。

图1 沥青混合料旋转压实次数-密实度曲线Fig.1 Compaction curve of asphalt mixture

CEI为路面由松散状态压实到设计的一定密实度下，压路机在施工期间所做的功。对于Sup-13，为了消除人工装料带入的误差，选择Nini为8次；对于SMA-13，选择Nini为5次。因此，CEI为Nini到Ndes所围面积积分。CEI越小，表示施工压实过程中所做的功越小，则施工和易性越好。

TDI为路面通车后，由交通荷载导致的混合料密实度变化的指标，由Ndes到Nmax之间所围面积积分得到。对于Sup-13，Nmax为200次；对于SMA-13，Nmax为100次。TDI值越大，说明要使混合料达到极限密度时，需要更多的交通荷载作用，抵抗永久变形的能力强，抗车辙性能好。

压实拟合曲线斜率K1为Nini到Ndes之间对数坐标的斜率，K1越大，表示混合料越容易压实，计算公式如式(1)所示。对于Sup-13，Nini=8次，Ndes=100次；对于SMA-13，Nini=5次，Ndes=75次。

压实拟合曲线斜率K2为Ndes到Nmax之间线性坐标斜率，K2越大，表示混合料抗交通荷载压实能力越差，公式如式(2)所示。对于Sup-13，Nmax=200次；对于SMA-13，Nmax=100次。

(1)

(2)

式中：Nini为初始压实/击实次数；Ndes为设计压实/击实次数；Nmax为最大压实/击实次数；γNini为初始压实/击实次数对应的密实度；γNdes为设计压实/击实次数对应的密实度；γNmax为初始压实/击实次数对应的密实度。

2 结果与讨论

2.1 Sup-13型沥青混合料压实特性

图2为GRS、RS、SBS三种改性沥青的Sup-13型沥青混合料的压实特性曲线。为了评价三种沥青混合料的压实性能随压实度的变化，选取现场可达到的压实度，分别为93%、94%、95%、96%，并进行不同压实度下的CEI、95%压实度对应TDI、K1和K2的计算。图3为三种Sup-13型改性沥青混合料在不同压实温度下对应不同压实度的CEI及TDI-95%。

图2 三种Sup-13型改性沥青混合料在不同压实温度下压实特性曲线Fig.2 Compaction curves of three kinds of Sup-13 modified asphalt at different compaction temperatures

图3 三种Sup-13型改性沥青混合料在不同压实温度下对应不同压实度的CEI及TDI-95%Fig.3 CEI and TDI-95% of Sup-13 modified asphalt mixtures with different compactness at different compaction temperatures

由图3(a)可知，对于SBS改性沥青混合料，随着压实温度的增大，CEI在93%～95%压实度变化不大，在96%压实度时，CEI先增大后趋于稳定，150 ℃的CEI最小。这是由于SBS改性沥青混合料在压实过程中，随着压实温度的提高，沥青混合料的粘度减小，矿料之间的移动阻力减小，沥青的润滑和粘结作用使得混合料变得密实，但温度增大到一定程度，改性沥青粘度降低有限，粘度很小，导致集料不易粘结成型。同时，高温会导致沥青老化与矿料吸附轻质组分减小，不利于压实[12]。因此，Sup-13型SBS改性沥青混合料的最佳成型温度为150 ℃。

由图3(b)、(c)可知，对于GRS和RS改性沥青混合料，压实温度越高，CEI越小，说明GRS在170 ℃比160 ℃更易于压实，但压实后两个温度下混合料稳定性基本一致。石墨烯使得Sup-13型GRS改性沥青混合料更易于压实。这是由于石墨烯在橡胶改性沥青颗粒间形成了润滑层并减小了其表面自由能，使得沥青在流体状态时橡胶颗粒间的摩擦力降低，和易性变好[13-14]。

图3(d)中，三种温度下SBS改性沥青混合料的TDI均大于其他两种混合料，GRS沥青混合料次之，RS沥青混合料最小。说明SBS改性沥青混合料相比其他两种橡胶沥青混合料更适用于连续级配，石墨烯在提高GRS沥青混合料可压实性的同时，提升了其抵抗交通荷载的能力。这是由于石墨烯的添加，使橡胶沥青在流体状态具有较低的表面自由能，且具有更高的弹性恢复能力和高温抗变形能力[15-16]。

图4为三种Sup-13型改性沥青混合料在不同温度下的压实曲线斜率(K1、K2)对比图。由图4可知，SBS改性沥青混合料压实曲线斜率K1随压实温度先增大后减小，其150 ℃的K1分别为GRS和RS的1.09倍和1.12倍。SBS改性沥青混合料的K2在150 ℃时最小，为0.023，其最佳压实温度为150 ℃。

图4 三种Sup-13型改性沥青混合料在不同温度下的压实曲线斜率(K1、K2)对比Fig.4 Comparison of slope of compaction curve of Sup-13 modified asphalt mixtures (K1 and K2) at different temperatures

GRS和RS改性沥青混合料的压实曲线斜率K1均随压实温度的增加而增大，在同一压实温度下，前者的K1均大于后者，且当压实温度为170 ℃时，GRS的K1为RS的1.06倍，说明石墨烯使得橡胶改性沥青更易于压实。GRS和RS改性沥青混合料的K2在150 ℃和160 ℃时分别均为0.027和0.025，在170 ℃时前者较后者低0.002。因此，石墨烯在160 ℃的压实特性能满足混合料稳定性要求，但在170 ℃时更易于压实，且压实后混合料稳定性更稳定，这与图3所得结论一致。

2.2 SMA-13型沥青混合料压实特性

图5为三种SMA-13型改性沥青混合料在不同击实温度下击实特性曲线。通过拟合方式进行SMA-13型沥青混合料的CEI和TDI的计算，试验结果更准确。图6为三种SMA-13型改性沥青混合料在不同压实温度下对应不同压实度的CEI和TDI-95%。

图5 三种SMA-13型改性沥青混合料在不同击实温度下击实特性曲线Fig.5 Compacting curves of the three kinds of SMA-13 modified asphalt at the different compaction temperatures

由图6(a)可知，SBS改性沥青混合料的CEI随击实温度的增大先减小后增大，其最佳击实温度为160 ℃，170 ℃下的可压实性反而降低。击实温度增大到一定程度，改性沥青粘度变小，导致集料不易粘结成型。

由图6(b)、(c)可知，GRS和RS改性沥青混合料的CEI均随击实温度的增加而减小，说明击实温度越高，两种橡胶改性沥青相比SBS改性沥青混合料更易于压实，这是橡胶沥青混合料相比SBS改性沥青混合料减小了矿粉和纤维的原因。对于160 ℃击实温度对应96%击实度下的CEI，GRS和RS改性沥青混合料分别为SBS改性沥青的0.72倍和1.05倍，可见，石墨烯同样增加了SMA-13型橡胶改性沥青混合料的可压实性。

图6 三种SMA-13型改性沥青混合料在不同击实温度下对应不同击实度的CEI和TDI-95%Fig.6 CEI and TDI-95% of SMA-13 modified asphalt mixtures with different compactness at different compaction temperatures

由图6(d)可知，SBS改性沥青混合料在160 ℃成型对应的混合料抵抗交通荷载的能力最优，GRS和RS在170 ℃最优，但在160 ℃时其TDI-95%优于SBS改性沥青。可见，降低矿粉和纤维掺量，并未降低SMA-13型橡胶改性沥青混合料的稳定性，同时，石墨烯同样增加了橡胶改性沥青的抵抗荷载能力。

图7为三种SMA-13型改性沥青混合料在不同温度下的击实曲线斜率K1、K2对比。由图7可知：(1)SBS改性沥青混合料击实曲线斜率K1和K2均在150 ℃、160 ℃击实温度下维持在同一水平，但在170 ℃降低，综合其CEI和TDI，SMA-13型SBS改性沥青混合料的最佳击实温度为160 ℃;(2)RS在170 ℃对应的K1值最大，K2值最小，GRS在160 ℃对应的K1值最大，170 ℃对应的K2值最小。综合CEI和TDI，GRS在160 ℃的压实特性能满足混合料压实稳定性，RS则为170 ℃。

图7 三种SMA-13型改性沥青混合料在不同温度下的击实曲线斜率K1、K2对比Fig.7 Slope of compaction curve K1 and K2 of SMA-13 modified asphalt mixtures at different temperatures

2.3 现场压实度对比

根据室内配合比设计，GRS和SBS两种沥青分别对应Sup-13型和SMA-13型沥青混合料，进行现场试验段铺筑，其中Sup-13型和SMA-13型改性沥青混合料的压实工艺分别如表4、表5所示。

表4 Sup-13型改性沥青混合料压实工艺Table 4 Compaction technology of Sup-13 modified asphalt mixture

表5 SMA-13型改性沥青混合料压实工艺Table 5 Compaction technology of SMA-13 modified asphalt mixture

施工后钻芯，测试毛体积相对密度，并计算理论压实度，两种压实工艺对应两种类型混合料的芯样压实度如图8所示。

图8 两种沥青混合料芯样压实度Fig.8 Core sample compaction of Sup-13 and SMA-13 asphalt mixture

由图8可知：(1)对于Sup-13型和SMA-13型改性沥青混合料，在同一压实工艺下GRS比SBS改性沥青混合料的压实度均值分别提高了1.1%和1.0%，说明石墨烯复合橡胶改性沥青混合料更易于压实；(2)相比同一改性沥青下的Sup-13型和SMA-13型沥青混合料，后者的压实度提高0.5%～0.6%，说明SMA-13型比Sup-13型改性沥青混合料更易于压实，这与室内研究结论一致。

3 结 论

(1)对于Sup-13型和SMA-13型改性沥青混合料，石墨烯的添加，使橡胶沥青在流体状态具有较低的表面自由能，且具有更高的弹性恢复能力和高温抗变形能力，相比于RS，GRS改性沥青混合料的CEI降低，TDI-95%增大，K1增大，K2降低，石墨烯减小了混合料压实功，并提高了混合料抵抗交通荷载的能力。

(2)SBS改性沥青对于Sup-13型沥青混合料，最佳压实温度为150 ℃，对于SMA-13型沥青混合料则为160 ℃。

(3)对于两种改性沥青混合料，GRS和RS改性沥青混合料随着压实温度的增加，更易于压实，最佳压实温度为170 ℃，如果现场条件达不到，160 ℃压实温度下同样可以满足压实度要求。

(4)通过室内数据表明，对于SBS、GRS、RS改性沥青混合料，Sup-13型相比SMA-13型需要消耗更多压实功，更难压实成型。现场试验段验证得出结论一致，说明通过室内压实特征曲线评价混合料的可压实性是可行的。