基于高溫性能的瀝青混合料瀝青膜厚度確定與驗(yàn)證

范人杰

（金華市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 金華 321117）

0 引言

瀝青路面已成為國(guó)內(nèi)外主流路面結(jié)構(gòu)形式，但是瀝青高溫車轍問題一直未得到解決，導(dǎo)致大量經(jīng)濟(jì)與資源浪費(fèi)[1]。已有研究人員表明瀝青混合料中自由瀝青含量對(duì)瀝青混合料抗車轍性能有不利影響[2-3]，這是由于高溫狀態(tài)下自由瀝青的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致集料錯(cuò)位流動(dòng)。因此，合理控制自由瀝青含量或許是提升瀝青混合料高溫性能的有效途徑[4]。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用韓國(guó)雙龍牌70 號(hào)道路石油瀝青，其技術(shù)性質(zhì)符合規(guī)范要求。粗集料采用乾縣鑫源石料廠生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，分為19～26.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm 四檔，其技術(shù)性質(zhì)符合規(guī)范要求。細(xì)集料采用西咸高速自建料場(chǎng)生產(chǎn)的0～2.36mm 機(jī)制砂，其技術(shù)性質(zhì)符合規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)定進(jìn)行。

1.2.2 車轍試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行，荷載為0.7MPa，試驗(yàn)溫度為60℃。

1.2.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

本文采用單軸貫入試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度[5]。單軸貫入強(qiáng)度按式（1）計(jì)算。

式（1）中：τd為抗剪強(qiáng)度（MPa）；P為試件破壞時(shí)最大荷載（N）；?為試件直徑。

2 瀝青膜厚度計(jì)算方法

2.1 比表面積計(jì)算方法

2.1.1 粗集料比表面積

本文采用YXLON.CT 型CT 掃描儀進(jìn)行粗集料比表面積的測(cè)試。不同密度的物體具有不同級(jí)別的灰度，依據(jù)這一特性在進(jìn)行比表面積測(cè)試的過程中，用紙將所測(cè)石料包裹，把石料與石料之間隔開，產(chǎn)生一定的密度差，后期通過軟件對(duì)掃描圖片進(jìn)行處理，去除掉灰度值較低的部分，即可得到集料的掃描結(jié)果，具體操作如下。

（1）取樣。

取樣和試驗(yàn)方法是集料比表面積變異性的主要原因之一，因此為了解和減小測(cè)試結(jié)果的變異性，需要嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的要求進(jìn)行取樣。

（2）篩分。

將取好的各檔集料用四分法進(jìn)行縮分，逐檔篩分，得 到2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm 和19～26.5mm 不同粒徑的粗集料。

（3）制備樣品。

從6 檔不同粒徑粗集料中取出若干塊石料，用紙將每塊石料包裹3 層，保證石料與石料之間不接觸并擁有一定間隔距離，為后期圖像處理做準(zhǔn)備。

（4）掃描。

將包裹好的各檔石料裝入盒中，放入CT 儀中進(jìn)行掃描，等待輸出掃描結(jié)果。

（5）圖像處理。

應(yīng)用圖像處理軟件對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行處理，去除灰度值較低的部分，從而得到所需集料的掃描結(jié)果，通過計(jì)算軟件可分別得到每塊石料的比表面積與體積。

根據(jù)CT 掃描結(jié)果顯示，2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm 以及19～26.5mm 的6 檔不同粒徑的粗集料所對(duì)應(yīng)的比表面積分別為0.19m2/kg、0.23m2/kg、0.37m2/kg、0.53m2/kg、0.78m2/kg 和1.64m2/kg。

2.1.2 細(xì)集料比表面積

采用Blaine 方法測(cè)試細(xì)集料比表面積，測(cè)試過程如下：

（1）取料與制樣：按規(guī)范篩取預(yù)測(cè)試樣后，將試樣置于110±5℃烘箱中烘干后冷卻至常溫，然后倒入密閉容器中，搖晃至成團(tuán)試樣震碎。打開瓶蓋后攪拌，使表面細(xì)粉分布到整個(gè)試樣中。

（2）試樣密度的測(cè)定：將粉體材料裝入有一定量液體介質(zhì)的李氏瓶?jī)?nèi)，保證溫度恒定的情況下，利用物理原理計(jì)算試樣密度。

（3）儀器校正：檢查Blaine 比表面積測(cè)試儀的各個(gè)部分，保證其滿足規(guī)范要求，檢查儀器的密封性。

（4）標(biāo)定試料層體積：利用水銀代替法計(jì)算試料層體積。

（5）矯正試驗(yàn)儀器，使標(biāo)準(zhǔn)樣品始終保持與室溫相同。

（6）制備試料層：稱取一定量的試驗(yàn)，通過透氣筒上的穿孔板導(dǎo)入筒中，使式樣層表面平坦。放入一片濾紙，用搗器均勻搗實(shí)試料。

（7）測(cè)定K 值：按照儀器要求說明，將所需參數(shù)輸入儀器中，開啟儀器測(cè)定并記錄K 值。

（8）計(jì)算試樣的比表面積。

采用Blaine 方法測(cè)試，＜0.075mm 和0.075～0.15mm 比表面積分別為155.3m2/kg、50.6m2/kg。

2.2 瀝青膜厚度計(jì)算方法

具體計(jì)算過程如下：

首先，按式（2）計(jì)算礦料混合料的合成毛體積相對(duì)密度γsb：

式（2）中：γsb為礦料合成毛體積密度；P為各種礦料成分的配比，其和為100；γ為各種礦料相應(yīng)的毛體積密度。

其次，按式（3）計(jì)算礦料的有效相對(duì)密度：

式（3）中：γse為合成礦料的有效相對(duì)密度；Pb為試驗(yàn)采用的瀝青用量；γt為實(shí)測(cè)混合料的最大相對(duì)密度，無量綱；γb為25℃下瀝青相對(duì)密度，無量綱。

再次，按式（4）、式（5）計(jì)算有效瀝青含量：

式（4）～式（5）中：Pba為被集料吸收的瀝青比例（%）；Pbe為瀝青混合料中的有效瀝青含量（%）；Ps為各種礦料占瀝青混合料總質(zhì)量的百分率之和（%）。

最后，將上式中Pbe和集料比表面積SA 代入式（6），即可求得瀝青膜厚度DA。

3 瀝青膜厚度對(duì)高溫性能的影響

選取的瀝青膜厚度分別為3.8μm、4.1μm、4.4μm、4.7μm、5.0μm，由2.2 節(jié)反算油石比為3.4%、3.7%、4.0%、4.3%、4.6%，分別成型馬歇爾試件和車轍板，進(jìn)行性能試驗(yàn)，其結(jié)果見圖1。

由圖1可知，瀝青混合料的密度、穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度隨瀝青膜厚度的增加先后出現(xiàn)峰值。由圖1（a）可知，瀝青混合料密度最大時(shí)，瀝青膜厚度為4.4μm；由圖1（b）可知，瀝青混合料的穩(wěn)定度最大時(shí)，瀝青膜厚度為4.5μm；由圖1（c）可知，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大時(shí)，瀝青膜厚度為4.2μm；由圖1（d）可知，瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度最大時(shí)，瀝青膜厚度為4.5μm。

綜合考慮，當(dāng)瀝青膜厚度為4.4μm 時(shí)，瀝青混合料的密度和抗剪強(qiáng)度最大，動(dòng)穩(wěn)定度和穩(wěn)定度也處在較高的水平。因此，確定當(dāng)瀝青膜厚度為4.4μm 時(shí)，高溫性能最優(yōu)[6]。

4 瀝青混合料性能驗(yàn)證

4.1 瀝青膜厚度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中比表面積系數(shù)，計(jì)算得到集料的比表面積，結(jié)果見表1。

表1 規(guī)范集料比表面積系數(shù)

將各檔料的比表面積相加，得到集料的比表面積5.02m2/kg。

根據(jù)公式（7），以6～8μm 反算混合料最佳油石比。

式（7）中：γb為1.03g/cm3；SA 為5.02m2/kg。

計(jì)算有效瀝青用量為3.1%～4.1%，對(duì)應(yīng)油石比為4.0%～4.3%。

4.2 路用性能對(duì)比

將兩種方法計(jì)算結(jié)果與馬歇爾設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：CT&Blaine 方法推薦最佳膜厚對(duì)應(yīng)的油石比范圍為4.0%～4.3%；規(guī)范方法計(jì)算油石比范圍為3.3%～4.3%；馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定最佳油石比為4.0%。

從結(jié)果可以看出，規(guī)范方法計(jì)算的油石比范圍較為寬泛，包含了最佳油石比及其附近的較大范圍；CT&Blaine 方法計(jì)算的最佳油石比范圍較小，準(zhǔn)確度更高，結(jié)果更加可靠。將馬歇爾設(shè)計(jì)方法和CT&Blaine 方法確定的混合料最佳油石比進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。

表2 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

從表2可以看出，采用瀝青膜厚度計(jì)算方法確定的最佳油石比為4.2%，比馬歇爾方確定的最佳油石比4.0%提高了5%，密度降低了0.4%，VV 降低了7%。

通過室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證兩種方法確定的混合料路用性能，結(jié)果見表3。

表3 不同方法確定的混合料路用性能

從表3中可以看出，CT&Blaine 方法確定的油石比較傳統(tǒng)馬歇爾設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的AC-20 瀝青混合料抗剪強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度、穩(wěn)定度分別提高4%、8%和2%。

5 結(jié)論

第一，研究了瀝青膜厚度對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響，瀝青混合料的穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度隨瀝青膜厚度的增加出現(xiàn)峰值，當(dāng)膜厚為4.4μm 時(shí)高溫性能相對(duì)較好。

第二，基于瀝青膜厚度計(jì)算油石比的瀝青混合料，比傳統(tǒng)馬歇爾設(shè)計(jì)方法抗剪強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度、穩(wěn)定度分別提高4%、8%和2%，具有更好的高溫性能。