马歇尔试验

第一节　马歇尔试验

马歇尔试验是将沥青混合料制成直径为101.6mm、高为63.5mm的圆柱形试件在高温下（60℃）采用规定的马歇尔稳定度试验仪，测定在以规定的加速速率条件下试件破坏前所能承受的最大荷载称为马歇尔稳定度，以kN为单位；其对应的变形称为流值，以0.1mm为单位。马歇尔稳定度越大、流值越小，说明高温稳定性越高^[18]。

马歇尔试验最早由B.马歇尔(B.Marshall)提出，1948年美国陆军工程兵部队对马歇尔试验方法加以改进并添加了一些测试性能，最终发展成为沥青混合料设计的试验方法。从1948年以来，马歇尔试验法被许多国家的机构或政府部门几乎直接采用，有时仅仅把试验步骤或条件作一些修改。从马歇尔试验的主要装置—马歇尔加载压头可以看出，加载装置的压头弯曲面箍住了试件的大部分侧面，圆柱体的上部和底部平面不受力，所以试验过程中试件内部的应力分布状态变得极为复杂。

橡胶沥青混合料不同于一般的重交沥青混合料，也有别于一般的改性沥青（SBS等）混合料。橡胶沥青具有高粘度的特点；未完全溶融的橡胶颗粒在沥青及沥青混合料中作用比较复杂，在施工时及碾压成型后依然会生长溶胀；橡胶沥青混凝土相比SBS改性沥青混凝土等模量低，回弹变形大。

橡胶胶粉在沥青混合料中溶胀后，如果没有足够的空隙来容纳，将对矿料级配产生干涉作用，影响混合料的性能，且橡胶沥青的粘稠性和橡胶颗粒的弹性特性使得沥青混合料难于碾压密实成型。即使压实勉强完成，在车辆荷载反复作用下，应力区域的沥青混合料带来局部过大的循环变形会导致混合料过早的疲劳性解体。早期橡胶沥青路面应用失败大体可归因于此。

为解决胶粉掺入沥青混合料后带来的上述这些技术难题，必须根据橡胶沥青的特性并结合我国目前的施工技术水平进行橡胶沥青混合料组成设计。按照我国现行《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004规定的设计方法及控制指标进行橡胶沥青混合料组成设计，显然已经不合适。

采用AC-16Ⅰ型级配拌制了三组橡胶粉剂量为15%、油石比为5.6%的沥青混合料，并和同一沥青用量的基质沥青混合料进行了对比，其马歇尔试验结果见表6-1。

表6-1　橡胶沥青混合料马歇尔试验结果

从上表的数据可以看出，使用橡胶粉改性剂的沥青混合料的马歇尔稳定度和流值比基质沥青混凝土有了较大程度的提高与改善。究其原因，是基质沥青加入橡胶粉后，沥青性能得到较大程度的改善，这也就在一定程度上为改善橡胶粉沥青混合料的性能奠定了基础。沥青混合料的强度主要取决于沥青与矿料相互作用而产生的黏结力，以及矿料在沥青混合料中相互嵌挤而产生的内摩擦角。而沥青混合料的黏结力取决于许多因素，其中最主要的是沥青粘滞度，沥青含量与矿粉含量的比值，以及沥青与矿料相互作用的特性。加入橡胶粉后，沥青的粘滞度增高，而粘滞度越高，混合料的黏结力就越大，因为高粘滞度的沥青能使沥青混合料的粘滞阻力增大，因而具有较高的抗剪强度。在沥青与矿料的相界面上，由于分子的吸附作用，越靠近矿料表面，沥青的粘滞度越高。因此，矿料的比面积和矿料周围沥青膜的厚度对沥青混合料的黏结力有很大的影响。加入胶粉后，矿料的比面积增大，矿料颗粒的沥青膜变薄，因此增大了混合料的黏结力。同时，加入胶粉后，沥青的表面活性增强，矿料对沥青的亲和性变好，吸附作用强烈，黏结力变大^[8]。

当采用干法生产橡胶沥青混凝土时，对于粗级配SAC25、SAC20和细级配AR-AC10（表6-2），其强度试验结果与表6-1的规律不同。

表6-2　试验级配列表

表6-3　强度试验结果

从表6-3可以看出，对于不加橡胶粉的骨架密实型的SAC25和SAC20，稳定度通常在10kN以上，规范值7.5kN完全起不到约束作用。而橡胶粉加入后，由于材料柔性增加，各类强度均有明显下降，加入橡胶粉比不加入橡胶粉，混合料的马歇尔稳定度和劈裂强度都降低了很多，SAC20、SAC25等粗级配的马歇尔稳定度和劈裂强度比细级配要大得多，流值体现的规律性正好与强度相反，比AR-AC10+40目橡胶粉，稳定度只有6.6kN，按混合料设计规范被判定为不合格，但实际上它的抗永久形变能力达到了改性沥青的技术指标。用马歇尔稳定度和劈裂强度来设计橡胶粉改性沥青混合料是不合理的。要继续使用这些指标，也必须根据材料的不同将控制值进行相应的调整。另外，值得指出的是，不同目数的橡胶粉对强度的影响很小^[23]。