基于礦料最緊密狀態的硬質瀝青混合料材料組成設計及工程應用

范寶慶

（河北路橋集團有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

北京長安街的公交車道是城市道路中典型的重載交通路面，2006年、2007年和2008年交通運輸部公路科學研究院的調查數據表明：長安街公交車道日交通量處于125000～160000輛之間，輪胎接地壓強均在0.96～1.0MPa。2009年7月前，長安街舊公交車道停車港灣路段以車轍、坑槽為主要病害形式，南側公交車道車轍最嚴重的路段為復興門～國貿橋，公交車道的平均車轍深度為10mm以上，最大值為33.59mm；北側公交車道車轍最嚴重的路段為新興橋～建國門橋，平均車轍深度約為10mm，最大值為33.85mm。北京市公聯公路聯絡線有限責任公司等在2009年7月對長安街進行了罩面大修，其中在公交車道結構補強方案中采用低標號硬質瀝青混凝土作為實施的方案之一，以提高路面的抗重載變形性能，這在北京還是第一次[1]。

關于低標號硬質瀝青混凝土的應用技術[2]，法國、英國、比利時、保加利亞、波特蘭、斯洛文尼亞和巴西等國先后進行了系統深入的研究，其中以法 國LCPC 實 驗室Jean－Pierre 等 人、英 國TRL 的Nunn、Smith等人研究較為系統深入，先后對高模量瀝青混凝土的材料組成設計、路用性能、施工工藝以及試驗段性能監測等方面內容進行了研究。試驗研究采用的手段與方法主要有兩種[3]：一是法國LCPC 實驗室采用的系列試驗設備及方法，如Duriez －LCPC method，LCPC wheel tracking machine，LCPC MAER machine 和LCPC fatigue test；二是采用NBN EN 的試驗方法及設備，如12697－22車轍試驗方法、NBN EN 12697－23水穩定性試驗方、NBN EN 12697－26模量試驗方法和NBN EN 12697－24疲勞試驗方法等。試驗結果均表明其性能優良，具有較好的承載能力和抗永久變形能力。法國、比利時等地的實體工程結果也表明，低標號硬質瀝青混凝土用作重載交通道路的承重層，具有優秀的抗車轍能力，并可延長公路使用壽命，節約養護維修費用。

但值得指出的是，國外采用富油系數對硬質瀝青混合料進行分類和材料組成設計，混合料最大工程粒徑通常為14mm或10mm，且國外篩孔尺寸與國內標準方孔篩尺寸存在一定差異。因此，不能完全照搬國外的材料組成設計方法，必須考慮我國公路工程實際情況，進行硬質瀝青及其混合料的應用。

本文正是基于此，針對長安街大修基層用ATB—25型礦料級配及原材料，采用礦料最緊密狀態對應的油石比作為最佳油石比，并對其進行了室內路用性能驗證和實體工程實踐，結果表明，該方法可行且效果良好。

1 礦料最緊密狀態法設計原理

對于一種固定礦料和級配的瀝青混合料，在某一標準的壓實功作用下（如馬歇爾擊實75次／面或者旋轉碾壓100次），在油石比不斷變化過程中，混合料應存在且唯一存在一種最緊密狀態，即當混合料的油石比較小時，混合料中的礦料之間存在一種排列狀態；隨著油石比逐漸增加，瀝青在礦料間潤滑作用逐漸增加，導致礦料間的排列狀態越來越緊密，進而出現一個最為緊密的狀態；但隨著瀝青進一步的添加，礦料中自由瀝青偏多，導致礦料間的緊密狀態被逐漸撐開。礦料結構被撐開之前的狀態為混合料的最緊密狀態，此時對應的油石比為混合料最緊密狀態下的最佳油石比[4]。

采用混合料的礦料間隙率或者混合料的干密度等指標可以準確評價在不同油石比下混合料緊密狀態的變化規律，以及最終得到混合料的最緊密狀態，并以此得到混合料相應的最佳油石比。

這兩個參數具體的表達形式依次如下：

式中：VMA——礦料間隙率；

Gm——試件毛體積密度；

Gm,s——試件中全部礦料的毛體積密度；

ω0——試件的油石比。

式中：Gg,m——混合料試件的礦料干密度。

對于某一種固定級配的瀝青混合料，粗集料的毛體積密度Gb,ca、礦料毛體積密度Gm,s都相對固定，因此，在計算VMA和混合料的礦料干密度（簡稱干密度）參數時，可以認為是常數。

采用二次曲線模型回歸分析瀝青混合料的礦料間隙率和干密度隨油石比變化的規律，采用二次曲線函數來擬合各項體積指標與油石比的相關關系，主要是由于：a）二次曲線具有極值唯一的特點，且極值點的物理意義明確；b）反復嘗試證明二次曲線擬合的相關系數普遍較高。根據二次曲線的極值特性，可以得到混合料礦料間隙率的最小值和混合料干密度的最大值。這些最小值和最大值的物理意義就是混合料在這種壓實條件下的最緊密狀態，并以此確定混合料的最佳油石比。從理論上講，這兩個極值對應的混合料油石比應該完全相等，但在試驗過程中，由于試驗誤差，這兩個極值對應的油石比可能存在一定的誤差。為此，采用這兩個油石比的平均值作為混合料在最緊密狀態下的最佳油石比，見式（3）。

式中：ACopt——混合料最緊密狀態下的最佳油石比；

ACG,ACVMA——混合料干密度最大和混合料礦料間隙最小時所對應的油石比。

2 試驗方法及材料

2.1 試驗方法

瀝青混合料配合比設計用試件采用意大利controls旋轉壓實儀成型，旋轉壓應力600kPa，旋轉角度1.25°，轉速30r／min。旋轉壓實最大次數為100次，成型溫度150℃。

高溫穩定性能評價按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ 052—2000）T0719—1993執行，試件尺寸為300mm×300mm×100mm，試驗溫度為60℃。車轍試件采用最佳油石比及其對應的旋轉壓實試件體密度的98%計算材料用量。

水穩定性能采用凍融劈裂強度比來評價，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ 052—2000）T0729—2000執行，試件采用旋轉壓實方法成型，采用高度控制模式，尺寸為直徑150mm、高度95.3mm的圓柱體。

低溫性能采用-10℃小梁彎曲、-10℃中梁彎曲和低溫約束凍斷試驗來評價，其中低溫彎曲試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ 052—2000）T0715—2000執行，加載速率50mm／min，小梁試件尺寸長250mm，寬30mm，高35mm；中梁試件尺寸長380mm，寬51mm，高64mm。低溫約束凍斷試驗按照AASHTO TSRST：TP10—93執行，凍斷試件尺寸為長220mm，寬50mm，高50mm，降溫速率為10℃／h。

疲勞性能按照EN 12697—24方法執行，疲勞試件尺寸為長380mm，寬51mm，高64mm，采用常應力三分點加載模式，荷載加載頻率10Hz，試驗溫度為10℃[6]。

水穩定性、低溫性能和疲勞性能評價采用的試驗設備均為萬能材料試驗機UTM—100。本試驗梁式試件均采用輪碾成型，圓柱體試件均采用旋轉壓實高度控制模式成型，并采用瀝青混合料切割機制成各試驗用試件的尺寸。各試件均采用最佳油石比及其對應的旋轉壓實試件體密度的98%計算材料用量。

2.2 材料[8]

本工程用硬質瀝青為中海油氣開發利用公司采用氧化工藝生產的AH—30硬質瀝青。其質量檢測結果如表1所示.

表1 AH—30硬質瀝青質量檢測結果

從試驗結果明顯可見，30#瀝青的低溫延度明顯偏低，延度不滿足規范要求。從國外有關用于高模量瀝青混凝土的低標號瀝青指標（歐洲標準）可見，多數規范均沒有提出延度的指標要求。

本工程采用河北唐山產石灰巖質粗集料、細集料和礦粉，相關的密度試驗結果見表5和表6。礦料密度檢測方法根據現行《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）執行，礦料按照標準篩篩分成單檔集料進行密度檢測，其中粒徑為2.36mm以上的集料按照網籃法T0304—2005測試毛體積相對密度和表觀相對密度；0.6mm、1.18mm檔細集料按照坍落筒法T0330—2005測試毛體積密度，按照T0328—2005 測試表觀密度，0.3mm、0.15mm、0.075mm及礦粉密度測試采用李氏比重瓶法測定表觀密度。

表2 各檔礦料料密度

2.3 礦料級配

本次試驗采用的礦料級配如表3所示。

表3 礦料級配

3 試驗結果及分析

3.1 基于礦料最緊密狀態法確定油石比

按照上述試驗方法進行旋轉壓實，并分別采用T0705和T0711 進行旋轉壓實試件的毛體積密度測定及其混合料最大理論相對密度的測定，結果如表4、圖1和圖2所示。

表4 旋轉壓實試件體積參數試驗結果

圖1 礦料干密度與油石比關系曲線

圖2 礦料間隙率與油石比關系曲線

由表4、圖1和圖2可知，礦料干密度最大值和礦料間隙率最小值對應的油石比分別為3.48%和3.47%，即礦料最緊密狀態對應的油石比為兩者均值——3.5%，此時，對應的空隙率為3.2%（規范要求為3%～5%），礦料間隙率為11.1%（規范要求大于11%），瀝青飽和度為71.3%（規范要求為55%～70%）。值得注意的是，除瀝青飽和度超出瀝青路面施工技術規范中對于ATB—25的技術要求外，其余技術指標均滿足規范要求。

本次試驗以礦料最緊密狀態對應的油石比（3.5%）為最佳油石比，進行路用性能和模量等參數驗證，最佳油石比對應的旋轉壓實試件毛體積密度為2.5622g／cm3，試件體密度為2.4597g／cm3。

3.2 路用性能驗證試驗結果

按照上述試驗方法，進行硬質瀝青混合料和改性瀝青混合料的高溫車轍試驗、凍融劈裂試驗、小梁低溫彎曲試驗、中梁低溫彎曲試驗、低溫約束凍斷試驗和疲勞試驗，其中，改性瀝青混合料的瀝青采用北京地區常用的SBS改性瀝青Ⅰ—C，粗細集料、礦粉及礦料級配、油石比及成型時的密度均與硬質瀝青混合料相同。試驗結果匯總如表5和表6所示[8]。

表5 路用性能評價試驗結果

表6 瀝青混合料疲勞試驗結果

圖3 常應力控制模式下的疲勞方程

由路用性能驗證結果可知，在其他條件相同條件下，硬質瀝青混合料與改性瀝青混合料相比，高溫性能、水穩性能與改性瀝青混合料基本相當；低溫性能略有降低，降低幅值在2%以內；在各應力水平下的疲勞性能都相對較高。

ATB—25最大公稱粒徑為26.5mm，小梁試件尺寸寬30mm、高35m，采用小梁試件進行低溫彎曲時，受尺寸因素影響較大，小梁彎拉應變數值較小，不滿足設計要求；但當采用中梁試件（寬51mm、高64mm）時，彎拉應變數值得到明顯提高。說明在評價集料公稱粒徑較大的瀝青混合料低溫彎拉應變時，宜適當考慮試件的尺寸效應。

4 工程應用情況

在以上試驗結果基礎上，于2009年6月進行了長安街復興門—建國門段公交車道停車港灣的基層硬質瀝青混合料鋪筑，鋪裝厚度為8～12cm，各檔集料比例為20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm：礦粉=50∶8∶10∶28∶4，油石比為3.5%[8]。

施工參數[9]分述如下：石料加熱溫度190～210℃；硬質瀝青加熱溫度165 ～170℃；出料溫度170 ～185℃；攤鋪溫度不低于160℃；攤鋪速度1～3m／min；松鋪系數1.17。

施工碾壓工藝為：初壓溫度155℃以上，重膠輪2遍，速度3km／h；復壓溫度140℃以上，雙鋼輪振動壓路機，采用“高頻、高振”的模式，5～6遍（前進、后退均開振），速度4～5km／h；終壓溫度不低于90℃，雙鋼輪壓路機，靜碾壓至無輪跡，速度6～8 km／h。

截止2012年10月，經過3個寒暑的考驗，硬質瀝青混合料補強基層處的公交車道停靠港灣處路面無明顯車轍和開裂現象。據2009年交通運輸部公路科學研究院的調查報告[1]統計：長安街公交車日交通量在125000～160000輛之間，輪胎接地壓強在0.96～1.0MPa之間，交通荷載繁重。由此可見，采用礦料最緊密狀態法進行硬質瀝青混合料油石比設計是可行的，有利于提高路面結構的抗重載性能。

5 結論

試驗研究和工程實踐檢驗證明：采用礦料最緊密狀態法確定低標號質瀝青混合料的油石比是可行的，即將瀝青混合料的礦料間隙率最小值和干密度的最大值對應的油石比作為混合料的最佳油石比。

在同等條件下，低標號硬質瀝青混凝土具有與SBS改性瀝青混合料相當的路用性能，在應力控制模式下的疲勞性能較好，抗重載永久變形性能突出；且材料造價相對SBS改性瀝青低廉，在性能與經濟上都有其優勢，值得進一步推廣使用。

[1]交通運輸部公路科學研究院.長安街大修路面工程設計與施工技術研究報告[R].北京：交通運輸部公路科學研究院，2009.

[2]梁春雨.30#硬質瀝青用于瀝青路面中下面層的試驗研究[D].長春：吉林大學，2007.

[3]周克力，路凱冀.國外硬質瀝青及高模量瀝青混凝土研究現狀[J].公路交通科技，2005，22（5）：83－87.

[4]王旭東.一種新型瀝青混合料體積設計方法的探討[J].上海公路，2011，（2）：1－4.

[5]JTJ 052—2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[6]JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[7]JTG E42—2005，公路工程集料試驗規程[S].

[8]交通運輸部公路科學研究院.北京市長安街大修工程瀝青混合料配合比設計報告[R].北京：交通運輸部公路科學研究院，2009.

[9]交通運輸部公路科學研究院.長安街大修改造工程補強層ATB—25施工細則[R].北京：交通運輸部公路科學研究院，2009.