空隙率對(duì)礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的影響*

鐘昆志 羅 蓉 樊向陽 方 正 馮光樂

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2) 武漢 430014)

空隙率對(duì)礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的影響*

鐘昆志1)羅 蓉1)樊向陽1)方 正1)馮光樂2)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (湖北省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2)武漢 430014)

為研究空隙率對(duì)礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的影響，通過馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定混合料級(jí)配及最佳瀝青用量，改變每次裝填混合料質(zhì)量，利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型不同空隙率的漢堡車轍試件.根據(jù)礫石瀝青混合料50 ℃和60 ℃水浴條件下漢堡車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同空隙率下混合料的浸水抗車轍性能，并以此尋找空隙率與礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn).結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為50 ℃水浴時(shí)，空隙率與礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn)為3.72%；當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為60 ℃水浴時(shí)，空隙率與礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn)為4.92%.

空隙率；礫石瀝青混合料；漢堡車轍；浸水抗車轍性能

0 引 言

瀝青路面早期破壞的主要形式包括車轍和水損害等[1-3].我國(guó)現(xiàn)有的高速公路即使在建設(shè)過程中瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度等指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到規(guī)范要求，仍然有不少路段出現(xiàn)車轍、水損害等早期破壞[4-5].由于路面實(shí)際服役情況受水和行車荷載等因素的綜合影響，因此除檢驗(yàn)混合料的常規(guī)性能指標(biāo)外，也應(yīng)考慮其浸水抗車轍性能.同時(shí)，空隙率是影響瀝青混合料性能的主要因素之一[6-7]，瀝青混合料空隙率與其抗車轍性能存在一個(gè)最佳結(jié)合點(diǎn)，當(dāng)空隙率為最佳結(jié)合點(diǎn)時(shí)，混合料抗車轍性能最好[8].從而應(yīng)更進(jìn)一步研究浸水條件下空隙率與瀝青混合料的浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn).

近年來，在我國(guó)某些盛產(chǎn)礫石的地區(qū)，由于傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)瀝青路面石料的匱乏及運(yùn)輸成本等問題，越來越多地將礫石用作瀝青路面面層材料，這樣既能合理利用資源，也能降低工程造價(jià)[9].然而，礫石二氧化硅含量高，與瀝青粘附性差，在外界水的作用容易與瀝青膜剝離，導(dǎo)致路面出現(xiàn)松散、坑槽等水損害現(xiàn)象，并進(jìn)一步誘發(fā)車轍等一系列病害.因此，研究礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能具有重要意義.

相比于國(guó)內(nèi)車轍試驗(yàn)儀，漢堡車轍試驗(yàn)儀在數(shù)據(jù)采集、溫度調(diào)節(jié)控制，以及補(bǔ)水保水方面都要先進(jìn)許多，且漢堡車轍試驗(yàn)的各評(píng)價(jià)指標(biāo)是由整個(gè)試驗(yàn)過程的變形曲線得到，比國(guó)內(nèi)車轍試驗(yàn)由2點(diǎn)得到動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)受試驗(yàn)精度的影響要小[10].而且與國(guó)內(nèi)車轍試驗(yàn)試件的輪碾成型方式相比，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的搓揉成型方式更接近路面實(shí)際壓實(shí)狀態(tài).因此文中通過漢堡車轍試驗(yàn)，分別在50 ℃和60 ℃水浴條件下對(duì)礫石瀝青混合料空隙率與其浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn)進(jìn)行研究，為礫石在瀝青路面建設(shè)中的應(yīng)用和推廣提供依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)瀝青選用普通70#基質(zhì)瀝青，石料1#～4#料選用湖北洪湖生產(chǎn)的礫石，5#料選用湖北洪湖生產(chǎn)的石灰?guī)r，填料選用廣西藤縣礦粉和普通硅酸鹽水泥.瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參照文獻(xiàn)[14]測(cè)定，集料、礦粉和水泥的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參照文獻(xiàn)[15]測(cè)定，測(cè)量結(jié)果均滿足文獻(xiàn)[16]的要求，具體分別見表1～2.針對(duì)該地區(qū)夏季溫度高、高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、重載交通多的特點(diǎn)，試驗(yàn)級(jí)配以AC-25C為例.

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 集料及填料技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試件制備

制備試件時(shí)，集料級(jí)配和最佳油石比的確定參照馬歇爾設(shè)計(jì)方法，瀝青混合料試件成型采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀以控制試件的成型高度.在試驗(yàn)過程中，為了排除集料級(jí)配和瀝青用量對(duì)混合料抗車轍性能的影響，所成型的試件均保持級(jí)配和油石比不變，最終確定的集料級(jí)配見圖1.由圖1可見，級(jí)配曲線位于規(guī)范規(guī)定的上下限之間，呈現(xiàn)顯著的“S”形.在該級(jí)配基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定最佳油石比為4%，然后通過改變單次成型試件所需混合料質(zhì)量來改變混合料毛體積相對(duì)密度，最終改變成型試件的空隙率.利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型出高140 mm、直徑150 mm的瀝青混合料試件.

圖1 瀝青混合料合成級(jí)配

待試件冷卻后，利用自動(dòng)切割鋸將成型后單個(gè)高度140 mm試件切割出2個(gè)高度(63±1) mm的試件.然后參照文獻(xiàn)[11]中的表干法測(cè)量試件空隙率，取空隙率相近的2個(gè)試件作為一組，以空隙率平均值作為該組的空隙率，進(jìn)行50 ℃漢堡車轍試驗(yàn)試件實(shí)測(cè)體積指標(biāo)見表3，進(jìn)行60 ℃漢堡車轍試驗(yàn)試件實(shí)測(cè)體積指標(biāo)見表4.

1.2.2 馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì)采用摻加“1.5%礦粉+1.5%水泥”的設(shè)計(jì)方案，合成級(jí)配見圖1，在該級(jí)配基礎(chǔ)上確定的最佳油石比為4%.馬歇爾試件相關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)參照文獻(xiàn)[12-13]，具體見表5.

表3 50 ℃試件體積指標(biāo)

表4 60 ℃試件體積指標(biāo)

表5 馬歇爾試件技術(shù)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.2.3 漢堡車轍試驗(yàn)

漢堡車轍試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[14]，其具體試驗(yàn)指標(biāo)為：(1)試驗(yàn)環(huán)境，50 ℃恒溫水浴和60 ℃恒溫水浴；(2)加載方式，鋼輪輪寬47 mm，荷重705 N，輪壓約0.7 MPa；(3)加載速度，50次/min；(4)試驗(yàn)終止條件，碾壓次數(shù)達(dá)到20 000次或車轍深度達(dá)到12.5 mm.

對(duì)各組試依次進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)，鋼輪碾壓有瀝青包裹的一面，單次試驗(yàn)需大約7 h.試驗(yàn)結(jié)束后，以蠕變斜率評(píng)價(jià)不同空隙率試件的抗車轍性能.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 50 ℃漢堡車轍試驗(yàn)

對(duì)輪碾5 000～18 000次得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以車轍深度為縱坐標(biāo)、碾壓次數(shù)為橫坐標(biāo)繪制曲線，采用規(guī)劃求解的方法對(duì)該曲線進(jìn)行回歸得到蠕變斜率，以蠕變斜率評(píng)價(jià)混合料抗車轍性能，并以此尋找空隙率與高溫穩(wěn)定性能的最佳結(jié)合點(diǎn).不同空隙率試件的處理結(jié)果見圖2.

不同空隙率試件的蠕變斜率計(jì)算值見表6.

表6 空隙率與蠕變斜率

圖2 不同空隙率試件蠕變斜率處理

將空隙率與蠕變斜率進(jìn)行二次函數(shù)擬合，以此得到空隙率與抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn).空隙率與蠕變斜率的擬合見圖3.

圖3 空隙率與蠕變斜率

由圖3可知，當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為50 ℃水浴時(shí)，瀝青混合料的蠕變速率隨空隙率的變化出現(xiàn)一個(gè)峰值，該峰值所對(duì)應(yīng)的空隙率大小約為3.72%.

2.2 60 ℃漢堡車轍試驗(yàn)

對(duì)輪碾5 000～18 000次或5 000次～試驗(yàn)終止得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以車轍深度為縱坐標(biāo)、碾壓次數(shù)為橫坐標(biāo)繪制曲線，并采用規(guī)劃求解的方法進(jìn)行回歸得到蠕變斜率，以蠕變斜率評(píng)價(jià)混合料抗車轍性能，并以此尋找空隙率與高溫穩(wěn)定性能的最佳結(jié)合點(diǎn).不同空隙率試件的處理結(jié)果見圖4.

不同空隙率試件的蠕變斜率計(jì)算值見表7.

圖4 不同空隙率試件蠕變斜率處理

空隙率/%2．853．714．20蠕變斜率/(mm·次-1)0．0008420．0003040．000497空隙率/%4．676．156．70蠕變斜率/(mm·次-1)0．0002900．0004810．000654

將空隙率與蠕變斜率進(jìn)行二次函數(shù)擬合，以此得到空隙率與抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn).空隙率與蠕變斜率的擬合見圖5.

圖5 空隙率與蠕變斜率

由圖5可知，當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為60 ℃水浴時(shí)，瀝青混合料的蠕變速率隨空隙率的變化出現(xiàn)一個(gè)峰值，該峰值所對(duì)應(yīng)的空隙率大小約為4.92%.

綜合圖3、圖5可知，當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為50 ℃水浴時(shí)，空隙率與礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn)為3.72%；當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為60 ℃水浴時(shí)，空隙率與礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn)為4.92%.說明不同水浴溫度下，空隙率與礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn)不同.

由表5可知，按馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定的圖1級(jí)配設(shè)計(jì)空隙率為5%，并且混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比3個(gè)技術(shù)指標(biāo)均符合文獻(xiàn)[16]技術(shù)要求，說明按圖1級(jí)配設(shè)計(jì)的礫石瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)是合理的.

由圖3可知，5%空隙率對(duì)應(yīng)的蠕變斜率為1.42×10-4mm/次，折算成每mm車轍的軸次，即文獻(xiàn)[16]中的動(dòng)穩(wěn)定度，為7 046次/mm，遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度≮1 000的要求.同理，由圖5可知，5%空隙率對(duì)應(yīng)的蠕變斜率為2.99×10-4mm/次，折算成動(dòng)穩(wěn)定度為3 345次/mm，同樣符合文獻(xiàn)[16]要求.與表5試件檢測(cè)指標(biāo)相結(jié)合，說明按圖1級(jí)配設(shè)計(jì)的礫石瀝青混合料不僅高溫抗車轍性能和水穩(wěn)定性分別符合要求，而且具有較好的浸水抗車轍性能.

依托湖北省洪利高速公路工程，按圖1級(jí)配鋪筑了一段300 m長(zhǎng)的試驗(yàn)段，從試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果和路面實(shí)際情況來看，試驗(yàn)段鋪筑效果理想.因此，文中提出的將馬歇爾試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)相結(jié)合，綜合評(píng)定礫石瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)是否合理的方法是可取的，具有一定的借鑒意義.

3 結(jié) 語

1) 礫石瀝青混合料空隙率與其抗車轍性能之間存在較好的相關(guān)性.

2) 針對(duì)文中試驗(yàn)級(jí)配，在50 ℃恒溫水浴條件下，空隙率為3.72%時(shí)礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能最佳；在60 ℃恒溫水浴條件下，空隙率為4.92%時(shí)礫石瀝青混合料浸水抗車轍性能最佳.

3) 不同水浴溫度下，空隙率與礫石瀝青混合料的浸水抗車轍性能的最佳結(jié)合點(diǎn)不同.

[1]劉志明,王哲人.瀝青路面水損害與車轍的分析研究[J].公路交通科技,2004,21(8):1-4.

[2]王樂.高溫潮濕地區(qū)瀝青混合料水穩(wěn)定性研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2008.

[3]彭義雯.高溫多雨條件下瀝青混合料路用性能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013.

[4]薛小剛.瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化及配合比設(shè)計(jì)方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2005.

[5]吳傳海.重載交通瀝青路面車轍成因及混合料組成設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)安:長(zhǎng)安大學(xué),2008.

[6]李立寒,曹林濤,郭亞兵，等.初始空隙率對(duì)瀝青混合料性能影響的試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,34(6):757-760.

[7]彭勇,孫立軍.空隙率對(duì)瀝青混合料性能影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2009,33(5):826-829.

[8]沙慶林.空隙率對(duì)瀝青混凝土的重大影響[J].中外公路,2001(1):35-40.

[9]馬霞,肖剛.礫石瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)研究[J].石油瀝青,2013,27(3):39-42.

[10]栗培龍,張爭(zhēng)奇,李洪華，等.瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)條件及評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2011(2)：115-121.

[11]交通部公路科學(xué)研究所.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程:JTG E20-2011[S].北京：人民交通出版社,2011.

[12]交通部公路科學(xué)研究所.公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程:JTG E42-2005[S].北京：人民交通出版社,2005.

[13]交通部公路科學(xué)研究所.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范:JTG F40-2004[S].北京：人民交通出版社,2004.

[14]AASHTO.Standard test method for hamburg wheel-tracking test:T 324-14[S]. American: AASHTO,2004.

Effect of Air Voids on the Anti-rutting Performance of Water-immersed Gravel Asphalt Mixture

ZHONG Kunzhi1)LUO Rong1)FAN Xiangyang1)FANG Zheng1)FENG Guangle2)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)2)

The goal of this study is to investigate the effect of air voids on the anti-rutting performance of water-immersed gravel asphalt mixtures with the following test protocol: 1) the aggregate gradation and the optimum asphalt content are determined in accordance with the Marshall mix design method;2) the specimens for Hamburg wheel-tracking test are fabricated utilizing the Superpave Gyratory Compactor (SGC), and the mass of them is well controlled so as to achieve different air voids; 3) the anti-rutting performance of water-immersed gravel asphalt mixtures with different air voids are evaluated by the Hamburg wheel tracking test at 50 ℃ and 60 ℃, through which the air void corresponding to the best anti-rutting performance is determined. Conclusions can be drawn from the test results that the air void corresponding to the best anti-rutting performance of water-immersed gravel asphalt mixtures is 3.72% at 50 ℃ and 4.92% at 60 ℃, respectively.

air voids; gravel asphalt mixture; Hamburg wheel-tracking test; anti-rutting performance

2016-11-02

*交通運(yùn)輸部建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(2014318J22120)

U416.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.028

鐘昆志(1992—)：男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆放c橋梁工程