瀝青混合料AC-20C礦料的施工組成設計分析

黃小慧 曹毅 韋增增

摘要：文章模擬評價施工過程中2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、19～26.5 mm的分計篩余量波動對一種粗型密級配AC-20C的性能影響。其中，AC-20C的礦料組成19 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm通過率分別為90.8%、50%、33.2%、23.8%，試驗采用SGC旋轉搓揉成型方法和馬歇爾擊實法評價了AC-20C的壓實特性，采用馬歇爾法評價了AC-20C的145 ℃、165 ℃的體積參數，并采用動穩定度、單軸貫入強度和凍融劈裂殘留強度比三個指標評價了AC-20C的高溫穩定性能及水穩定性能。試驗結果表明：2.36～26.5 mm的粗集料在AC-20C中起骨架作用，其中，9.5 mm的通過率宜控制在50%～55%，19～26.5 mm粗集料的適當用量可以提高瀝青混合料的抗變形能力，隨著嵌擠粗集料4.75～9.5 mm用量的增加，AC-20C的礦料間隙率增加，毛體積相對密度降低、空隙率增大，最大剪應力下降，其用量宜≤24%，次級嵌擠粗集料2.36～4.75 mm粗集料宜≤12%，SBS改性瀝青混合料AC-20C的60 ℃動穩定≥6 000次/mm，凍融劈裂抗拉強度比>75%。

關鍵詞：道路工程;瀝青混合料;礦料組成;空隙率;動穩定度;貫入強度;凍融劈裂強度比

0 引言

由于黑色路面的吸熱特性，三層瀝青路面的中面層的溫度相對最高，而瀝青作為一種膠結料，具有時溫等效特性。為此，必須重視中面層常用的粗型密實配瀝青混合料AC-20C的礦料組成設計及其施工過程的質量控制，以確保路面在使用過程中，在荷載應力及一定的溫濕度環境條件下瀝青混合料AC-20C的變形處于蠕變遷移穩定階段，黏性應變的累積變形量≤6 mm。本文結合廣西高速公路常用的粗集料關鍵篩孔19 mm、9.5 mm、2.36 mm對應通過率分別是90.8%、50%、23.8%的粗型密級配AC-20C的礦料組成設計，模擬施工過程比對分析粗集料2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、19～26.5 mm的分計篩余量波動對AC-20C的壓實特性、高溫穩定性、水穩定性的影響，以提出粗型密級配AC-20C施工允許波動的合理級配范圍。

1 AC-20C的礦料級配組成設計

粗型密級配的AC-20C的三個級配組成如表1所示，其中，2.36 mm的通過率控制在23%～24%，0.075 mm的通過率控制在5%～6%。

從表1、表2可以看出，級配二為設計目標級配，級配一、級配三為級配二的波動級配。在AC-20C的三個級配中，級配三中4.75 mm的通過率最低，即混合料中>4.75 mm的粗集料用量最多，但其中未摻配粗集料19～26.5 mm，粗集料4.75～9.5 mm的分計篩余為24.8%。與級配三不同，在級配一、級配二中，粗集料19～26.5 mm的分計篩余量在7%～10%之間。級配二與級配三的差異主要在于：級配二以粗集料4.75～26.5 mm做骨架，級配一以粗集料2.36～26.5 mm做骨架。

試驗采用SBS改性瀝青，按AC-20C的油石比3.8%成型馬歇爾法試件，試件體積指標如表3所示。

由表3中可以看出，三個級配的理論最大相對密度一樣，空隙率關系為級配二<級配一<級配三，瀝青飽和度關系為級配三<級配一<級配二，礦料間隙率關系為級配二<級配一<級配三，三個級配的指標關系是相對應的。級配三的礦料間隙率、空隙率相對最大，這表明了粗集料嵌擠料4.75～9.5 mm用量對骨架的相對干涉作用。

為進一步評價三組級配的壓實特性，分別采用SGC旋轉搓揉成型方法、馬歇爾擊實法制作試件，經160次旋轉壓實下各級配毛體積相對密度實測值如表4所示。

根據SGC壓實的特點，記錄指定壓實次數下試件的高度，計算各次數下的壓實度后，繪制壓實次數與壓實度關系曲線圖，如圖1所示。

（1）旋轉壓實SGC下的級配分析

從圖1可以看出，在相同旋轉壓實次數下，壓實度關系分別為級配一>級配二>級配三，而同一壓實度下，級配一所需壓實次數最少，級配二次之，級配三最多。這表明在相同壓實功下，級配一最易壓實，級配二次之，級配三最難壓實。

由圖1可以看出兩種空隙率下混合料的旋轉次數，如表5所示。

由表5可知，三種級配的N2/N5關系為級配一>級配二>級配三，說明級配三最難以壓實，級配二次之，級配一最易壓實。這也進一步表明了粗集料嵌擠料4.75～9.5 mm用量對骨架的相對干涉作用，用量相對越多，礦料間隙率相對越大。

（2）兩種不同成型方式的各級配體積參數對比

100次設計旋轉壓實下馬歇爾成型各級配相關參數如表6所示。

根據不同成型方式下馬歇爾的體積參數，繪制不同成型方式下的各級配體積參數對比圖如圖2所示。

由圖2及表6可以看出，與馬歇爾成型方式相比，相同級配下SGC旋轉壓實條件下成型的試件毛體積密度更大，級配一密度提高了0.68%，級配二密度提高了0.24%，級配三密度提高了1.2%，影響程度為級配三>級配一>級配二;空隙率明顯小于馬歇爾成型的試件，其中，級配一降低了0.7%，降幅為21.9%，級配二降低了0.3%，降幅為10%，級配三降低了7.6%，降幅為11.3%，影響程度為級配一>級配三>級配二;而瀝青飽和度均要大于馬歇爾成型方式的試件的，分別增加了4.2%、2.2%和7.6%，增幅分別為5.7%、3.0%和11.3%，影響程度為級配三>級配一>級配二;礦料間隙率則要更小，三個級配分別降低了0.4%、0.2%和1.0%，降幅分別為3.4%、1.8%和8.0%，影響程度為級配三>級配一>級配二。

綜上所述，三個級配受成型方式影響的程度大小排列關系為：級配三>級配一>級配二，4.75～9.5 mm單粒徑達24.8%時，AC-20C相對難以壓實。

為了模擬施工現場碾壓溫度對AC-20C的壓實特性的影響，采用馬歇爾雙面擊實各75次分別在145 ℃、165 ℃成型馬歇爾試件，對試件體積參數進行測試的結果如表7所示。

由表7可以看出，隨著成型溫度的降低，級配一與級配二的毛體積相對密度均呈現降低的趨勢，級配一的毛體積相對密度降幅最大，級配一、級配二、級配三中>2.36 mm的用量基本一致，級配一中嵌擠粗集料2.36～4.75 mm的單粒級用量為12.4%，用量相對最多。

2 AC-20C的性能驗證

2.1 車轍試驗、單軸貫入強度試驗

AC-20C三種級配類型的瀝青混合料的車轍試驗結果如表8所示。

由表8可以看出，不考慮變異系數的影響，隨著粗集料含量的增加，瀝青混合料車轍動穩定度先減小后增大，但三種級配下瀝青混合料高溫穩定性均遠高于規范要求。從級配一到級配二，粗集料含量從63.4%增加至66.8%，粗集料含量增加3.4%，動穩定度從13 639次/mm降低至7 760次/mm，但車轍總變形量從1.604 mm降低至1.401 mm，總變形反而有所降低;從級配二到級配三，粗集料含量從66.8%增加至70%，粗集料含量增加3.2%，動穩定度從7 760次/mm增加至9 021次/mm，車轍總變形量從1.401 mm增加至1.746 mm，總變形反而有所增加。

從級配一和級配二的車轍動穩定度與總變形試驗結果對比來看，級配二在4.75 mm篩孔通過率較低，粗集料含量高，同時9.5 mm篩孔通過率也較低，級配一4.75～9.5 mm區間粗集料占19.3%，級配二雖然4.75 mm以上粗集料比級配一多，但4.75～9.5 mm區間粗集料僅為16.8%，因此級配二骨架結構比級配一更穩定，因此動穩定度變形更小。而級配三4.75 mm粗集料含量達到70%，但4.75～9. 5 mm區間的粗集料也達到了24.8%，因此級配二比級配三的礦料骨架更穩定，級配三的動穩定度變形比級配二的相應更高。

為進一步評價瀝青的抗變形能力，采用單軸貫入試驗。AC-20C瀝青混合料的單軸貫入試驗結果見表9和圖3。

從圖3可以看到：（1）抗剪強度大小依次為級配一>級配二>級配三，級配二的抗剪強度比級配三提高11.6%，級配一的抗剪強度比級配二提高19.7%，比級配三的抗剪強度提高33.5%;（2）剪切破壞時變形量大小依次為級配一>級配二>級配三，但相差不大。

從三種級配的瀝青混合料的礦料級配組成來看，以4.75 mm篩孔為界，級配二比級配一粗集料比例高3.4%，級配三比級配二粗集料比例高3.2%，比級配一粗集料比例高6.6%。對比這三種級配的瀝青混合料試驗結果可知，級配一具有更好的抗剪切性能，級配三的抗剪切性能最差。這表明AC-20C以粒徑2.36 mm為界，>2.36 mm的粗料部分形成混合料的骨架，19～26.5 mm的適當用量可以提高瀝青混合料的抗變形能力，4.75～9.5 mm的用量宜在24%以下，不宜過多，9.5 mm的通過率宜控制在50%～55%之間。

2.2 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗的水穩定性驗證

AC-20C瀝青混合料的水穩定性驗證采用浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗進行評價，結果見表10。

從表10可以看出，三種級配下瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂殘留強度比均滿足規范要求。

3 結語

（1）篩孔為0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率分別為5%、23.8%、33.2%、50%、90.8%的粗型密級配瀝青混合料AC-20C具有良好的高溫穩定性能、水穩定性能。

（2）瀝青混合料AC-20C的19 mm、9.5 mm、4.75 mm的通過率波動范圍分別宜控制在90%～100%、50%～55%、30%～36%，而2.36 mm的通過率應≤24%。

參考文獻：

[1]袁迎捷，周進川，胡長順.瀝青混合料壓實機理新解[J].公路，2002（2）：50-53.

[2]沈金安.關于瀝青混合料的均勻性和離析問題[J].公路交通科技，2001，18（6）：20-24.

[3]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

作者簡介：黃小慧（1984—），工程師，主要從事施工、監理以及試驗檢測工作;

曹 毅（1975—），工程師，主要從事公路養護施工與管理工作;

韋增增（1997—），碩士研究生，研究方向：道路材料、施工技術等。