基于抗車轍性能的AC—25瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

程誠(chéng)

【摘要】以密實(shí)度最大為原則，采用逐級(jí)填充方法，研究了粗集料級(jí)配和細(xì)集料級(jí)配；采用理論計(jì)算法確定了粗細(xì)集料比例和最佳油石比。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)車轍試驗(yàn)對(duì)上述級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，提出了具有高抗車轍性能的AC-25瀝青混合料。路用性能分析表明：該級(jí)配的高穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于規(guī)范級(jí)配，低溫抗裂性與規(guī)范級(jí)配相差不大，表明提出的抗車轍型AC-25瀝青混合料具有優(yōu)秀的路用性能。

【關(guān)鍵詞】道路工程；AC-25瀝青混合料；級(jí)配設(shè)計(jì)；抗車轍；路用性能

引 言

自八十年代中期以來(lái)，我國(guó)公路交通事業(yè)迅速發(fā)展，為推動(dòng)現(xiàn)代化建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)，瀝青路面因其良好的行車舒適性和優(yōu)異的使用性能得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著公路交通量的增加、車輛軸載的增大和渠化交通的形成，瀝青路面的病害問(wèn)題也越發(fā)突出，車轍更是其中問(wèn)題最尖銳、危害最嚴(yán)重的一種。研究表明，瀝青面層內(nèi)部最大剪應(yīng)力分布于路面深度4～10cm范圍內(nèi)，而該區(qū)域一般為瀝青路面結(jié)構(gòu)的中面層位置，因此可以確定瀝青路面的中面層為主抗車轍區(qū)。目前，我國(guó)高等級(jí)公路瀝青面層基本上是按全功能要求設(shè)計(jì)的，結(jié)果必然顧此失彼，很難與各瀝青層力學(xué)和功能要求相適應(yīng)，從而造成瀝青路面早期損壞。為了最大程度的緩解路面多功能要求所引起的矛盾，且充分發(fā)揮材料潛力，降低成本，有必要針對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層的層位功能的要求對(duì)瀝青面層材料組成設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

基于此，本文首先采用逐級(jí)填充的方法，以密實(shí)度最大為原則確定了粗集料級(jí)配和細(xì)集料級(jí)配，其次采用理論計(jì)算法確定了粗細(xì)集料比例和最佳油石比，最后通過(guò)室內(nèi)車轍試驗(yàn)對(duì)上述級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提出了具有高抗車轍性能的中面層AC-25瀝青混合料級(jí)配并對(duì)其路用性能進(jìn)行了分析。

1、原材料

瀝青：新加坡90號(hào)SBS改性瀝青，密度為0.985 g/cm3，經(jīng)檢驗(yàn)其它各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求；

碎石：石灰?guī)r，平均視密度為2.690 g/cm3，壓碎值為12.6；

礦粉：為石灰石研磨而成，塑性指數(shù)為2.2，經(jīng)檢驗(yàn)其它各項(xiàng)均符合規(guī)范要求。

2、級(jí)配擬定與優(yōu)化

2.1 粗集料級(jí)配的確定

（1）I級(jí)填充試驗(yàn)

取20kgD0（26.5～31.5mm集料），令D1（19～26.5mm集料）與D0按不同比例混合進(jìn)行I級(jí)搗實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 I級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，當(dāng)D0：D1=1：2時(shí)，混合粗集料的搗實(shí)密度最大。

（2）II級(jí)填充試驗(yàn)

在I級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，取6kgD0和12kg D1，令D2（16～19mm集料）與（D0+D1）按不同比例混合進(jìn)行II級(jí)搗實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 II級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，當(dāng)（D0+D1）：D2=1：2時(shí)，混合粗集料的搗實(shí)密度最大。

（3）III級(jí)填充試驗(yàn)

在I、II級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，取3kgD0、6kg D1和18kgD2，令D3（13.2～16mm集料）與（D0+D1+D2）按不同比例混合進(jìn)行III級(jí)搗實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 III級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)（D0+D1+D2）：D3=3：1時(shí)，混合粗集料的搗實(shí)密度最大。

（4）IV級(jí)填充試驗(yàn)

在I、II、III級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，取2kgD0、4kg D1、12kgD2和6kg D3，令D4（9.5～13.2mm集料）與（D0+D1+D2+D3）按不同比例混合進(jìn)行IV級(jí)搗實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 IV級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，當(dāng)（D0+D1+D2+D3）：D4=4：1時(shí)，混合粗集料的搗實(shí)密度最大。

（5）V級(jí)填充試驗(yàn)

在I、II、III、IV級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，取2kgD0、4kg D1、12kgD2、6kg D3和6kg D4，令D5（4.75～9.5mm集料）與（D0+D1+D2+D3+D4）按不同比例混合進(jìn)行V級(jí)搗實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 V級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，當(dāng)（D0+D1+D2+D3+D4）：D5=5：1時(shí)，混合粗集料的搗實(shí)密度最大。

綜上，以混合粗集料搗實(shí)密度最大為原則，確定粗集料的級(jí)配比例確定為1：2：6：3：3：3。

2.2 細(xì)集料級(jí)配的確定

細(xì)集料級(jí)配采用N法確定。本文參照國(guó)外規(guī)定與國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，選用N=0.4～0.6時(shí)對(duì)應(yīng)的細(xì)集料級(jí)配，按上述粗集料級(jí)配組成混合料進(jìn)行試驗(yàn)，并以搗實(shí)密度最大為原則獲取最佳N值，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 細(xì)集料填充試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可看出，當(dāng)N=0.5時(shí)，混合料搗實(shí)密度最大。故本文以N=0.5確定細(xì)集料級(jí)配，如表1所示。

表1 細(xì)集料級(jí)配

篩孔（mm） 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

通過(guò)率（%） 29.5 20.7 14.3 10.4 7.3 17.8

2.3 粗細(xì)集料比例與油石比的確定

理論計(jì)算法是根據(jù)粗集料骨架空隙率以及瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率，確定粗細(xì)集料比例和瀝青用量，使細(xì)集料體積、瀝青膠漿體積和瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率的總和等于主骨架空隙的體積，如式（1）、式（2）和式（3）所示。粗細(xì)集料合成計(jì)算結(jié)果見表2。

（1）

（2）

（3）

式中：VD為粗集料的間隙率（%）：Mc、Mf、Mp、Ma分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉質(zhì)量百分?jǐn)?shù)及油石比（%）；ρlf、ρlp為細(xì)集料、礦粉的表觀密度（g/cm3）；ρlc為粗集料的松裝密度（g/cm3）；ρca為粗集料的合成毛體積密度（g/cm3）；ρa(bǔ)為瀝青的密度（g/cm3）；VVS為瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率（%）。

表2 粗細(xì)集料合成計(jì)算結(jié)果

序號(hào) 項(xiàng)目及計(jì)算公式 單位 數(shù)值

（1） 粗集料實(shí)測(cè)密度 g/cm3 1.584

（2） 細(xì)集料實(shí)測(cè)密度 g/cm3 1.625

（3） 合成粗集料毛體積密度 g/cm3 2.724

（4） 選擇密度下粗集料間隙率=（1-（1）/（3））*100 % 41.8

（5） 1立方米單位體積粗集料質(zhì)量 g 2.316

（6） 粗細(xì)集料合成有效密度 g/cm3 2.748

（7） 粗細(xì)集料所留空隙率=（1-（5）/（6））*100 % 15.7

（8） 預(yù)留空隙率 % 2.5

（9） 預(yù)期粉膠比 -- 1.5

（10） 瀝青密度 g/cm3 1.038

（11） 礦粉密度 g/cm3 2.657

（12） 膠漿體積 % 14.2

（13） 瀝青質(zhì)量 g 0.085

（14） 礦粉質(zhì)量 g 0.127

（15） 油石比 % 3.8

（16） 合成毛體積密度 g/cm3 2.678

（17） 預(yù)測(cè)VMA % 11.5

（18） 4.75mm通過(guò)量 % 35

（19） 0.075mm通過(guò)量 % 5

2.4 基于高溫性能的瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化

相關(guān)研究表明[7～8]，4.75mm集料含量直接影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，因此，上下5%的變換4.75mm的通過(guò)量確定四組AC-25級(jí)配，如表3所示。

表3 合成級(jí)配

級(jí)配 集料通過(guò)下列篩孔（（mm））的質(zhì)量百分比（%）

31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

1 100 92 76 63 54 42 30 23 18 14 12 10 5

2 100 93 78 66 57 46 35 27 20 16 13 11 5

3 100 93 79 69 61 51 40 30 23 18 14 12 5

4 100 94 81 71 64 55 45 34 25 20 15 13 5

按四組設(shè)計(jì)級(jí)配制備瀝青混合料進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，并以動(dòng)穩(wěn)定度最高為原則確定最優(yōu)級(jí)配。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

級(jí)配

類型 變形（45min）

（mm） 變形（60min）

（mm） 動(dòng)穩(wěn)定度

（次/mm）

級(jí)配1 3.15 3.79 984

級(jí)配2 1.47 1.62 4200

級(jí)配3 2.39 2.56 3705

級(jí)配4 2.52 2.82 2100

3、路用性能

根據(jù)表4結(jié)果，選取級(jí)配2和規(guī)范級(jí)配中AC-25上、中、下限，在最佳油石比下進(jìn)行路用性能分析。

（1）高溫車轍試驗(yàn)

不同類型瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

級(jí)配

類型 變形（45min）

（mm） 變形（60min）

（mm） 動(dòng)穩(wěn)定度

（次/mm）

級(jí)配2 1.47 1.62 4200

AC-25中值 4.35 4.70 1896

AC-25上限 4.78 5.40 1057

AC-25下限 5.28 5.82 1216

由表5可知，級(jí)配2的高溫穩(wěn)定性明顯高于規(guī)范級(jí)配。這是由于高溫穩(wěn)定性與粗集料含量具有直接聯(lián)系，級(jí)配2因其強(qiáng)大的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，獲得了較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，故具備了較好的高溫穩(wěn)定性。

（2）水穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 浸水殘留穩(wěn)定度

級(jí)配 級(jí)配2 AC-25中值 AC-25上限 AC-25下限

殘留穩(wěn)定度/% 92.6 91.3 89.1 82.9

凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比 92.4 90.3 87.5 79.2

由表6可知，級(jí)配2的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比都高于其他級(jí)配，說(shuō)明設(shè)計(jì)級(jí)配具有很好的水穩(wěn)定性。這是由于級(jí)配2的細(xì)集料充分填充粗集料形成的骨架空隙，從而材料具有更好的抗水破壞能力。

（3）低溫抗裂試驗(yàn)

通過(guò)-10℃條件下的瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同類型瀝青混合料的低溫特性，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

級(jí)配 級(jí)配2 AC-25上限 AC-25中值 AC-25下限

最大彎拉強(qiáng)度（MPa） 9.9 9.9 10.1 9.8

最大彎拉應(yīng)變（104） 3198 3168 3132 3206

由表7可知，級(jí)配2的低溫抗裂性能與規(guī)范級(jí)配相差不大，可滿足冬寒區(qū)對(duì)瀝青混合料低溫性能的要求。

綜上，本文提出的AC-25的高穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于規(guī)范級(jí)配，雖然低溫穩(wěn)定性略低于規(guī)范級(jí)配，但基本上仍可滿足冬寒區(qū)對(duì)瀝青混合料低溫性能的要求，表明提出的抗車轍型瀝青混合料具有優(yōu)秀的路用性能。

結(jié) 論

（1）以密實(shí)度最大為原則，采用逐級(jí)填充法確定了瀝青混合料的粗集料級(jí)配和細(xì)集料級(jí)配；采用理論計(jì)算法確定了粗細(xì)集料比例和最佳油石比；通過(guò)室內(nèi)車轍試驗(yàn)對(duì)上述級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，提出了具有高抗車轍性能的AC-25瀝青混合料。

（2）路用性能分析表明，本文提出的抗車轍型AC-25瀝青混合料的高穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于規(guī)范級(jí)配，低溫抗裂性與規(guī)范級(jí)配相差不大，表明該級(jí)配具有優(yōu)秀的路用性能。

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