嵌擠密實(shí)型瀝青混合料組成設(shè)計(jì)與路用性能

□文/杭天明 魏 鵬 李海波

□魏 鵬、李海波/天津城建設(shè)計(jì)院有限公司。

嵌擠密實(shí)型瀝青混合料組成設(shè)計(jì)與路用性能

□文/杭天明 魏 鵬 李海波

文章以CBR最大為原則，采用逐級填充方法，研究了粗集料級配和粗細(xì)集料最佳用量比例；以密實(shí)度最大為原則，研究了細(xì)集料級配；以馬歇爾試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了最佳油石比。在此基礎(chǔ)上，提出了嵌擠密實(shí)型瀝青混合料組成設(shè)計(jì)方法。

瀝青混合料；嵌擠密實(shí)型；路用性能

目前，關(guān)于嵌擠密實(shí)型瀝青混合料的級配設(shè)計(jì)方法的研究很多，多以密實(shí)度為指標(biāo)、以逐級填充為方法，側(cè)重于實(shí)現(xiàn)密實(shí)功能[1～6]。但是，嵌擠密實(shí)應(yīng)包含骨架嵌擠力和密實(shí)2部分內(nèi)容，前者主要由粗集料骨架結(jié)構(gòu)提供，后者主要體現(xiàn)在細(xì)集料對骨架結(jié)構(gòu)的填充作用。因而，單一的采用密實(shí)度作為評價(jià)指標(biāo)，難以獲得具有最強(qiáng)骨架嵌擠力的粗集料級配，從而無法獲得性能最優(yōu)的混合料級配。基于此，本文根據(jù)不同規(guī)格集料在嵌擠密實(shí)型瀝青混合料中的作用，以CBR最大為原則，采用逐級填充方法，研究粗集料級配和粗細(xì)集料最佳用量比例；以密實(shí)度最大為原則，研究細(xì)集料級配；以馬歇爾試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究最佳油石比，從而最終提出嵌擠密實(shí)型瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)方法并對其進(jìn)行路用性能分析。

1 原材料

瀝青為新加坡90號SBS改性瀝青，密度為0.982 g/cm3，經(jīng)檢驗(yàn)其他各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求；碎石為石灰?guī)r，視密度平均為2.690g/cm3，壓碎值為12.6；礦粉為石灰石研磨而成，塑性指數(shù)為2.2，經(jīng)檢驗(yàn)其他各項(xiàng)均符合規(guī)范要求。

2 多級嵌擠密實(shí)型瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

2.1 粗集料級配的確定

1）粗集料級配的確定方法

（1）確定主骨料規(guī)格D0，取質(zhì)量M分3次放入擊實(shí)筒，每層按重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)98次，測試其CBR。

（2）以D0用量為 100，D0下一級D1，以D0用量的10%為步長，將D1逐次摻入D0中，每次摻入后，擊實(shí)98次，測試混合粗集料的CBR，建立D1填充量與CBR的關(guān)系曲線。

（3）根據(jù)（2）中關(guān)系曲線，確定最佳D1用量比例。

（4）以此類推，進(jìn)行II、III級填充并最終得到各規(guī)格集料的最佳填充比例，即粗集料級配。

2）粗集料級配的確定過程

（1）I級填充試驗(yàn)。取20kgD0（16～19mm碎石），D1（13.2～16mm碎石）按D0用量的10%為步長依次填充，見圖1。

由圖1可知，當(dāng)D0∶D1=3∶7時(shí)，混合粗集料的CBR最大。

（2）II級填充試驗(yàn)。在I級填充試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，取6kgD0和14kgD1并將D2（9.5～13.2mm碎石）按（D0+D1）用量的10%為步長進(jìn)行II級填充，見圖2。

由圖 2可知，當(dāng)（D0+D1）∶D2=6∶4時(shí)，混合粗集料的CBR最大。

（3）III級填充試驗(yàn)。在I、II級填充試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，取 3.6kgD0、8.4kgD1和 8kgD2并將D3（4.75～9.5mm碎石）按（D0+D1+D2）用量的10%為步長進(jìn)行 III級填充，見圖3。

由圖 3可知，當(dāng)（D0+D1+D2）∶D3=6∶4時(shí)，混合粗集料的CBR最大。

3）粗集料級配的確定

根據(jù)III級填充試驗(yàn)結(jié)果，粗集料級配見表1。

表1 粗集料級配

2.2 細(xì)集料級配的確定

細(xì)集料級配采用N法確定。參照國外規(guī)定與國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，選用N=0.4～0.6時(shí)對應(yīng)的細(xì)集料級配，按上述粗集料級配組成混合料進(jìn)行試驗(yàn)并以擊實(shí)密度最大為原則獲取最佳N值。見圖4。

由圖4可知，當(dāng)N=0.5時(shí)，混合料擊實(shí)密度最大，空隙率最小。故本文以N=0.5確定細(xì)集料級配，見表2。

表2 細(xì)集料級配

2.3 粗細(xì)集料比例的確定

根據(jù)表1和表2中粗細(xì)集料級配，分別按粗細(xì)集料比例為 75∶25、70∶30、65∶45、60∶40和 55∶45組成混合集料，其CBR測試結(jié)果見圖5。

由圖5可知，當(dāng)粗細(xì)集料比例為65∶35時(shí)，粗細(xì)混合集料的CBR最大，故本文確定混合料的粗細(xì)集料比例為65∶35。

2.4 最佳油石比的確定

最佳油石比根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定。其中，以5.0%的油石比為中值，以0.3%為間隔分別取4.4%、4.7%、5%、5.3%，分別在上述4個(gè)油石比下成型試件。同時(shí)，為充分論證本文提出的嵌擠密實(shí)型瀝青混合料的使用性能及其設(shè)計(jì)方法的可行性，選取嵌擠密實(shí)型瀝青混合料（下記SJ-16）、SMA型瀝青混合料（下記SMA-16）、密級配瀝青混合料（下記AC-16）進(jìn)行試驗(yàn)，見表3。

表3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表 3可知，SJ-16、AC-16、SMA-16瀝青混合料的最佳油石比分別為5.0%、5.3%和5.3%。SJ-16與SMA-16的穩(wěn)定度相差不大且均明顯高于AC-16，但SJ-16的最佳油石比卻低于SMA-16和AC-16，這是由于SJ-16的粗集料形成了強(qiáng)大的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，細(xì)集料充分填充空隙，混合料只需較少的瀝青就能夠獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3 路用性能

3.1 高溫車轍試驗(yàn)

3種不同類型的瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，3種不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性為SMA-16略優(yōu)于SJ-16，優(yōu)于AC-16。這是由于高溫穩(wěn)定性與粗集料含量和瀝青含量具有直接聯(lián)系，SJ-16因其強(qiáng)大的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，獲得了較高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，故具備了較好的高溫穩(wěn)定性；SMA-16粗細(xì)集料搭配合理，充足的瀝青膠漿分布與混合料空隙中，使其結(jié)構(gòu)均勻密實(shí)，從而獲得了較好的高溫穩(wěn)定性；而AC-16粗集料含量較低，難以形成穩(wěn)定的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，故表現(xiàn)為高溫穩(wěn)定性不足。

3.2 低溫抗裂試驗(yàn)

通過-10℃條件下瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)，評價(jià)3種不同類型瀝青混合料的低溫特性，見表5。

表5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，3種不同類型瀝青混合料的低溫抗裂性能為SJ-16優(yōu)于SMA-16和AC-16。這是由于低溫抗裂性能與粗集料含量有直接聯(lián)系，SJ-16因其強(qiáng)大的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)越的低溫抗裂性能；SMA-16則依靠瀝青膠漿的膠粘作用同樣具備著較好的低溫抗裂性能；而AC-16粗集料和瀝青含量均較低，因而難以具備較高的低溫抗裂性能。

3.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用現(xiàn)行規(guī)范要求的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，分析3種不同類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性。見表6和表7。

表6 浸水殘留穩(wěn)定度

由表6可知，3種不同類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性SJ-16優(yōu)于AC-16和SMA-16。這是由于SJ-16密實(shí)度高，空隙率小，水分難以侵入，故初始穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度都較大；AC-16粗集料含量低，難以形成穩(wěn)定的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)且密實(shí)度相對不足，空隙較多，水分容易侵入，故初始穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度都較低；SMA-16因其均勻的粗細(xì)集料搭配與充足的瀝青含量，獲得了較高的初始穩(wěn)定度，但由于瀝青和礦粉含量較高，長時(shí)間浸水后，瀝青膠漿與水分發(fā)生作用，殘留穩(wěn)定度反而降低。

表7 凍融殘留穩(wěn)定度

由表7可知，3種不同類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性SJ-16優(yōu)于SMA-16和AC-16。這是由于SJ-16的粗集料骨架嵌擠結(jié)構(gòu)為混合料提供了較大的內(nèi)摩阻力，從而減少了凍融循環(huán)作用應(yīng)力對混合料造成的破壞；SMA-16粗細(xì)集料搭配均勻，密實(shí)度較高，水分難以侵入，故亦表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性；AC-16瀝青膜較薄，密實(shí)程度也不及SJ-16和SMA-16，在凍融循環(huán)過程中水分逐漸侵入，抗水損害性能逐漸削弱。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)級配的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性具有優(yōu)于SMA瀝青混合料和密級配瀝青混合料；在高溫穩(wěn)定性方面，設(shè)計(jì)級配明顯優(yōu)于密級配瀝青混合料，與SMA瀝青混合料相差不大。因而，與按常用方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料相比，本文提出的嵌擠密實(shí)型瀝青混合料具有更為優(yōu)良的路用性能，這也證明了嵌擠密實(shí)型瀝青混合料組成設(shè)計(jì)方法的可行性。

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U415

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1008-3197（2011）03-43-03

2011-04-07

杭天明/男，1961年出生，高級工程師天津?yàn)I海黃港實(shí)業(yè)有限公司，從事市政與建筑材料的研究和工程技術(shù)管理工作。

□魏 鵬、李海波/天津城建設(shè)計(jì)院有限公司。