開級配大粒徑瀝青碎石低溫性能評價

付其林, 魏建國, 周興壯

(1.長沙理工大學 公路工程教育部重點實驗室, 湖南 長沙 410114; 2.長沙理工大學 交通運輸工程學院, 湖南 長沙 410114)

開級配大粒徑瀝青碎石(open-graded large stone asphalt mixes,OLSM)是指集料公稱最大粒徑在25～63mm之間,具有嵌擠骨架-空隙型結構的熱拌瀝青混合料.由于OLSM具有較好的延緩反射裂縫的作用,在半剛性基層瀝青路面結構和舊水泥路面加鋪改造中得到了廣泛應用[1-3].然而,OLSM在使用過程中受到低溫氣候的影響,容易產生裂縫,致使雨水從裂縫滲入,加速了瀝青路面的損壞[4-5].瀝青混合料低溫性能對瀝青路面的使用壽命有重要影響,許多道路工作者對其進行了研究[6-8].如Zhang等[9]研究表明,材料組成對瀝青混合料低溫性能影響顯著.王國忠等[10]發現,大粒徑瀝青混合料低溫性能低于普通瀝青混合料,通過優化級配可以改善其低溫性能.熊子佳等[11]研究表明,開級配瀝青混合料低溫性能低于密級配瀝青混合料,采用高黏度瀝青可以改善其低溫性能.考慮到集料粒徑的影響,可以采用劈裂試驗和半圓彎抗(SCB)試驗來評價大粒徑瀝青混合料的低溫性能,但該方法缺乏相應的評價標準[12-13].由此可見,目前針對集料粒徑大、空隙率大的OLSM低溫性能的研究不足.本文通過室內試驗的方法,分析小梁彎曲試驗評價OLSM低溫性能的適用性,提出OLSM低溫性能評價方法,研究集料級配、瀝青標號、瀝青膠漿膜厚度、粉膠比(質量比，文中涉及的粉膠比、摻量等除特別

說明外均為質量分數或者質量比)和水泥代替礦粉量等因素對其低溫性能的影響,為其推廣應用提供理論依據.

1 原材料技術特性

1.1 瀝青

瀝青為70#道路石油基質瀝青,其主要技術指標見表1.

表1 70#基質瀝青的技術指標

1.2 集料

粗集料(CA)和細集料(FA)均為石灰巖碎石,礦粉(MP)為石灰巖石粉,其主要物理性能指標見表2.

1.3 集料級配

為對比分析OLSM低溫性能,設計了5種集料級配，見表3.

表2 集料的物理性能指標

表3 集料級配

2 OLSM低溫性能評價方法

2.1 截面尺寸的確定

為了評價OLSM低溫性能,將1#、2#、3#OLSM-25級配與AC-13中值、AC-16中值、AC-20中值級配的瀝青混合料進行低溫彎曲試驗.成型尺寸為300mm×300mm×100mm的車轍試樣,并制成4種截面尺寸的小梁試件;采用MTS材料試驗機,在溫度為-10℃,跨徑為200mm的條件下,進行小梁彎曲試驗.6種級配,每種級配4種截面尺寸試件的彎曲試驗結果見表4.

表4 6種級配試件在不同截面尺寸下的彎曲試驗結果

由表4可知：

(1)隨著小梁試件截面尺寸的增加,3種級配OLSM的最大彎拉強度大幅度提高,而AC-13、AC-16和AC-20的最大彎拉強度基本保持不變.當試件截面尺寸為30mm×35mm時,3種級配OLSM彎拉強度和應變的變異系數(CV)較大,分別超過了極限值10%和20%;AC-13、AC-16和AC-20彎拉強度和應變的變異系數較小.這主要是因為,OLSM集料粒徑大,增加了試件截面單集料的幾率,較大的空隙率也增加了試件從空隙處斷裂的幾率.這說明,標準截面尺寸30mm×35mm下OLSM彎曲試驗結果離散性較大,未能真實反映其低溫受力特性.

(2)3種級配OLSM最大彎拉強度和撓度隨著小梁試件截面尺寸的增加而增大;當截面尺寸超過50mm×55mm后,OLSM最大彎拉強度和撓度增大幅度較小.隨著小梁試件截面尺寸的增加,OLSM彎拉強度和應變的變異系數均逐漸降低,且當截面尺寸超過50mm×55mm時,其變異系數小于極限值10%和20%,接近AC的變異系數.這說明,50mm×55mm截面尺寸下彎曲試驗結果離散性較小,能夠真實反映OLSM-25低溫受力特性.

(3)隨著試件截面尺寸的增加,6種級配的最大彎拉應變呈急劇增大趨勢;50mm×55mm截面尺寸OLSM最大彎拉應變比30mm×35mm截面尺寸的增大了2倍左右,50mm×55mm截面尺寸AC最大彎拉應變比30mm×35mm的增大了1倍左右.這說明,試件截面尺寸的增加改變了瀝青混合料最大彎拉應變測定值.

由材料力學可知：

RB=3LPB/2bh2

(1)

d=PBL3/48EI

(2)

I=1/12·bh3

(3)

由式(1)～(3)可得：

d=RBL2/6Eh

(4)

εB=6dh/L2

(5)

式中：RB為彎拉強度,MPa;L為試件跨徑,m;PB為試件最大荷載,N;b為試件寬度,m;h為試件高度,m;d為撓度,mm;E為彎拉彈性模量,MPa;I為慣性矩,m4;εB為最大彎拉應變,μm/m.

同種材料彎拉強度RB理論上是一定值,表4中不同試件截面尺寸下AC的RB不變,說明AC彎拉強度RB測試結果符合理論值,數據可靠.由式(4)可知,其他參數為定值時,撓度d隨著試件高度的增加而降低,這與測試結果相反.這是因為,材料力學假定小梁試件為彈性體,設定試件底部受拉開裂瞬間視為斷裂;實際上,試件底部開裂后,裂縫延伸一段距離后才會斷裂.隨著裂縫的擴展,試件截面尺寸逐漸減小,造成測得的撓度d比實際值大,抗拉彈性模量E減小,慣性矩I減小.因此,試件高度越大,其破壞時裂縫擴展得越深,撓度d隨試件高度的增加而偏大.由式(5)可知,最大彎拉應變計算值比實際值偏大.

2.2 試驗跨徑的確定

增大小梁彎曲試驗的跨徑,使小梁破壞接近假定的瞬間斷裂模型.輪碾成型車轍板長度為300mm,且邊緣壓不實,切制成小梁試件有效長度為280mm;考慮彎曲試驗時小梁兩端超過支撐點10mm以上,因此試驗最大跨徑為260mm.在試件截面尺寸為50mm×55mm,溫度為-10℃的條件下進行小梁彎曲試驗.6種級配4種跨徑試件的彎曲試驗結果見表5.

表5 6種級配試件在不同跨徑下的彎曲試驗結果

由表5可知,隨著跨徑的增加,6種級配試件的最大彎拉強度基本保持不變,這表明跨徑對瀝青混合料強度測試結果基本沒有影響.隨著跨徑的增加,6種級配試件的最大彎拉應變逐漸減小,這表明跨徑對瀝青混合料最大彎拉應變測試結果影響顯著.這是因為,跨徑增加有利于小梁破壞模式由裂縫擴展到瞬間破壞,更加接近假定的瞬間斷裂模型,表現為彎拉勁度模量的逐漸增加.這說明,增加小梁跨徑的彎曲試驗結果更能真實反映小梁低溫受力特性.

2.3 評價指標的修正

為了分析截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm的改進彎曲試驗與截面尺寸為30mm×35mm、跨徑為200mm的標準彎曲試驗評價瀝青混合料低溫性能的一致性,分別對AC-13、AC-16和AC-20級配上限(U)、級配中值(M)、級配下限(L)進行改進和標準2種彎曲試驗,結果見圖1.由圖1可知：改進彎曲試驗下瀝青混合料最大彎拉應變與標準彎曲試驗的結果不一致,改進彎曲試驗下最大彎拉應變比標準彎曲試驗大.這主要是因為,受小梁試件長度的限制,改進彎曲試驗跨徑增大未能與小梁截面增大成比例.為了使改進彎曲試驗下最大彎拉應變與標準彎曲試驗的具有一致性,對圖1中不同集料粒徑的瀝青混合料2種試驗結果進行回歸,建立了不同集料粒徑的改進彎曲試驗最大彎拉應變修正關系式,見圖2.

圖1 2種試驗條件下不同級配的最大彎拉應變Fig.1 Maximum bending strain of different gradations under two test conditions

圖2 改進彎曲試驗結果修正關系Fig.2 Correction value of improved bending test

由此,可以得到公稱最大粒徑26.5mm的改進彎曲試驗下最大彎拉應變修正系數0.5471.

3 OLSM低溫性能及影響因素

3.1 集料級配的影響

分形維數能夠較好地表征集料的分布特征,采用分形維數表征設計的5種OLSM集料級配(見表3).在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗.不同分形維數與空隙率OLSM的最大彎拉應變試驗結果見圖3、4.

圖3 分形維數對OLSM最大彎拉應變的影響Fig.3 Effect of fractal dimension on maximum bending strain of OLSM

圖4 空隙率對OLSM最大彎拉應變的影響Fig.4 Effect of porosity on maximum bending strain of OLSM

由圖3可知：隨著分形維數的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變先提高后降低,表明集料級配對OLSM低溫性能影響顯著.從數值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變均異常偏大.因此,對改進彎曲試驗下最大彎拉應變進行修正,以便評價其在標準彎曲試驗下的低溫性能.由修正后OLSM最大彎拉應變可知,當分形維數為2.41～2.44時其最大彎拉應變大于2.0mm/m,具有良好的低溫性能.這主要是因為,隨著分形維數的增加,OLSM空隙率逐漸增大(見圖4),隨著OLSM空隙率的增大,其模量減小有利于提高其變形性能;當分形維數過大時,OLSM空隙率過大、集料得不到有效黏結,強度不足,從而降低了變形性能.這說明,集料級配對OLSM低溫性能影響顯著,且當分形維數為2.41～2.44時,其低溫性能較好.

3.2 瀝青種類的影響

基于設計的2#集料級配,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗,不同瀝青標號OLSM的最大彎拉應變試驗結果見圖5.

圖5 瀝青標號對OLSM最大彎拉應變的影響Fig.5 Effect of asphalt grade on maximum bending strain of OLSM

由圖5可知,隨著瀝青標號的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變逐漸降低,70#瀝青OLSM最大彎拉應變下降不顯著,90#和110#瀝青OLSM最大彎拉應變下降顯著,表明瀝青標號對OLSM低溫性能影響顯著.從數值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變均異常偏大,對改進彎曲試驗下最大彎拉應變進行修正;由修正后OLSM最大彎拉應變可知,50#和70#瀝青OLSM低溫性能較好.這主要是因為,隨著瀝青標號的增加,瀝青與礦粉形成的瀝青膠漿黏稠度降低,瀝青膠漿黏稠度降低,表現為OLSM抗變形強度下降;另外,瀝青膠漿黏稠度降低在OLSM試件成型過程中引起較多膠漿進入空隙,起到黏結作用的瀝青膠漿相對減少,也表現為OLSM抗變形強度下降.這說明,瀝青標號對OLSM低溫性能影響顯著,50#與70#瀝青OLSM低溫性能較好.

3.3 膠漿膜厚度的影響

圖6 膠漿膜厚度對OLSM最大彎拉應變的影響Fig.6 Effect of film thickness of mortar on maximum bending strain of OLSM

基于設計的2#集料級配,粉膠比為1.0,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗.不同瀝青膠漿膜厚度OLSM的最大彎拉應變試驗結果見圖6.由圖6可知,隨著瀝青膠漿膜厚度的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變逐漸提高,膠漿膜厚度大于50μm后,其最大彎拉應變提高幅度很小,表明膠漿膜厚度對OLSM低溫性能影響顯著.從數值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變均異常偏大,對改進彎曲試驗下最大彎拉應變進行修正;由修正后OLSM最大彎拉應變可知,膠漿膜厚度大于48μm的OLSM低溫性能較好.這是因為,增多的瀝青膠漿起到潤滑作用,有利于提高瀝青混合料的變形性能,表現為OLSM低溫性能提高;當瀝青膠漿過多時,部分膠漿填充混合料結構的空隙,從而進一步提高潤滑作用有限.這說明,膠漿膜厚度對OLSM低溫性能影響顯著,適當增大膠漿膜厚度可以有效提高其低溫性能,但厚度超過50μm 后再增大膠漿膜對提高其低溫性能效果不明顯.

3.4 粉膠比的影響

基于設計的2#集料級配,瀝青膠漿膜厚度50μm,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗.不同粉膠比OLSM的最大彎拉應變試驗結果見圖7.

圖7 粉膠比對OLSM最大彎拉應變的影響Fig.7 Effect of ratio of filler to bitumen on maximum bending strain of OLSM

由圖7可知,隨著粉膠比的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變先提高后降低,表明粉膠比對OLSM低溫性能影響顯著.從數值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變均異常偏大,因此對改進彎曲試驗下最大彎拉應變進行修正;由修正后OLSM最大彎拉應變可知,當粉膠比為1.0～1.2時,其最大彎拉應變大于2.0mm/m.這是因為,隨著粉膠比的增大,瀝青膠漿的黏度逐漸增加,從而提高了OLSM的變形性能;當粉膠比過大時,瀝青膠漿的黏度降低,黏度不足限制了其變形性能.這說明,粉膠比對OLSM低溫性能影響顯著,且粉膠比為1.0～1.2時其低溫性能較好.

3.5 水泥代替礦粉量的影響

基于設計的2#集料級配,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗.不同水泥代替礦粉量OLSM的最大彎拉應變試驗結果見圖8.

圖8 水泥代替礦粉量對OLSM最大彎拉應變的影響Fig.8 Effect of cement substitution quantity on maximum bending strain of OLSM

由圖8可知,隨著水泥代替礦粉量的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變先提高后降低,表明水泥代替礦粉量對OLSM低溫性能影響顯著.從數值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應變均異常偏大,因此對改進彎曲試驗下最大彎拉應變進行修正;由修正后OLSM最大彎拉應變可知,當代替量小于40%時，其最大彎拉應變大于2.0mm/m.這是因為,水泥比表面積比礦粉大,隨著水泥代替礦粉量的增大,礦質混合料的比表面積增大,相應瀝青膠漿稠度增加,黏度增加,從而提高了OLSM變形性能;當水泥代替礦粉量過大時,瀝青膠漿稠度過大,黏度變小,致使其變形性能弱化.因此,水泥代替礦粉量對OLSM低溫性能影響顯著,且當代替量小于40%時其低溫性能良好.

4 結論

(1)試件截面尺寸對小梁低溫彎曲試驗結果影響顯著,標準截面尺寸(30mm×35mm)下小梁彎曲試驗未能真實反映OLSM低溫受力特性,試件截面尺寸為50mm×55mm的小梁彎曲試驗適用于評價OLSM低溫性能.

(2)跨徑對小梁低溫彎曲試驗結果影響顯著,增大跨徑有利于真實反映OLSM低溫受力特性,跨徑為260mm的小梁彎曲試驗適用于評價OLSM低溫性能,并建立了改進小梁彎曲試驗下OLSM低溫性能修正關系.

(3)集料組成對OLSM低溫性能影響顯著,隨著分形維數和水泥代替礦粉量的增大,其低溫性能先提高后降低.當分形維數為2.41～2.44和水泥代替礦粉量不超過40%時,其低溫性能較好.

(4)瀝青膠漿組成對OLSM低溫性能影響顯著,隨著瀝青標號的增加,其低溫性能降低,50#與70#瀝青的OLSM低溫性能較好;適當增大膠漿膜厚度可以有效提高其低溫性能,但厚度超過50μm后效果不明顯;隨著粉膠比的增加其低溫性能先提高后降低,當粉膠比為1.0～1.2時,其低溫性能較好.