逐級嵌擠型瀝青混合料設計及性能驗證

朱慧芳 周旋燁 張素敏

摘要 文章以集料承載比為評價指標，提出基于多級嵌擠理論和強度最優原則的瀝青混合料級配優化設計方法，對逐級嵌擠型瀝青混合料中的集料級配進行逐級填充試驗，確定不同粒徑集料的最優摻配比例，并依據現有方法確定目標級配下最佳瀝青用量。結合黃衢南高速公路路面養護工程的應用實例，并對高溫穩定、疲勞抗裂、抗滑等路用性能進行驗證和對比分析。

關鍵詞 逐級嵌擠；級配設計；集料承載比；性能驗證

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0044-03

0 引言

黃（黃山）衢（衢州）南（南平）高速公路即京臺（G3）高速公路浙江段，是浙江、安徽和福建三省的省際重要通道。由于通車年限較久，路面功能性指標存在較為明顯的衰減，亟須實施針對性的薄層加鋪，維持路況水平和延長路面使用壽命。

研究表明，嵌擠密實型級配結構相對穩定，各項性能較為均衡，能夠顯著增強路面的耐久性和路表功能[1]。因此，該研究項目在開展逐級嵌擠型瀝青混合料配合比設計和研究的基礎上，將該混合料應用于黃衢南高速公路的路面預防性養護中，并對實施后路用性能進行跟蹤評價和對比分析。

1 基于強度最優原則的級配設計

1.1 粗集料級配設計

在瀝青混合料組成中，作為骨架的粗集料能否形成較為穩定的嵌擠結構，對整體性能的優劣有著至關重要的影響[2]。根據不同粒徑粗集料的逐級填充試驗結果，得出不同填充比例下的承載比值曲線變化規律，進行粗集料級配設計。

1.1.1 粗集料一級填充

將7.2～9.5 mm和4.75～7.2 mm兩檔粗集料按九種不同摻配比例，分別取料，拌和均勻，搗實后進行承載比試驗。不同摻配比例下試驗結果見圖1。

隨著7.2～9.5 mm摻配比例的變化，承載比CBR出現較大的波動，表明級配組成對礦料整體強度影響較大。

承載比CBR變化曲線出現兩處峰值，第一處峰值在7.2～9.5 mm比例為70%，承載力主要由含量較多的7.2～

9.5 mm集料提供，4.75～7.2 mm集料主要起填充效果。隨著7.2～9.5 mm比例的下降，兩檔粗集料發生干涉現象，導致承載比下降，集料間干涉強度達到最大值出現在7.2～9.5 mm比例為50%時。當7.2～9.5 mm比例進一步下降，干涉現象消失，承載比在7.2～9.5 mm比例為70%時出現第二處峰值，此時4.75～7.2 mm集料代替7.2～9.5 mm

集料，成為承載力主體。

根據粗集料一級填充曲線變化規律，7.2～9.5 mm集料比例為30%和70%為最優摻配比例。

1.1.2 粗集料二級填充

根據粗集料一級填充試驗結果，將7.2～9.5 mm和4.75～7.2 mm兩檔集料分別按6∶4和3∶7的比例，配制出兩種4.75～9.5 mm集料與2.36～4.75 mm集料再進行填充試驗，作為粗集料的二級填充試驗，試驗結果見圖2。

隨著4.75～9.5 mm摻配比例的變化，與一級填充下變化曲線相似，當摻配比例為80%時，承載比出現峰值，表明此時粗集料的骨架結構最為穩定。

進一步對比兩種4.75～9.5 mm集料的承載比的峰值大小，7.2～9.5 mm∶4.75～7.2 mm為6∶4的承載比峰值達到了28，遠高于7∶3時的峰值，表明按6∶4摻配出的4.75～9.5 mm集料更優。

綜上所述，以集料承載比為評價指標，根據不同粒徑粗集料逐級填充試驗結果，各檔粗集料最優摻配比例為7.2～9.5 mm∶4.75～7.2 mm∶2.36～4.75 mm=48∶32∶20。

1.2 細集料及填料配比設計

在瀝青混合料礦料級配中，細集料主要用于填充至粗集料骨架中，提高混合料的密實程度，從而增強整體穩定性[3]。

細集料采用體積法進行填充設計，按公式（1）和（2）計算細集料的填充體積及質量：

按公式（3）計算細集料的間隙率VXA2：

在確定細集料參數的基礎上，按公式（4）和（5）計算填料的體積及質量：

2 最佳油石比的確定

以承載比試驗結果得出粗、細集料和填料的摻配比例為基礎，綜合考慮實際集料加工工藝和組成特點，得出的級配范圍見表1。

在目標級配下，對油石比為4.5%、5%、5.5%、6%和6.5%的混合料進行馬歇爾試驗，試驗結果見圖3。

根據馬歇爾試驗結果，在目標級配下，逐級嵌擠型瀝青混合料最佳油石比為5.7%，最大理論相對密度為2.487，毛體積相對密度為2.39，空隙率為3.9%。

3 路用性能驗證及對比分析

對逐級嵌擠型瀝青混合料路用性能進行性能驗證及對比分析，包括高溫穩定性能、疲勞抗裂性能、降噪性能以及抗滑性能。

3.1 高溫穩定性能驗證及對比分析

在車輛荷載的反復作用下瀝青路面會產生永久變形，尤其是在混合料高溫穩定性不足時尤為明顯。各級配類型瀝青混合料高溫穩定性（動穩定度）試驗結果見圖4。

在試驗溫度為60 ℃時，逐級嵌擠型瀝青混合料動穩定度超過10 000次/mm，試驗溫度70 ℃也能達到8 000次/mm，優良高溫穩定性突出，在70 ℃條件下的動穩定度與60 ℃條件下的SMA型相當。

3.2 疲勞抗裂性能驗證及對比分析

橫、縱疲勞裂縫類病害是瀝青路面最主要的損壞類型，因為疲勞抗裂性能是衡量瀝青路面耐久性能的重要指標之一。各級配類型瀝青混合料疲勞抗裂性能（彎曲疲勞次數）試驗結果見圖5。

在一般應變水平下，逐級嵌擠型瀝青混合料疲勞次數達到了26萬次，在較高應變水平疲勞次數也能達到了5萬次以上。逐級嵌擠型瀝青混合料疲勞次數在各應變水平下均高于其他級配類型瀝青混合料，尤其是在高應變水平下。

3.3 降噪性能驗證及對比分析

車內噪聲按聲源主要有車輛動力系統或車輛自身振動產生的噪聲和輪胎－路面噪聲兩種[4]。各級配類型瀝青混合料車內噪聲測試結果見圖6。

在100～120 km/h的行駛速度下，逐級嵌擠型瀝青混合料車內噪聲65～70 dB，車內噪聲雖高于具有吸聲效果的升級配OGFC型瀝青混合料，但在行駛過程中車輛自身振動較小，車內噪聲較SMA型和AC型降低了5～7 dB。

3.4 抗滑性能驗證及對比分析

采用灌砂法測定構造深度，用以評價抗滑性能[5]。各級配類型瀝青混合料構造深度檢測結果見圖7。

逐級嵌擠型瀝青混合料施工完成時，測定構造深度值為0.83 mm，與SMA型構造深度相當，優于AC型構造深度。從通車運營3個月后的構造深度檢測結果來看，逐級嵌擠型瀝青混合料相較其他類型級配混合料，整體結構被壓密和磨耗得更嚴重。

4 結論

該文基于集料嵌擠理論，以承載比為評價指標，進行級配優化設計，得出一種耐久型逐級嵌擠型瀝青混合料，相比于其他級配類型，具有更優耐久性能和路表功能，社會和經濟效益突出。

（1）三檔粗集料2.36～4.75 mm、4.75～7.2 mm和7.2～9.5 mm最優摻配比例為20∶32∶48。在此基礎上進行細集料及填料配比設計，得出逐級嵌擠型瀝青混合料目標級配。

（2）在目標級配下，根據馬歇爾試驗結果，確定了逐級嵌擠型瀝青混合料的最佳油石比為5.7%。

（3）對路用性能進行性能驗證及對比分析，逐級嵌擠型瀝青混合料的高溫穩定和疲勞抗裂性能優于其他級配類型瀝青混合料，同時降噪和抗滑性能也較好。

參考文獻

[1]陳忠達， 袁萬杰， 高春海. 多級嵌擠密實級配設計方法研究[J]. 中國公路學報， 2006（1）： 32-37.

[2]彭以舟， 張義和. 多級嵌擠理論子瀝青碎石路面的應用[J]. 公路， 2007（9）： 182-184.

[3]黎凱. 逐級嵌擠級配曲線分析及其路用性能研究[D]. 長沙：長沙理工大學， 2018.

[4]高越山. 瀝青路面表面特性對降噪的影響研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2015.

[5]梁昱維， 趙志強. 高速公路Novachip超薄磨耗層抗滑性能評價[J]. 現代交通技術， 2016（2）： 7-8+45.