集料粒徑對瀝青混凝土性能影響規律研究

李 強,李志亮

中國葛洲壩集團第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

目前,全國公路總里程超過528萬km,作為最基礎、最廣泛的交通基礎設施,在綜合交通運輸體系中具有不可替代的作用。為提高抵抗行車和自然因素對公路損害的能力,往往選擇鋪設瀝青混凝土路面,因此瀝青混凝土性能的優化設計成為領域熱點研究的問題之一[1]。

瀝青混凝土結構具有強度高、整體性好、適應性強的特點,因此在國內外具有廣泛的運用,我國最早于20世紀20年代在上海鋪設瀝青路面[2-3]。大量學者對其物理力學特性開展研究,譚憶秋 等[4-5]通過顆粒干涉對細觀結構的影響進行研究,并結合數字圖像處理技術發現AC瀝青混合料空間分布的均勻性最好。李漢光 等[6]通過對不同類型的混合料進行室內馬歇爾試驗,得到不同類型混合料室內密實所需的能量,發現同種瀝青混合料達到密實所需的能量基本相同,AC密級配瀝青混合料的壓實性能較好,而Superpave骨架型瀝青混合料難以被壓實。蔡唐濤[7]分析了瀝青加熱溫度、集料加熱溫度、混合料的拌和溫度、拌和時間和成形溫度等因素對橡膠混合料成形效果的影響,陳紹偉[8]通過試驗獲得車轍深度隨荷載作用次數的變化曲線,并建立APA車轍試驗的溫度影響回歸模型。

綜上所述,目前更多的研究集中于改性和環境因素對瀝青混凝土性能的影響,集料粒徑對瀝青混凝土性能的影響還有待進一步研究。因此,本文制備了16、20、25 mm三種最大公稱粒徑等級集料的瀝青混凝土,探究了集料粒徑對最佳油石比、馬歇爾試驗指標和抗車轍能力的影響規律。

1 材料特性及試驗方案

1.1 材料特性

1.1.1 瀝青

瀝青采用宜昌市某交通開發有限公司生產的瀝青。瀝青試驗嚴格按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[9]的要求和方法進行,試驗結果見表1。所檢指標均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[10]中相應技術要求。

表1 70#A級道路瀝青性能指標

1.1.2 礦物集料

細、粗集料分別采用0～4.75 mm的機制砂和4.75～9.5、9.5～16.0和19～31.5 mm的人工碎石,其中礦粉采用鐘祥市某礦粉有限責任公司生產的礦粉。按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》[11]的要求和方法對各礦料的技術指標進行檢測,檢測結果見表2～4,可知礦料的特性滿足指標要求。

表2 粗集料技術指標

表3 細集料技術指標

根據篩分試驗結果進行級配合成,合成后不同最大粒徑等級集料級配曲線如圖1所示。

圖1 不同最大粒徑等級集料級配曲線

1.2 試驗方案

瀝青混合料最佳油石比確定的常用方法有馬歇爾試驗法、Superpave 法、GTM 法和力學指標法。其中,馬歇爾試驗法和Superpave法憑借對瀝青性能的全面考慮及良好的實踐效果被廣泛采用[1,3]。這2種方法本質基本相同,在最佳油石比確定過程中均側重于根據體積指標確定,區別在于試件成型方法不同。馬歇爾試驗法通過在標準環境下擊實成型馬歇爾試件,繪制油石比與瀝青混合料關鍵指標的關系曲線并確定最佳油石比。本試驗設定4%、4.5%、5%和5.5%這4組油石比。

馬歇爾試件的技術指標受試驗條件的影響較大,在制定指標時首先應對試驗條件進行統一的要求才能保證該地區各個項目對指標應用的一致性。在制作瀝青混合料馬歇爾成型試件時,礦料加熱溫度控制在170～175 ℃,瀝青混合料拌和溫度控制在160～170 ℃,試件擊實成型溫度在160～165 ℃。為了最大限度地減少試驗過程的誤差影響,每組試件采用小型瀝青混合料拌和機逐個拌和制備3個,結果取3組試驗的平均值。

2 混合料粒徑對最佳油石比及馬歇爾試驗指標的影響

對16、20、25 mm三種最大公稱粒徑等級集料的瀝青混凝土進行馬歇爾試驗,得到毛體積密度、穩定度、流值、瀝青飽和度、礦料間隙率和空隙率等8項馬歇爾體積指標隨油石比的變化規律,如圖2～7所示。

圖2 毛體積密度隨油石比變化規律 圖3 穩定度隨油石比變化規律

圖4 流值隨油石比變化規律 圖5 瀝青飽和度隨油石比變化規律

圖6 礦料間隙率隨油石比變化規律 圖7 空隙率隨油石比變化規律

由圖2和圖3分析可知,毛體積密度和穩定度隨油石比非線性變化,存在明顯的峰值拐點。其中最大公稱粒徑越小,其毛體積堆積密度越大,穩定度隨最大公稱粒徑增大,并沒有良好的對應關系。此外,不同最大公稱粒徑等級對應的毛體積密度最優油石比存在顯著差異,16 mm和20 mm的最優油石比為4.5%,而25 mm對應的最優油石比為4.0%。這與穩定度對應的最優油石比的結論相同。

根據圖4～6分析可知,不同最大公稱粒徑等級對應的流值、瀝青飽和度和礦料間隙率均隨油石比增大而增大,但不同最大公稱粒徑的增長趨勢存在一定的差別。相同油石比下,基本滿足粒徑等級越大,流值越高,礦料間隙率越大,僅粒徑20 mm、油石比4.5%時的流值與粒徑20 mm、油石比3.5%的礦料間隙率存在一定的偏差。然而,各油石比下瀝青飽和度并不滿足粒徑等級越大,瀝青飽和度越大的規律,即25 mm粒徑下的瀝青飽和度并非最大,最大瀝青飽和度對應的粒徑為20 mm。

圖7給出了3組最大公稱粒徑等級的瀝青混凝土空隙率隨油石比的變化規律,隨著油石比的增大空隙率均呈現顯著降低的趨勢,這與毛體積密度、穩定度、流值、瀝青飽和度、礦料間隙率隨油石比變化截然不同。但是相同油石比時各最大公稱粒徑等級之間的空隙率存在一定的差異,基本遵循最大公稱粒徑等級越大,空隙率越小的規律。

3 混合料粒徑對抗車轍能力的影響

瀝青路面車轍病害的力學機理為剪切流動,車轍試驗能夠有效評估瀝青混合料的高溫性能,該試驗較好模擬了車輛行駛時對路面的作用[11],用于評價高溫穩定性比較有說服力。根據3種粒徑等級下的最優油石比在溫度(60±1) ℃、輪壓(0.7±0.05) MPa的試驗條件下進行車轍試驗,以檢驗瀝青混合料的高溫穩定性,車轍板尺寸為300 mm×300 mm×50 mm,動穩定度試驗結果如表4所示。

表4 三種粒徑等級下動穩定度測試結果

表4 礦粉技術指標

根據表4分析可知,相同試驗條件下,隨著最大公稱粒徑等級的增大,動穩定度逐漸增大,16、20、25 mm三種最大公稱粒徑等級集料瀝青混凝土的動穩定度分別為2 314 mm/次、2 337 mm/次和2 355 mm/次,但總體上差異并不顯著,說明最大公稱粒徑越大,瀝青混凝土路面的抗動荷載能力越好,高溫穩定性越強。主要原因在于空隙壓密變形轉變為瀝青層的剪切變形,并且此時瀝青混凝土結構產生的車轍大部分為剪切失穩型車轍。此外,車轍變形程度與荷載作用時間、荷載等級均呈遞增關系。

4 結論

本文對16、20、25 mm三種最大公稱粒徑等級集料的瀝青混凝土開展了馬歇爾試驗和車轍試驗,探究了集料粒徑對最佳油石比、馬歇爾試驗指標和抗車轍能力的影響規律,主要結論如下。

1)毛體積密度和穩定度隨油石比非線性變化,相同油石比下,隨最大公稱粒徑減小,其毛體積堆積密度越大,但最大公稱粒徑與穩定度并沒有良好的對應關系。

2)不同最大公稱粒徑等級對應的流值、瀝青飽和度和礦料間隙率均隨油石比增大而增大,但隨著油石比的增大,空隙率均呈現顯著降低的趨勢,但不同最大公稱粒徑的增長或降低趨勢存在一定的差別。

3)相同試驗條件下,隨著最大公稱粒徑等級的增大,動穩定度逐漸增大,抗動荷載能力越好,高溫穩定性越強。