4種級配組成瀝青混合料的路用性能評價

何躍武

0 引言

中、下面層是瀝青路面面層的重要結構層次,其使用性能好壞直接影響瀝青路面的使用質量和使用壽命。目前在瀝青路面中、下面層中,常用瀝青混合料級配類型為AC-20Ⅰ和AC-25Ⅰ,近年來也開始使用Super19和 Super25,后者為美國 SHRP研究成果。選擇這4種級配類型的瀝青混合料進行分析。采用瀝青路面分析儀、輪轍試驗儀和凍融試驗評價這些瀝青混合料的抗車轍能力和抗水損害能力等路用性能,并對瀝青混合料的施工特性進行分析。

1 級配組成特征的分析

4種類型瀝青混合料的級配范圍見表1,級配中值曲線見圖1。

由圖1可見,最大公稱尺寸相同的Super19與AC-20Ⅰ型混合料級配中值在篩孔尺寸9.5 mm以上的級配曲線基本重合,主要差別在0.075 mm～4.75 mm的細集料組成。Super19細集料的遞減率較大,級配指數 n=0.575,且位于Superpave禁區的下方,AC-20Ⅰ細集料的遞減率較小,級配指數 n=0.489,級配曲線位于Superpave的禁區之中。Super19中2.36 mm篩的通過量P2.36=23%～35%,AC-20Ⅰ中 2.36 mm篩的通過量 P2.36=28%～46%,根據Superpave的劃分標準,當P2.36＜35%時屬于粗級配[1],因此Super19為粗級配,而AC-20Ⅰ屬于細級配。

表1 中、下面層用瀝青混合料設計級配范圍

表2 瀝青混合料試件的馬歇爾穩定度和流值

Super25屬于粗級配,級配指數 n=0.577,級配曲線位于Superpave禁區的下方。AC-25Ⅰ混合料中細集料級配曲線位于Superpave禁區之上,屬于細級配,級配指數 n=0.500。

此外,AC-25Ⅰ的細集料與AC-20Ⅰ型的細集料級配組成相當,Super25與Super19的細集料級配組成相當。

2 瀝青混合料高溫穩定性

2.1 馬歇爾穩定度與流值

由表2可見,當混合料的最大公稱尺寸相同時,AC型瀝青混合料穩定度和流值大于Super型瀝青混合料試件的穩定度和流值。最大公稱尺寸增加,瀝青混合料試件的穩定度下降、流值增大。

2.2 APA試驗——車轍深度

1)作用軸載為445 N,作用 8 000次時,不同級配組成混合料試件的車轍深度測試值見圖2。在4種瀝青混合料中,AC-25Ⅰ型混合料的車轍深度最大,其車轍深度平均值約為Super型混合料車轍深度平均值的1.5倍,為AC-20Ⅰ型混合料的1.34倍左右,AC-20Ⅰ型混合料的車轍深度約為Super型混合料車轍深度的1.1倍。在粗級配混合料中,2.36 mm以上的粗集料含量較高,在混合料中形成骨架結構,對于車輛作用有著較好的抵抗能力,所以兩種粗級配的Super型瀝青混合料的抗車轍能力較強。

2)為模擬重交通條件,將試驗軸載提高至700 N,作用次數增加至20 000次,對Super型混合料進行車轍試驗,測試結果見圖3。在荷載作用前期(N=8 000次),Super混合料的車轍深度增加60%左右,與軸載增加 56%相當,此時 Super19車轍深度較Super25混合料高約3%。當荷載作用20 000次時,Super19試件的車轍深度增加23%左右,而Super25試件的車轍深度增加約30%。這在某種程度上表明,在重荷載、大交通條件下,Super19型混合料的抗車轍能力略優于Super25型混合料,最大公稱尺寸與混合料的抗車轍能力無顯著關系。

2.3 輪轍試驗——動穩定度DS

圖4為4種瀝青混合料的動穩定度測試結果。4種瀝青混合料的動穩定度均遠遠超過現行規范800次/mm的要求,動穩定度最小的AC-20Ⅰ型混合料也在1 300次/mm以上。AC-20Ⅰ型混合料的動穩定度水平僅為Super型混合料動穩定度的60%(Super19)和 70%(Super25)。Super19混合料的動穩定度較Super 25型混合料的動穩定度高約18%,所反映出的信息與APA車轍試驗條件為700 N,20 000次時的結果一致。

3 瀝青混合料的水穩定性評價

3.1 試驗結果

1)浸水車轍試驗——浸水車轍比 RR。圖5為4種瀝青混合料車轍深度比RR的測試結果,4種混合料在經凍融處理后,浸水車轍深度比 RR均小于1.4,其中細級配的AC型混合料車轍深度比較小,尤其是AC-25Ⅰ型混合料表現出較高的水穩定性。

2)凍融劈裂強度。4組瀝青混合料的凍融劈裂強度比見表3。由表3可見,4種混合料劈裂強度比 TSR均大于75%,各混合料水穩定性的排序與車轍深度比RR排序基本相同。AC型混合料的水穩定性略優于Super型混合料。

表3 瀝青混合料劈裂強度比TSR

在細級配混合料中,小于2.36 mm的細料含量達35%以上,在混合料中形成的結構細致、空隙通道狹窄,水分流動阻力較大,致使瀝青混合料的水敏感性降低。

3.2 影響因素分析

1)空隙率的影響。由表3可見,當Super型混合料的空隙率增加時,其凍融劈裂強度比 TSR明顯降低,尤其以Super25型混合料更為明顯,空隙率增加0.5%,TSR降低近9%。根據試驗結果,若以TSR≥75%為準,Super19型混合料的空隙率上限約為7.7%,Super25型混合料的空隙率上限約為7.3%。

2)粉膠比的影響。圖6為瀝青混合料在不同粉膠比時的車轍深度比RR和凍融劈裂強度比TSR。

對于不同的瀝青混合料,當粉膠比增加時,RR隨之增加,見圖6a);對于同一級配的Super19型混合料,TSR隨粉膠比的增加而降低,見圖6b),均表現為混合料的水穩定性隨著粉膠比的增加而降低。當瀝青用量一定時,隨著粉膠比的增加,瀝青膜厚度減薄,在凍融作用過程中,水容易穿透瀝青膜,進入瀝青與集料的界面,瀝青從集料表面剝落,導致瀝青混合料粘聚性下降,抗變形能力和劈裂強度降低,故車轍深度比增加而凍融劈裂強度比 TSR隨之降低。

圖6中試件的空隙率水平為7.7左右,在這種空隙率水平下,若以凍融劈裂強度比 TSR＞75%控制,Super19瀝青混合料的粉膠比應不大于1.4,若以凍融劈裂強度比 TSR＞80%控制,粉膠比應不大于1.3%。

4 瀝青混合料的施工性質

4.1 壓密性與壓實功

圖7中曲線為4種瀝青混合料試件空隙率與壓實次數的關系,成型應力為0.6 MPa。4種瀝青混合料中的瀝青用量均為4%。一般認為,當壓實功一定時,瀝青混合料試件的密度越大,空隙率越小,該瀝青混合料越容易壓實,反之亦然。由圖7可見,在相同的壓實次數下,Super25試件的壓實空隙率最大,AC-25Ⅰ型試件的壓實空隙率最小,顯然,細級配混合料容易壓密。

表4中第3列中數據為成型APA試件時的旋轉壓實次數,當空隙率水平基本相同時,Super型瀝青混合料所需要的壓實次數約為AC型混合料的2倍～3倍,由此可見,在進行Super混合料施工時,為了保證一定的空隙率,所需要的壓實功將增加2倍～3倍左右。

4.2 壓實度

壓實度是我國瀝青路面施工質量控制的主要指標之一[2]。由表4可見,由于Super25混合料的馬歇爾試件空隙率較高,當以馬歇爾試件密度為準時,其APA試件在壓實空隙率較大的情況下獲得近100%壓實度,說明對于這類混合料僅采用壓實度指標是不夠的,必須同時納入空隙率指標,以避免面層結構空隙率過大,降低使用耐久性。

4.3 變異性

變異性用同一組試件空隙率的變異系數反映,見表4。AC型瀝青混合料試件的空隙率變異性小于Super型瀝青混合料,級配類型相同時,最大公稱尺寸小的瀝青混合料試件空隙率變異性較小。

表4 瀝青混合料試件壓實度

5 結語

1)粗級配的Super型混合料的抗車轍能力優于細級配的AC型混合料,在重交通條件下,最大公稱尺寸較小的Super19型混合料的抗車轍能力較優。AC型混合料的水穩定性和施工均勻性均略優于Super型混合料。為達到所要求的壓實空隙率,Super型混合料所需壓實功通常為AC型混合料的2倍～3倍。2)集料的最大公稱尺寸與瀝青混合料的抗車轍能力和水穩定性之間沒有顯著的相關性,混合料的離析程度隨最大公稱尺寸增大而增加。3)當空隙率增加時,Super型混合料的凍融劈裂強度比 TSR顯著降低,以Super25型混合料更為明顯,若以 TSR≥75%為準,Super19型混合料的空隙率上限約為7.7%,Super25型混合料的空隙率上限約為7.3%。4)粉膠比增加將降低瀝青混合料的水穩定性,對于Super19型混合料,若以 TSR≥75%為準,粉膠比不大于1.4,若以凍融劈裂強度比TSR＞80%控制,粉膠比應不大于1.3%。

[1] Superpave,Westrack Forensic Consensus Report,FHWA-RD-01-052,2001.

[2] GB 50092-96,瀝青路面施工及驗收規范[S].

[3] JTJ 052-2000,公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程[S].

[4] 姚立陽,王曉鋒.瀝青路面水穩定性機理及其防治措施[J].山西建筑,2009,35(13):263-265.