砂粒式瀝青混凝土的路用性能研究

丁 顥

（山西省公路工程監(jiān)理技術(shù)咨詢有限公司，山西太原 030006）

0 引言

砂粒式瀝青混凝土是指最大粒徑不超過5 mm 的瀝青混凝土[1]，通常被用作路面坑槽修補(bǔ)、微表處、抗滑磨耗層、薄層罩面等，是一種良好的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料。

砂粒式瀝青混凝土具有良好的黏彈性和抗滑性能，其路用性能的研究是砂粒式瀝青混凝土作為路用材料應(yīng)用的關(guān)鍵[2-3]。砂粒式瀝青混凝土的路用性能主要包括三點(diǎn)彎曲、間接拉伸、穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和疲勞壽命[4]。砂粒式瀝青混凝土作為路面材料應(yīng)用時(shí)，其主要受到動(dòng)態(tài)荷載持續(xù)作用，因此，砂粒式瀝青混凝土動(dòng)態(tài)路用性能的評價(jià)異常重要[5]。三點(diǎn)彎曲和疲勞壽命是瀝青路面設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)，是路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)收的基本依據(jù)，其重要性不言而喻[6]。砂粒式瀝青混凝土的穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度是評價(jià)其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，是路用性能評價(jià)時(shí)必不可少的檢測指標(biāo)[7]。對于瀝青混凝土的路用性能，國內(nèi)外學(xué)者通常采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行砂粒式瀝青混凝土路用性能的評價(jià)。如葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司崔培強(qiáng)[8]等利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對橡膠瀝青透水混凝土的路用性能進(jìn)行了評價(jià)，發(fā)現(xiàn)顆粒化橡膠粉的加入會(huì)顯著增加瀝青混合料的浸水穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度，使路用性能顯著提升。中交路橋華南工程有限公司萬寧等[9]借助萬能材料試驗(yàn)機(jī)對聚氨酯/環(huán)氧樹脂改性瀝青混合料路用性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)聚氨酯/環(huán)氧樹脂會(huì)使瀝青混凝土馬歇爾動(dòng)穩(wěn)定度增加2～6 倍，且會(huì)大幅提升瀝青混凝土的高溫抗車轍性能。雖然目前有大量針對瀝青混凝土路用性能的評價(jià)研究，但是利用正交試驗(yàn)方法研究多因素耦合作用下砂粒式細(xì)集料瀝青混凝土的路用性能卻鮮有報(bào)道。

砂粒式瀝青混凝土的路用性能受溫度、壓力和輻照等多重因素的影響，因此分析多因素耦合作用下砂粒式細(xì)集料瀝青混凝土的路用性能具有重要意義，本文利用正交試驗(yàn)方法分析上述因素對路用性能的影響程度，并評價(jià)其相關(guān)性。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用SBS 改性瀝青，其25 ℃針入度為68 dmm，軟化點(diǎn)58 ℃，5 ℃延度42 cm。集料分別選用花崗巖、輝綠巖、煤矸石，其中花崗巖的表觀相對密度為2.651 2 g/cm3，輝綠巖的表觀相對密度為2.542 8 g/cm3，煤矸石的密度為2.756 2 g/cm3。礦粉填料優(yōu)選石灰石類型。

1.2 試驗(yàn)方法

統(tǒng)一花崗巖、輝綠巖、煤矸石3 種集料的合成級配，砂粒式瀝青混凝土級配具體如圖1 所示，油石比選用7.0。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試砂粒式瀝青混凝土的三點(diǎn)彎曲和動(dòng)態(tài)模量。采用馬歇爾壓力機(jī)測試砂粒式瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度。采用模型箱模擬砂粒式瀝青混凝土的高溫高壓輻照影響，其中溫度設(shè)定為60 ℃、壓力為2.1 MPa、輻照強(qiáng)度為56 W/m2。

圖1 砂粒式瀝青混凝土的級配曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對砂粒式瀝青混凝土路用性能的主要影響因素進(jìn)行匯總并擇優(yōu)選取不同集料、溫度、壓力、輻照強(qiáng)度4 個(gè)關(guān)鍵因素。因素水平為集料類型（花崗巖、輝綠巖、煤矸石）、溫度（-10 ℃，25 ℃，60 ℃）、壓力（1 MPa，2 MPa，2.1 MPa）、輻照強(qiáng)度（0 W/m2，20 W/m2，56 W/m2）。根據(jù)試驗(yàn)變量和因素水平采用L9（34）正交表，如表1所示。

表1 砂粒式瀝青混凝土路用性能評價(jià)L（934）正交表

參照正交表進(jìn)行砂粒式瀝青混凝土間接拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。6 號(hào)樣品動(dòng)態(tài)模量最大，其次為1號(hào)樣品，5 號(hào)樣品動(dòng)態(tài)模量最小，所用試驗(yàn)條件對砂粒式瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量的影響最大。

表2 砂粒式瀝青混凝土間接拉伸試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)模量 單位：MPa

借助極差分析評價(jià)砂粒式瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量影響因素的主次順序。由表3 可知，不同溫度下砂粒式瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量極差最大，為3 600 MPa；不同壓力和輻照強(qiáng)度下砂粒式瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量極差居中，分別為2 603 MPa 和3 020 MPa。結(jié)果表明：溫度、壓力和輻照強(qiáng)度對砂粒式瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量的影響順序?yàn)椋簻囟龋据椪諒?qiáng)度＞壓力。

2.2 輻照強(qiáng)度對砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度的影響

如圖2 所示，輻照強(qiáng)度對砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度有顯著影響，當(dāng)輻照強(qiáng)度升高至20 W/m2時(shí)，砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度減小。具體表現(xiàn)為：當(dāng)輻照強(qiáng)度由0 W/m2上升至20 W/m2時(shí)，輝綠巖和煤矸石砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度變化不大，而花崗巖砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度變化較大；當(dāng)輻照強(qiáng)度升高至56 W/m2時(shí)，砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)顯著變化，這表明砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度具有選擇性。由此可知，輻照強(qiáng)度對砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度具有顯著影響。

圖2 砂粒式瀝青混凝土的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度

2.3 高溫高壓輻照多因素對砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度的影響

如表4—表6 所示，低溫和高壓均會(huì)使花崗巖砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度降低，室溫下花崗巖砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度最高。高溫對花崗巖砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度影響最嚴(yán)重，室溫對花崗巖砂粒式瀝青混凝土影響最小。高溫會(huì)使花崗巖砂粒式瀝青混凝土的路用性能降低，高壓、輻照均可使花崗巖砂粒式瀝青混凝土的路用性能增加。

表4 -10 ℃花崗巖砂粒式瀝青混凝土的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度 單位：MPa

表5 25 ℃花崗巖砂粒式瀝青混凝土的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度 單位：MPa

表6 60 ℃花崗巖砂粒式瀝青混凝土的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度 單位：MPa

2.4 砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度對比分析

如圖3、圖4 所示，對比不同溫度、輻照作用下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度結(jié)果發(fā)現(xiàn)，砂粒式瀝青混凝土間接拉伸模量和三點(diǎn)彎曲模量相差不大，高溫條件下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸模量和三點(diǎn)彎曲模量擬合度最好，其次為低溫條件下砂粒式瀝青混凝土，室溫條件下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點(diǎn)彎曲模量擬合度最差。對比不同輻照下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高光下砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度更趨近于低壓砂粒式瀝青混凝土間接拉伸強(qiáng)度，且砂粒式瀝青混凝土強(qiáng)度隨著壓力的增加呈現(xiàn)出下降趨勢，但曲線線型較好，擬合度好。結(jié)果表明，砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度存在一定的擬合度。

圖3 不同溫度作用下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度對比

圖4 不同輻照作用下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度對比

利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法T 檢驗(yàn)對砂粒式瀝青混凝土路用性能進(jìn)行分析，結(jié)果如表7 所示。砂粒式瀝青混凝土間接拉伸模量和三點(diǎn)彎曲模量T 檢驗(yàn)的p值均小于0.005，其中三點(diǎn)彎曲的均值、T 統(tǒng)計(jì)量大于間接拉伸。結(jié)果表明，在指定置信區(qū)間內(nèi)，砂粒式瀝青混凝土的路用性能存在一定的關(guān)聯(lián)性。

表7 數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.5 砂粒式瀝青混凝土穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度

砂粒式瀝青混凝土穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)方法依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2019 進(jìn)行。砂粒式瀝青混凝土穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度結(jié)果如圖5 所示，花崗巖砂粒式瀝青混凝土的穩(wěn)定度最大，為11.8 kN，輝綠巖瀝青混合料的穩(wěn)定度其次，煤矸石砂粒式瀝青混凝土的穩(wěn)定度最小。

圖5 砂粒式瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度

由此可知，花崗巖砂粒式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性最好，其次是輝綠巖砂粒式瀝青混凝土，最后才是煤矸石砂粒式瀝青混凝土。砂粒式瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果顯示，輝綠巖和煤矸石砂粒式瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度較大，水穩(wěn)定性較好，而花崗巖砂粒式瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度較小，水穩(wěn)定性則較差。穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

借助萬能材料試驗(yàn)機(jī)對砂粒式瀝青混凝土進(jìn)行三點(diǎn)彎曲、間接拉伸、穩(wěn)定度等路用性能研究，得出以下結(jié)論：

a）溫度、壓力和輻照強(qiáng)度對砂粒式瀝青混凝土間接拉伸強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋簻囟龋据椪諒?qiáng)度＞壓力。

b）低溫、高壓均會(huì)使砂粒式瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度降低，路用性能也降低。

c）在指定置信區(qū)間內(nèi)，砂粒式瀝青混凝土的路用性能存在一定的關(guān)聯(lián)性。