瀝青混合料組成對(duì)路用性能的影響

張素云

（合肥工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 合肥 230051） （安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 合肥 230051）

國(guó)內(nèi)外大量研究與路面病害分析表明，車轍和水損害主要與中面層相關(guān)［1－4］.工程實(shí)踐也表明，隨著夏季高溫多雨、濕度偏大與重載車輛、渠化交通等因素的影響，AC－20瀝青混凝土結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)車轍和水損害問題.因此，中面層應(yīng)具有很強(qiáng)的高溫抗變形能力，以抵抗荷載的重復(fù)作用.國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究［5－6］，有力地提升了瀝青混合料設(shè)計(jì)水平，這些研究主要集中于表面層的原規(guī)范AC－16、AK－13型級(jí)配［7－8］，對(duì)研究常用于中面層的AC－20瀝青混合料組成設(shè)計(jì)與施工細(xì)節(jié)控制對(duì)路用性能的影響研究還較少.筆者在總結(jié)前人的研究成果和現(xiàn)行規(guī)范［9］級(jí)配的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究瀝青混合料組成對(duì)綜合路用性能的影響，以提高路面使用性能和耐久性.

1 基于瀝青混合料組成設(shè)計(jì)的優(yōu)化

1.1 試驗(yàn)原材料與設(shè)計(jì)

粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為礦粉，結(jié)合料為SBS I－D級(jí)改性瀝青，原材料技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求.采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，按照L25（5）6安排試驗(yàn)［10］，適當(dāng)放大文獻(xiàn)［9］級(jí)配下限值，盡可能將影響馬歇爾技術(shù)指標(biāo)的各因素列入其中，并考慮因素水平搭配組合時(shí)不出現(xiàn)負(fù)值，選取9.50，4.75，2.36，0.075mm篩孔通過率和油石比的5因素5水平（分別以A，B，C，D，E表示），見表1.

表1 正交設(shè)計(jì)（AC－20）因素水平

1.2 結(jié)果分析

按規(guī)程［11］要求成型瀝青混合料試件，擊實(shí)溫度為（163±2.5）℃，采用真空法實(shí)測(cè)理論最大相對(duì)密度，每組擊實(shí)有效試件6個(gè).由于極差分析中不能估計(jì)試驗(yàn)過程中必然存在誤差大小的缺點(diǎn)，本文同時(shí)采用方差分析對(duì)各因素的顯著性水平給出一個(gè)定量分析.方差分析結(jié)果如表2所列.

1）2種分析計(jì)算結(jié)果表明，空隙率和飽和度的影響因素大小排序?yàn)镈＞E＞A＞C＞B，E＞D＞A＞C＞B.其中，0.075，9.5和2.36mm通過率以及油石質(zhì)量比為顯著影響因子，而4.75mm通過率影響并不顯著.表明空隙率并沒有因?yàn)榧?jí)配區(qū)間變化越大而隨之發(fā)生較大變化，如0.075 mm篩孔通過變化只有4%，該水平下空隙率均值變化32.8%，據(jù)此可優(yōu)化確定滿足此類瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率為3%～6%和飽和度為65%～75%要求的各因素取值范圍：A為48%～62%，B為28%～45%，C為19%～28%，D為4.5%～7%，E為4.3%～4.7%.

表2 方差分析結(jié)果

2）影響馬歇爾穩(wěn)定度的因素大小排序?yàn)锳＞D＞C＞B＞E.除9.5mm通過率影響接近顯著外，其他因素影響不顯著，表明合理優(yōu)化9.5 mm通過率可顯著提高瀝青混合料的高溫承載力；間隙率和毛體積密度的影響因素大小排序?yàn)镈＞A＞C＞B＞E，D＞C＞A＞E＞B.說明優(yōu)化0.075mm和9.5mm通過率可顯著降低礦料間隙率.

綜上所述，影響馬歇爾技術(shù)指標(biāo)因素的極差和方差分析結(jié)果基本一致，表明試驗(yàn)結(jié)果并不是由于試驗(yàn)誤差引起的，而是因素本身對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響；優(yōu)化0.075，2.36和9.5mm通過率可有效降低空隙率水平和增大試件毛體積密度；毛體積密度和空隙率的影響因素排序不同，主要原因是混合料密度大小不僅取決于空隙率大小，一定程度上更取決于集料組成的空隙率大小，增大油石比可顯著降低空隙率，但并不能有效增大試件密度.建議優(yōu)化集料組成可顯著提高瀝青混合料組成設(shè)計(jì)水平.

2 瀝青混合料組成對(duì)TSR與DS的影響分析

施工中常因原材料技術(shù)質(zhì)量與施工施工工藝質(zhì)控制不夠嚴(yán)格而對(duì)路面內(nèi)在質(zhì)量造成較大影響，本文基于施工質(zhì)量過程控制，選取細(xì)集料砂當(dāng)量、填料類型、粉膠比和空隙率作為因素水平，采用L9（3）4安排試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表3.

先實(shí)測(cè)機(jī)制砂砂當(dāng)量，采用通過研磨并經(jīng)過0.075mm篩孔篩分，將小于0.075mm篩孔通過率的泥土作為配制表3設(shè)計(jì)要求的砂當(dāng)量使用；固定油石質(zhì)量比為4.3%，保持2.36mm篩孔通過率不變，調(diào)整礦粉和細(xì)集料，變化0.075mm篩孔通過率，依次得到粉膠質(zhì)量比為0.6，1.1，1.6；通過調(diào)整馬歇爾擊實(shí)次數(shù)得到不同空隙率水平.以凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）和動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)依據(jù)，每組試驗(yàn)有效試件4個(gè)，試驗(yàn)儀器為L(zhǎng)DR－2型瀝青混合料凍融劈裂儀，主要技術(shù)參數(shù)為最大荷載50kN，荷載范圍5～35kN，加載速率（50 ±5）mm／min.取4個(gè)試件平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，見表4，極差分析結(jié)果見表5.

表3 正交設(shè)計(jì)（AC－20）因素水平表

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

注：DS為動(dòng)穩(wěn)定度，mm／次；RT2為未凍融劈裂強(qiáng)度，MPa；RT1為凍融劈裂強(qiáng)度，MPa；TSR為凍融劈裂強(qiáng)度比.

表5 凍融劈裂強(qiáng)度和車轍極差分析結(jié)果

從表5分析可知：（1）未凍融和凍融劈裂強(qiáng)度的影響因素排序均為I＞F＞H＞G，表明空隙率和砂當(dāng)量均為水穩(wěn)定性的主要影響因素，空隙率由4.5%增至10%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度單調(diào)衰減46.2%；TSR的因素排序?yàn)镕＞I＞G＞H.表明凍融劈裂強(qiáng)度與TSR影響因素的影響程度不一致，TSR不僅取決于未凍融劈裂強(qiáng)度值，也取決于作為分母的凍融劈裂強(qiáng)度值，TSR增大仍存在凍融劈裂強(qiáng)度值小的問題.砂當(dāng)量由80%降至60%時(shí)，TSR衰減10.6%，但當(dāng)砂當(dāng)量由80%降低到40%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比單調(diào)降低27.3%.分析認(rèn)為，試件經(jīng)過3階段水循環(huán)后的凍融劈裂強(qiáng)度衰減主要取決于試件的內(nèi)在空隙率大小，空隙率越大，其衰減越明顯；（2）影響60℃動(dòng)穩(wěn)定度的因素排序?yàn)镮＞H＞G＞F.空隙率和粉膠質(zhì)量比較其他因素對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度有顯著影響，空隙率由4.5%增至10%，60℃動(dòng)穩(wěn)定度衰減34.2%；粉膠質(zhì)量比由0.6增加到1.6，60℃動(dòng)穩(wěn)定度增加29.5%.表明增大施工壓實(shí)度和適當(dāng)提高粉膠比有助于提高抗車轍性能.綜上所述，以TSR作為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合凍融劈裂強(qiáng)度值的大小綜合考慮，以提高路面的力學(xué)性能；砂當(dāng)量宜控制在70%以上，成型路面空隙率宜控制在6%以下，粉膠質(zhì)量比宜控制在1.1～1.6.

3 瀝青混合料組成對(duì)高溫抗車轍性能的影響分析

由于中面層在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際使用性能中具有最為顯著的抵抗高溫抗剪切變形能力，結(jié)合本文研究發(fā)現(xiàn)4.75mm篩孔通過率對(duì)馬歇爾性能指標(biāo)的影響不顯著，專門在高溫條件下，通過70℃動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)研究這類瀝青混合料的高溫抗車轍特性，以探討常用于路面結(jié)構(gòu)中面層的AC－20瀝青混合料抵抗高溫車轍性能的作用.4.75mm篩孔通過率依次確定為24%，27%，30%，33%，41%，49%，級(jí)配見表6.油石質(zhì)量比為4.3%，以馬歇爾試件密度成型車轍板，每組3塊板變異系數(shù)均小于20%，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖1～圖4.

表6 AC－20合成級(jí)配組成設(shè)計(jì)

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度與4.75mm篩孔通過率關(guān)系

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度與空隙率關(guān)系

圖3 試件空隙率與各篩孔通過率關(guān)系

圖4 試件空隙率與各篩孔通過率關(guān)系

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著級(jí)配由粗型變?yōu)榧?xì)型，70℃動(dòng)穩(wěn)定度呈明顯拋物線型，4.75mm通過率為30%～33%時(shí)出現(xiàn)峰值，達(dá)到近4 000次／mm，此時(shí)試件空隙率為4.7%.之后隨著4.75 mm通過率逐漸增大，70℃動(dòng)穩(wěn)定度由3 913次／mm衰減到1 772次／mm，衰減54.7%；70℃動(dòng)穩(wěn)定度與4.75mm通過率的線性相關(guān)性（80.9%）明顯優(yōu)于與2.36mm和9.5mm通過率的線性相關(guān)性；試件空隙率與2.36mm和9.5mm通過率的線性相關(guān)性較4.75mm通過率關(guān)系更為密切，表明通過調(diào)整2.36mm和9.5mm通過率使空隙率偏小或偏大并不能提高高溫抗車轍性能，也進(jìn)一步印證了本文采用正交均勻理論分析的4.75mm通過率對(duì)此類混合料空隙率并不顯著結(jié)論的正確性.表明盡管4.75mm通過率對(duì)馬歇爾性能指標(biāo)影響較小，但對(duì)高溫70℃抗車轍性能貢獻(xiàn)很大，優(yōu)化4.75mm篩孔通過率可有效提高瀝青路面的高溫抗車轍性能.

4 結(jié) 論

1）應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了AC－20瀝青混合料馬歇爾性能指標(biāo)的影響因素與排序.結(jié)果表明，0.075，9.5和2.36mm通過率和油石質(zhì)量比為顯著影響因子，而4.75mm通過率影響并不顯著.據(jù)此優(yōu)化提出了混合料組成設(shè)計(jì)建議范圍.

2）基于施工質(zhì)量控制的AC－20瀝青混合料綜合路用性能優(yōu)化表明，空隙率和細(xì)集料的潔凈程度是影響路面水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，空隙率與粉膠比是影響60℃動(dòng)穩(wěn)定度的又一關(guān)鍵因素，降低成型路面空隙率，采用潔凈的原材料，適當(dāng)提高粉膠比可有效提高路面的抗水損害性能和抗車轍性能.

3）盡管4.75mm通過率對(duì)馬歇爾性能指標(biāo)的影響不顯著，但對(duì)常用于瀝青路面結(jié)構(gòu)中面層的AC－20瀝青混合料具有顯著抵抗高溫車轍性能作用，推薦4.75mm通過率范圍宜控制在30%～33%之間.

［1］劉志明，王哲人.瀝青路面水損害與車轍的分析研究［J］.公路交通科技，2004，21（8）：1－4.

［2］王國(guó)軍.高速公路瀝青混凝土路面車轍調(diào)查及分析［J］.北方交通，2007（3）：37－41.

［3］徐 偉，張肖寧，韓大建.高速公路早期車轍病害調(diào)查及處治試驗(yàn)分析［J］.公路，2004（3）：113－116.

［4］譚積青，張肖寧.三層式瀝青面層車轍組成及發(fā)展的調(diào)查與分析［J］.公路交通科技，2006，23（1）：20－23.

［5］孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］馮俊領(lǐng)，郭忠印，陳崇駒.高溫多雨條件下瀝青混合料水損害模擬研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2007（5）：40－44.

［7］朱夢(mèng)良，趙 平，高新亮，黃謨釗.AK16抗滑表層的礦料級(jí)配優(yōu)化［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2003，16（1）：10－14.

［8］邱穎峰，許志鴻，黃啟舒.級(jí)配對(duì)瀝青混合料高穩(wěn)定性影響的研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（2）：75－79.

［9］中華人民共和國(guó)交通部.JTG F40－2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［10］方開泰，馬長(zhǎng)興.正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［11］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ052－2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2000.