擊實次數對雙層功能性瀝青混合料穩定性的影響

張海濤，袁 夢

(東北林業大學土木工程學院，哈爾濱 150040)

對于目前現有的功能性瀝青混合料來講，都是采用單一級配的大空隙率混合料(Va=15%～25%)，以滿足功能性指標的要求，但這樣的大空隙率混合料密實度較差、易受水流沖刷，其結構性指標(強度)難以保證[1-2]。如何解決單一級配的大空隙率功能性瀝青混合料的功能性指標好而結構性指標差的問題一直是研究的主要方向。因此，本項目設計一種雙層功能性瀝青混合料，以解決此問題。研究目標是設計一種上層具有功能性、下層可以保證結構強度的雙層瀝青混合料，將單層大空隙率OGFC瀝青混合料的下半部分替換成密實型AC瀝青混合料，采用連續攤鋪方式施工，以保證瀝青混合料的層間連接強度[3-4]。

雙層功能性瀝青混合料設計的理論基礎主要依據《公路瀝青路面設計規范》(JTGD 50—2017)[5]要求將傳統瀝青混凝土路面分為上面層、中面層、下面層三層，三層間斷攤鋪同時層間設置黏層。雙層功能性瀝青混合料設計在此基礎上參考雙層排水路面將三層面層整合視為一層，模擬連續攤鋪方式，不設黏層，層間連接效果較好。設計是基于雙層排水瀝青混合料的基礎上，較傳統瀝青路面的組合排列上有一定的創新，將大空隙率的OGFC(open graded friction course)瀝青混合料置于上層，將空隙率較小的AC(asphalt concrete)瀝青混合料置于下層，使雙層功能性瀝青混合料保留OGFC原有的功能特性，同時又具有較好的力學特性。

研究人員針對馬歇爾成型參數對材料特性、試驗環境、級配、瀝青用量等做了大量的分析，如通過改變馬歇爾成型溫度適應不同強度的集料，從而能夠得到穩定的混合料內部集料接觸結構；成型溫度對普通瀝青、改性瀝青混合料的體積特性以及對混合料類型的影響；壓實過程中粗集料的堆移行為對瀝青混合料的影響，不同壓實方法對瀝青混合料性能的影響[6-8]。鄧乃銘[9]研究了試件制作過程中各因素對瀝青混合料空隙率的影響。在功能性瀝青混合料方面上，張炯[10]等針對透水瀝青混凝土滲透性能及堵塞行為進行了研究；卓浩[11]、胡愛兵等[12]基于SWMM(storm water management Model)模型對LID(low impact development)設施布局的影響進行分析。基于以上問題，針對瀝青混合料馬歇爾試件擊實成型方法加以進一步的研究，在OGFC/AC結構設計中，在保證上下兩層層間連接強度的條件下，同時保證上層OGFC瀝青層的空隙率來確保其功能性，研究采用不同擊實次數組合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)的擊實形式[13-14]，分別在25、60 ℃條件下對不同擊實次數組合下的試件進行了馬歇爾試驗。同時研究基于數據擬合分析對不同擊實次數組合下混合料的穩定性影響進行分析。

1 原材料及配合比設計

1.1 瀝青

試驗采用SBS改性瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE 20—2011)[15]中的規定進行試驗，其各項性能指標如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能指標

1.2 集料

試驗采用AC-13、AC-16、OGFC-13、OGFC-16級配。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[16]中的規定進行試驗，集料的技術指標如表2所示。

表2 集料技術指標

1.3 配合比設計

試驗采用的礦料級配參照級配范圍要求中值及結合工程實際應用的經驗，確定集料級配。根據研究結果及工程實踐經驗，選取AC-13、AC-16、OGFC-13(空隙率21%)、OGFC-16(空隙率21%)。四種混合料集料級配曲線如圖1所示。根據馬歇爾試驗所確定的4種瀝青混合料的最佳油石比分別為5.4%、5%、4.3%、4.0%。

圖1 集料級配曲線

1.4 試件制備

試驗仿照連續攤鋪施工工藝制備雙層功能性瀝青混合料馬歇爾試件，先拌合好下層瀝青混合料(AC-13或AC-16)，隨后拌和上層瀝青混合料(OGFC-13 或OGFC-16)。最后對整體進行擊實得到雙層功能性瀝青混合料馬歇爾試件(圖2)。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[15]中的規定，單層OGFC瀝青混合料馬歇爾試件應雙面擊實50次，單層AC瀝青混合料馬歇爾試件應雙面擊實75次[8]。為了更好地研究擊實次數對雙層功能性瀝青混合料的影響，采用不同擊實次數組合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)進行試件的擊實。

圖2 雙層功能性瀝青混合料馬歇爾試件

2 試驗結果與分析

2.1 馬歇爾試驗結果與分析

分別在25、60 ℃條件下對不同擊實次數組合下的雙層功能性瀝青混合料試件進行了馬歇爾試驗。將得到的試驗結果進行對比分析，試驗結果如表3所示。從表3可以看出，無論哪種擊實次數組合，雙層功能性瀝青混合料滿足規范所規定的OGFC混合料技術的要求。且OGFC+AC組合的穩定度、流值試驗結果優于單層OGFC瀝青層。

表3 馬歇爾試驗結果

由圖3可以看出，在不同擊實次數組合下，密度、空隙率符合與擊實次數的一般規律，試件的密度隨著擊實次數的增加逐漸增大，試件的空隙率隨著擊實次數的增加逐漸減小。此外，隨著擊實次數的增加雙層功能性瀝青混合料兩層間層間連接逐漸密實、層間連接效果更好，所測得的穩定度隨著擊實次數的增加而逐漸增大且無論在25、60 ℃條件下穩定度的峰值均出現在75×75擊實次數組合條件下。對比雙層功能性瀝青混合料在25、60 ℃條件下穩定度，明顯觀察到雙層功能性瀝青混合料在 25 ℃ 條件下所測得的穩定度大大優于60 ℃條件下的穩定度，25 ℃條件下的穩定度平均約為60 ℃條件下穩定度的4.34倍。其主要原因是在25 ℃條件下瀝青混合料受溫度影響較小，瀝青與集料之間的黏結力受到的水和溫度影響較小，試件整體仍處于一個密實、黏結性較強的狀態。

圖3 密度、空隙率、穩定度、流值與擊實次數的關系

2.2 數據擬合分析

圖4 25、60 ℃條件下穩定度對比

為了進一步確定擊實次數對雙層功能性瀝青混合料穩定性的影響，將25、60 ℃條件下穩定度進行數據擬合，研究分析穩定度與擊實次數之間的關系。為明確表達擊實次數的影響，將不同擊實次數組合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)以擊實次數之和的方式記錄，分別為100、120、150、125、135。

由圖5可知，擊實次數對于雙層功能性瀝青混合料有較大的影響，雙層功能性瀝青混合料穩定度隨著擊實次數的遞增而逐漸增加，有明顯變化。由表4中的回歸方程以及R2來看，OGFC-13+AC-13與OGFC-16+AC-16級配組合在25、60 ℃條件下穩定度與擊實次數的關系與多項式函數擬合較好。

圖5 25、60 ℃條件下穩定度數據擬合分析

表4 回歸方程與R2

3 結論

(1)在采用SBS改性瀝青的條件下，雙層功能性瀝青混合料的馬歇爾穩定度明顯優于單層OGFC 性能。且試驗所測得的25 ℃條件下的馬歇爾穩定度平均約為60 ℃條件下馬歇爾穩定度的4.34倍。

(2)不同擊實次數組合下的馬歇爾試件的密度、空隙率的變化都符合一般規律。僅針對瀝青混合料的穩定性而言，OGFC/AC的結構組成的穩定度明顯較單一層有很大的提高，其可能原因是上層OGFC混合料與下層AC混合料相互結合形成良好的層間連接，但實際情況仍需對雙層功能性瀝青混合料的層間連接情況進行細觀研究。

(3)在相同的實驗環境下，當擊實次數組合之和開始遞增，雙層功能性瀝青混合料的穩定度也隨之遞增。兩種級配的雙層功能性瀝青混合料在25、60 ℃條件下與擊實次數的關系經數據擬合滿足多項式關系，且擬合效果較好。