級配對瀝青混合料水穩定性影響的研究

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（海南省公路管理局，海南 海口 570125）

0 前言

瀝青混合料的水穩定性是影響瀝青路面抗水損能力的最根本的因素，影響瀝青混合料水穩定性的因素除了荷載、水分供給、壓實質量等外在因素外，主要是礦料的性質、瀝青的性質及用量、瀝青與礦料之間的相互作用、瀝青混合料礦料的級配等。本文將通過瀝青混合料(試件) 的水穩定性試驗，研究分析礦料級配的變化對SBS 改性瀝青ACl3 瀝青混合料水穩定性的影響，并在此基礎上提出礦料級配的選擇建議。

1 級配設計

1.1 級配設計思路

對于瀝青混合料級配設計來說，需要解決三個方面的問題：粗集料的合理結構組成；填充細集料的合理組成；粗細集料的合理比例。本文進行研究時，粗集料的結構組成采用堆積密度試驗進行逐級堆積，得到間隙率較小的礦料級配作為優化后的粗集料合理結構組成；通過選取典型級配重點研究填充細集料的合理組成以及粗細集料的合理比例。試驗用瀝青采用SBS 改性瀝青，粗集料采用破碎卵石，細集料采用石灰巖機制砂。將集料分篩為單粒徑進行試驗研究。

1.2 堆積密度試驗方案與結果

將各單粒徑粗集料按不同比例1:1、1:2、1:3、2:1、3:1 等不同比例混合后，按T0309-2005 方法進行堆積密度試驗。通過逐級堆積試驗，得到破碎卵石的堆積特性。一階段堆積試驗結果表明：13.2mm:9.5mm比例為1:2 時自然堆積間隙率和搗實堆積間隙率均為最小值，13.2mm:9.5mm 最佳比例為1:2。二階段堆積試驗結果表明：(13.2mm～9.5mm):4.75mm 最佳比例為1:1，當比例超過1:1 后即4.75mm 顆粒越多時，自然堆積間隙率與搗實堆積間隙率均均明顯呈現增大趨勢。三階段堆積試驗結果表明：(13.2mm～4.75mm):2.36mm 最佳比例為3:1，其自然堆積間隙率和搗實堆積間隙率均為最小；2.36mm 加入后，礦料的間隙率下降比較明顯，約下降了2%，反映出2.36mm 對混合料的填充作用明顯。由堆積密度試驗得到破碎卵石13.2mm～2.36mm 的最佳比例為：13.2mm:9.5mm:4.75mm:2.36mm=1:2:3:2。

表1 試驗級配

1.3 典型級配的選取

本文選取了13 條典型級配進行研究，如表1 所示。1#～5# 級配代表5 種關鍵篩孔通過率即5 種不同粗細比例的礦料級配，其細集料部分粗細適中；6#～13# 級配代表8 種不同細集料形狀的礦料級配，其中6#～7# 和10#～11# 級配細集料上部偏少下部偏多，8#～9# 和12#～13#級配細集料上部偏多下部偏少；6#～9# 比10#～13# 級配偏細。

表2 馬歇爾試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 馬歇爾試驗結果與分析

擬定五種油石比(3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%)，按規范方法成型馬歇爾試件，根據馬歇爾體積特征得到13 種級配的最佳油石比，如表2 所示。

不同級配對混合料的毛體積相對密度、空隙率、飽和度、穩定度和流值均有一定的影響。所選13 種不同級配的最佳油石比介于4.2%～4.9%之間。由級配1#～5# 馬歇爾試驗結果可知：隨著礦料級配關鍵篩孔通過率的降低，瀝青混合料最佳油石比逐漸減小；級配6#、7# 為細集料級配曲線上半部分用量相對較少而下半部分用量相對較多（級配6#、7# 細集料相對偏多），細集料整體偏細，通過馬歇爾試驗達到最佳油石比時所需的瀝青多，最佳油石比偏高；級配8#、9# 兩種級配細集料級配曲線上半部分用量相對較多而下半部分用量相對較少，細集料整體偏粗，達到最佳油石比時所需的瀝青少，但其設計空隙率偏大。10#～13# 級配比6#～9# 級配偏粗，達到最佳油石比時所需的瀝青少。

2.2 凍融劈裂試驗結果與分析

瀝青混合料的水穩定性可根據它在浸水條件下物理力學性能降低的程度來表征。目前國內外應用較多的方法是浸水馬歇爾試驗、浸水劈裂強度試驗、浸水抗壓強度試驗、真空飽水凍融后劈裂強度試驗、浸水車轍試驗等。大量研究表明凍融劈裂強度試驗比浸水馬歇爾試驗更能反映瀝青混合料的水穩定性。

在最佳油石比OAC 條件下，按規范要求進行的凍融劈裂試驗結果如圖1～圖2 所示。

在最佳油石比的條件下，AC-13 凍融劈裂強度比TSR 與2.36mm通過率的回歸關系式為y=0.382x+73.77，其相關系數0.89，相關性良好。2.36mm 通過率對凍融劈裂強度比TSR 的影響比較明顯；2.36mm 通過率在25%以上時，凍融劈裂強度比TSR 較佳，瀝青混合料水穩定性較好；2.36mm 通過率小于25%時，凍融劈裂強度比TSR略低于80%，不滿足規范要求。

圖1 TSR 與2.36mm 通過率的關系

圖2 不同細集料形狀與TSR 的關系

在最佳油石比的條件下，AC-13不同細集料形狀的凍融劈裂強度比TSR 試驗結果表明：細集料形狀對瀝青混合料的凍融劈裂強度比TSR 的影響較大；細集料曲線上半部分用量較多而下半部分用量較少，混合料因沒有足夠多的細料填充礦料間隙從而使混合料空隙較大，瀝青混合料的水穩定性較差；而級配3#、7# 細集料部分粗細搭配較為適宜，對應的瀝青混合料水穩定性能較優。

瀝青混合料的體積參數對凍融劈裂強度比TSR 有著顯著影響。AC-13 各級配在最佳油石比OAC±0.3%條件下各試件的空隙率、瀝青飽和度與凍融劈裂強度比TSR 的關系如圖3～圖4 所示。

圖3 AC-13 凍融劈裂強度比TSR 與空隙率VV 的關系

圖4 AC-13 凍融劈裂強度比TSR 與瀝青飽和度VFA 的關系

由圖3、圖4 可知：凍融劈裂強度比TSR 隨著空隙率的增加而降低，隨著瀝青飽和度VFA 的增加而增加。VV 的減小以及VFA 的增加能夠有效避免水進入到混合料內部，提高了瀝青混合料的水穩定性，這與實際路面使用性能一致。對AC-13 凍融劈裂強度比TSR 與空隙率VV 或飽和度VFA 進行回歸分析，其相關系數r 大于0.80，線性相關性良好。

2.3 凍融劈裂試驗結果的分形分析

級配粗細比例變化時，其相應的凍融劈裂強度比TSR 與級配分維數D 如表3 所示。

表3 級配粗細比例變化凍融劈裂試驗結果

由表可表3 可知，當級配的粗細比例發生變化時，隨著油石比與級配分維數D 的增加，凍融劈裂試驗強度比TSR 呈增加趨勢。這是因為，瀝青用量增多，使得混合料中的空隙率減小，聯通空隙形成的機率也變小，集料表面增厚的瀝青膜增強了混合料抵抗水的侵害作用，水穩定性自然增強。對凍融劈裂抗拉強度比TSR 與集料的級配分維維數D 進行線性回歸如圖5。

圖5 AC-13 級配分維數D 與TSR（%）關系

級配分維數D 增大，集料結構就越復雜，集料空間填充能力就越強，相應的混合料空隙率減小，使得混合料的水密性增強，混合料水穩定性提高。由已知的線性回歸公式可知，要滿足瀝青混合料要滿足瀝青混合料凍融劈裂強度比TSR 大于75%的要求，集料AC-13 的級配分維數D 的取值范圍為：D≥2.465，由圖5 線性關系可知，其相應的關鍵篩孔2.36mm 的通過率應大于24%。

當粗集料用量恒定，粗細比例一致，細集料級配根據n 值變化，且礦粉用量也相應變化時，其相應的凍融劈裂強度比TSR 與級配分維數D 如表4 所示。

表4 級配細集料形狀變化凍融劈裂試驗結果

由表可表6 可知，當粗集料用量恒定，粗細比例一致，細集料變化時，隨著油石比與礦粉含量的增加，凍融劈裂試驗強度比TSR 呈增加趨勢。對凍融劈裂抗拉強度比TSR 與集料的級配分維維數D 進行線性回歸，如圖6。

圖6 AC-13 級配分維數D 與TSR（%）關系

級配分維數D 增大，礦粉含量增多，集料的比表面積增大，隨著瀝青用量的增加，包裹細料的瀝青膜增厚，空隙率明顯減少，水穩定性良好。由已知的線性回歸公式可知，要滿足瀝青混合料要滿足瀝青混合料凍融劈裂強度比TSR 大于75%的要求，集料AC-13 的級配分維數D 的取值范圍為：D≥2.432。

綜合細集料的合理組成以及粗細集料的合理比例兩個方面，為了獲得優良的水穩定性，密集配混合料AC-13 的級配分維數對應凍融劈裂強度比TSR 的分維數D≥2.465。

2.4 工程設計級配范圍

綜合粗集料堆積密度試驗結果、13 種不同級配的AC-13 瀝青混合料水穩定性試驗結果，結合潮濕多雨地區實際情況，提出的適用于潮濕多雨氣候特點地區抗水損害的AC-13 瀝青混合料礦料工程設計級配范圍見表5。推薦的AC-13 工程級配分維數D 取值范圍2.3772～2.5519。

表5 推薦的多雨地區AC-13 瀝青混合料工程設計級配范圍

3 結論

（1）堆積密度試驗表明AC-13 用礦料13.2mm～2.36mm 的最佳比例為：13.2mm:9.5mm:4.75mm:2.36mm=1:2:3:2。

（2）最佳油石比時，AC-13 瀝青混合料凍融劈裂強度比TSR 隨關鍵篩孔通過率的減少而減小；級配對凍融劈裂強度比TSR 有較大影響，5#、9#、13# 級配的瀝青混合料空隙較大，水穩定性較差；2#、6#、10# 級配的瀝青混合料水穩定性能較優；

（3）密集配混合料AC-13 的級配分維數對應凍融劈裂強度比TSR 的分維數D≥2.465。

（4）推薦了適合海南潮濕多雨氣候抗水損害的AC-13 瀝青混合料工程設計級配范圍。

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