瀝青路面礦料級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

韓 雪，杜順成，樊 軍

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710021)

瀝青路面礦料級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

韓 雪，杜順成，樊 軍

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710021)

依托京新高速，以瀝青路面中面層為研究對(duì)象，探究了集料的壓碎值、磨耗值大小分別對(duì)混合料路用性能的影響，從集料選用的角度出發(fā)提升瀝青混合料抗車轍的能力。采用經(jīng)過(guò)挑選的集料進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，以優(yōu)良的路用性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)挑選適合的關(guān)鍵篩孔的通過(guò)率。試驗(yàn)結(jié)果表明，關(guān)鍵篩孔的通過(guò)率對(duì)瀝青混合料性能有重要的影響，采用優(yōu)化過(guò)的級(jí)配能夠使瀝青混合料的各種性能得到提高。進(jìn)行試驗(yàn)路的鋪筑，瀝青混合料各種性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求，高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性尤其明顯，驗(yàn)證了所提出的相關(guān)結(jié)論。

瀝青混凝土；集料；礦料級(jí)配；病害預(yù)防

引 言

瀝青路面受車輛荷載及自然條件因素的影響將發(fā)生損壞，例如：車轍、裂縫、坑槽、沉陷等。瀝青路面受到的破壞形式主要分為兩方面：水損害和高溫車轍病害[1-2]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在對(duì)集料特性研究方面，針對(duì)磨耗值與壓碎值兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性能的影響研究較少。本文通過(guò)對(duì)不同集料物理性質(zhì)的研究對(duì)比[3-4]，得出適合本地區(qū)的相關(guān)指標(biāo)范圍[5-6]。根據(jù)以往學(xué)者對(duì)關(guān)鍵篩孔4.75 mm研究發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)者只是宏觀表明4.75 mm篩孔通過(guò)率對(duì)級(jí)配設(shè)計(jì)以及后期的路用性能影響很大，但并未量化闡述4.75 mm篩孔通過(guò)率的具體范圍，得出路用性能更加優(yōu)良的參考范圍[7-9]。

1 集料物理指標(biāo)對(duì)瀝青混合料的影響

1.1 母巖選擇

瀝青混合料所用的集料來(lái)源于母巖，質(zhì)地優(yōu)良的母巖是品質(zhì)優(yōu)良的集料的保證。為了從源頭上避免隱患[10-11]，建議：在挑選母巖的過(guò)程中，要盡量剔除表面風(fēng)化、水銹嚴(yán)重的母巖，尋找質(zhì)地均勻的石料作為母巖。

1.2 集料的技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)

礦粉原料來(lái)源于烏海市昊源工貿(mào)有限公司10 mm～20 mm的石灰?guī)r，瀝青采用中海油SBS改性瀝青。集料技術(shù)性指標(biāo)見(jiàn)表1和表2，每項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

1.3 壓碎值與磨耗值對(duì)瀝青混合料性能的影響

實(shí)測(cè)每種石料的壓碎值與磨耗值結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 瀝青檢測(cè)結(jié)果

表3 壓碎值與磨耗值

對(duì)AC-20類型的瀝青混合料進(jìn)行一系列的性能試驗(yàn)，確定最佳油石比以及實(shí)測(cè)相關(guān)物理指標(biāo)，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 AC-20瀝青混合料物理指標(biāo)

1.3.1 壓碎值、磨耗值對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 AC-20型水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

壓碎值、磨耗值與瀝青混合料水穩(wěn)定性的關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 壓碎值與浸水馬歇爾值關(guān)系

圖2 壓碎值與凍融劈裂關(guān)系

磨耗值與瀝青混合料水穩(wěn)定性曲線圖如圖3和圖4所示。

圖3 AC-20磨耗值與浸水馬歇爾值關(guān)系

圖4 AC-20磨耗值與凍融劈裂關(guān)系

由圖3與圖4可知：隨著壓碎值、洛杉磯磨耗值的增加，整體趨勢(shì)上瀝青混合料的浸水馬歇爾與凍融劈裂結(jié)果均是呈下降趨勢(shì)。雖然壓碎值的最小值對(duì)應(yīng)著混合料水穩(wěn)定性的最大值，但局部上壓碎值對(duì)它的水穩(wěn)定性的影響并不是正相關(guān)，而是出現(xiàn)了一個(gè)弱相關(guān)，處在這個(gè)范圍時(shí)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性要優(yōu)于其他的區(qū)間，就阿拉善盟與巴彥淖爾，這個(gè)區(qū)間就是11.7%～21.3%。進(jìn)行公路工程的生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)，壓碎值在此范圍內(nèi)的集料生產(chǎn)的瀝青混合料會(huì)有一個(gè)較好的水穩(wěn)定性。對(duì)比壓碎值與磨耗值對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，得出磨耗值也存在一個(gè)較合理的區(qū)間：10.2%～16.9%。

1.3.2 壓碎值、磨耗值對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

壓碎值、磨耗值對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 AC-20與AC-16面層動(dòng)穩(wěn)定度(次/mm)

壓碎值、磨耗值與瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 壓碎值與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系

磨耗值與瀝青混合料高溫穩(wěn)定性之間的關(guān)系如圖6和圖7所示。

圖6 壓碎值與動(dòng)穩(wěn)定度之間的關(guān)系

圖7 磨耗值與動(dòng)穩(wěn)定度之間的關(guān)系

由圖6和圖7可知：集料的壓碎值最大時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的DS最小，瀝青的高溫穩(wěn)定性最差；伴隨著壓碎值的逐漸增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性整體下降，但在局部有增有減，比如高溫穩(wěn)定性最高所對(duì)應(yīng)的壓碎值是13.7%，在此之前是線性增長(zhǎng)，在此之后則下降；在壓碎值上升最快的區(qū)間，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性下降得最快；壓碎值對(duì)上面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響則略有不同，其影響是隨著壓碎值的增加，動(dòng)穩(wěn)定度逐漸減少；與圖6所呈現(xiàn)的趨勢(shì)相比，磨耗值對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響與之相類似，動(dòng)穩(wěn)定度的峰值均出現(xiàn)在前面，與之不同的是在磨耗值較大的情況下，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，動(dòng)穩(wěn)定度有上升的趨勢(shì)，這說(shuō)明磨耗值在10.2%～16.9%范圍內(nèi)，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性較差。

由圖7可知：隨著壓碎值的升高，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨之下降，就本地區(qū)而言，建議的壓碎值區(qū)間為11.7%～21.3%，同等條件下壓碎值在此區(qū)間內(nèi)的瀝青混合料能獲得更好的高溫穩(wěn)定性。磨耗值是石料重要的物理指標(biāo)，磨耗值越大，集料就容易被磨損，選擇磨耗值小的集料有助于工程的應(yīng)用，軟弱顆粒含量少。在輪胎與路面發(fā)生作用的過(guò)程中，磨耗值小的集料使瀝青混合料擁有更強(qiáng)的抵抗破壞的能力，避免路面的早期破壞。總體而言，本地區(qū)的磨耗值范圍建議在10.2%～16.9%范圍內(nèi)。

2 AC-20瀝青混合料級(jí)配范圍優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)配合比設(shè)計(jì)時(shí)依然是按照規(guī)范給出的設(shè)計(jì)方法即馬歇爾試件的體積指標(biāo)設(shè)計(jì)法[12-16]，但體積設(shè)計(jì)法并不完善，只是初步的進(jìn)行瀝青路面使用性能評(píng)價(jià)。在目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，太依賴工程人員的經(jīng)驗(yàn)，即使同樣的工程在不同的標(biāo)段也會(huì)有不同問(wèn)題出現(xiàn)，所以需要針對(duì)不同地區(qū)制定出不同的標(biāo)準(zhǔn)。

依托京新高速工程，做了大量的試驗(yàn)，以期能優(yōu)化級(jí)配，制定適合本地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，為防止路面的早期破壞提供具體的指導(dǎo)意見(jiàn)。AC-20通過(guò)不同篩孔(mm)的百分率(%)級(jí)配組成設(shè)計(jì)見(jiàn)表7，AC-20馬歇爾試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8，AC-20瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表7 AC-20礦料級(jí)配范圍及設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

表8 AC-20 馬歇爾試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表9 AC-20瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果匯總

改性瀝青AC-20混合料4.75 mm篩孔通過(guò)率與路用性能參數(shù)關(guān)系見(jiàn)表10。

由表10瀝青混合料路用性能與4.75 mm篩孔通過(guò)率之間的數(shù)學(xué)方程可知：瀝青混合料的性能對(duì)篩孔通過(guò)率的敏感性各不相同，最大的是動(dòng)穩(wěn)定度，其余依次為浸水馬歇爾、凍融劈裂強(qiáng)度比和穩(wěn)定度，最小的是流值。它們之間的影響程度與改性瀝青AC-16型基本一致。

表10 4.75 mm篩孔通過(guò)率與路用性能指數(shù)的關(guān)系

其根本問(wèn)題在于作為關(guān)鍵篩孔的4.75 mm通過(guò)率的大小決定了瀝青混合料級(jí)配中各集料的組成比例，尤其是細(xì)集料，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性對(duì)此的敏感性較強(qiáng)。對(duì)AC-20瀝青混合料，4.75 mm通過(guò)率合適的區(qū)域是32%～39%。

3 試驗(yàn)路的鋪筑

進(jìn)行試驗(yàn)段路面鋪筑檢驗(yàn)級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效果。試驗(yàn)路段路用性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)果

由表11檢測(cè)結(jié)果可知，采用優(yōu)選的集料以及優(yōu)化過(guò)的級(jí)配進(jìn)行路面鋪筑，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均比規(guī)范的要求要高出很多，動(dòng)穩(wěn)定度提升了3倍，浸水馬歇爾與凍融劈裂強(qiáng)度比分別提升了11.3%和12.5%，小梁彎曲提升了32.1%。由此可見(jiàn)，采用這種級(jí)配能夠使瀝青混合料獲得更加優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)具體的工程項(xiàng)目原材料和配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論：

(1)本地區(qū)集料磨耗值范圍在10.2%～16.9%范圍內(nèi)時(shí)，其高溫穩(wěn)定性較高。

(2)華柯碎石是更適合本地區(qū)使用的集料，同等條件下，其高溫穩(wěn)定性分別比榮騰、鴻遠(yuǎn)、智平、伊克田集料提高7.2%、10.3%、13.8%、9.2%；凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高了3.5%、9.1%、14.2%、3.9%。采用質(zhì)量好的集料能夠有效的提高瀝青混合料抗車轍的能力，減小車轍病害的發(fā)生。

(3)對(duì)AC-20瀝青混合料，當(dāng)4.75 mm通過(guò)率在32%～39%范圍內(nèi)時(shí)，其整體路用性能較好。

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Study on Optimization Design of Asphalt Pavement

HANXue,DUShuncheng,FANJun

(Civil Engineering of Xi'an Technological University, Xi'an 710032,China)

The aggregate crushing value and the influence of the abrasion value on the performance of mixture road are explored respectively. From the perspective of aggregate choices, the ability of asphalt mixture of anti-rutting is improved, which is good to the early prevention of disease in the high temperature rutting of asphalt pavement. With the selected aggregate, a comparative study is done which aims to choose the proper key sieve with the standard of excellent road performance. The test shows that the key to mesh well has a great influence on the asphalt mixture. The optimized grading can improve all kinds of performance of asphalt mixture. The construct of test road is done. Various performance targets of Asphalt mixture meet the standard, especially the high-temperature stability and water stability, which proves that conclusions.

asphalt concrete; aggregate; gradation; disease prevention

2017-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374165)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(16JK1378)；西安工業(yè)大學(xué)研究生教學(xué)改革研究項(xiàng)目(XAGDYJ160211)

韓 雪(1991-)，女，山東濟(jì)寧人，碩士生，主要從事路基路面工程方面的研究，(E-mail)972779763@qq.com； 杜順成(1978-)，男，河南駐馬店人，副教授，主要從事路基路面工程方面的研究，(E-mail) 1036446809@qq.com

1673-1549(2017)04-0068-06

10.11863/j.suse.2017.04.13

U416

A