基于抗車轍性能的AC—25瀝青混合料級配設計

程誠

【摘要】以密實度最大為原則，采用逐級填充方法，研究了粗集料級配和細集料級配；采用理論計算法確定了粗細集料比例和最佳油石比。在此基礎上，通過室內(nèi)車轍試驗對上述級配進行優(yōu)化，提出了具有高抗車轍性能的AC-25瀝青混合料。路用性能分析表明：該級配的高穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于規(guī)范級配，低溫抗裂性與規(guī)范級配相差不大，表明提出的抗車轍型AC-25瀝青混合料具有優(yōu)秀的路用性能。

【關鍵詞】道路工程；AC-25瀝青混合料；級配設計；抗車轍；路用性能

引 言

自八十年代中期以來，我國公路交通事業(yè)迅速發(fā)展，為推動現(xiàn)代化建設做出了巨大貢獻，瀝青路面因其良好的行車舒適性和優(yōu)異的使用性能得到了廣泛應用。但是隨著公路交通量的增加、車輛軸載的增大和渠化交通的形成，瀝青路面的病害問題也越發(fā)突出，車轍更是其中問題最尖銳、危害最嚴重的一種。研究表明，瀝青面層內(nèi)部最大剪應力分布于路面深度4～10cm范圍內(nèi)，而該區(qū)域一般為瀝青路面結(jié)構(gòu)的中面層位置，因此可以確定瀝青路面的中面層為主抗車轍區(qū)。目前，我國高等級公路瀝青面層基本上是按全功能要求設計的，結(jié)果必然顧此失彼，很難與各瀝青層力學和功能要求相適應，從而造成瀝青路面早期損壞。為了最大程度的緩解路面多功能要求所引起的矛盾，且充分發(fā)揮材料潛力，降低成本，有必要針對路面各結(jié)構(gòu)層的層位功能的要求對瀝青面層材料組成設計進行研究。

基于此，本文首先采用逐級填充的方法，以密實度最大為原則確定了粗集料級配和細集料級配，其次采用理論計算法確定了粗細集料比例和最佳油石比，最后通過室內(nèi)車轍試驗對上述級配進行優(yōu)化，進而提出了具有高抗車轍性能的中面層AC-25瀝青混合料級配并對其路用性能進行了分析。

1、原材料

瀝青：新加坡90號SBS改性瀝青，密度為0.985 g/cm3，經(jīng)檢驗其它各項指標均符合規(guī)范要求；

碎石：石灰?guī)r，平均視密度為2.690 g/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)檢驗其它各項均符合規(guī)范要求。

2、級配擬定與優(yōu)化

2.1 粗集料級配的確定

（1）I級填充試驗

取20kgD0（26.5～31.5mm集料），令D1（19～26.5mm集料）與D0按不同比例混合進行I級搗實試驗，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 I級填充試驗結(jié)果

由圖1可知，當D0：D1=1：2時，混合粗集料的搗實密度最大。

（2）II級填充試驗

在I級填充試驗結(jié)果的基礎上，取6kgD0和12kg D1，令D2（16～19mm集料）與（D0+D1）按不同比例混合進行II級搗實試驗，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 II級填充試驗結(jié)果

由圖2可知，當（D0+D1）：D2=1：2時，混合粗集料的搗實密度最大。

（3）III級填充試驗

在I、II級填充試驗結(jié)果的基礎上，取3kgD0、6kg D1和18kgD2，令D3（13.2～16mm集料）與（D0+D1+D2）按不同比例混合進行III級搗實試驗，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 III級填充試驗結(jié)果

由圖3可知，當（D0+D1+D2）：D3=3：1時，混合粗集料的搗實密度最大。

（4）IV級填充試驗

在I、II、III級填充試驗結(jié)果的基礎上，取2kgD0、4kg D1、12kgD2和6kg D3，令D4（9.5～13.2mm集料）與（D0+D1+D2+D3）按不同比例混合進行IV級搗實試驗，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 IV級填充試驗結(jié)果

由圖4可知，當（D0+D1+D2+D3）：D4=4：1時，混合粗集料的搗實密度最大。

（5）V級填充試驗

在I、II、III、IV級填充試驗結(jié)果的基礎上，取2kgD0、4kg D1、12kgD2、6kg D3和6kg D4，令D5（4.75～9.5mm集料）與（D0+D1+D2+D3+D4）按不同比例混合進行V級搗實試驗，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 V級填充試驗結(jié)果

由圖5可知，當（D0+D1+D2+D3+D4）：D5=5：1時，混合粗集料的搗實密度最大。

綜上，以混合粗集料搗實密度最大為原則，確定粗集料的級配比例確定為1：2：6：3：3：3。

2.2 細集料級配的確定

細集料級配采用N法確定。本文參照國外規(guī)定與國內(nèi)經(jīng)驗，選用N=0.4～0.6時對應的細集料級配，按上述粗集料級配組成混合料進行試驗，并以搗實密度最大為原則獲取最佳N值，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 細集料填充試驗結(jié)果

由圖6可看出，當N=0.5時，混合料搗實密度最大。故本文以N=0.5確定細集料級配，如表1所示。

表1 細集料級配

篩孔（mm） 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

通過率（%） 29.5 20.7 14.3 10.4 7.3 17.8

2.3 粗細集料比例與油石比的確定

理論計算法是根據(jù)粗集料骨架空隙率以及瀝青混合料設計空隙率，確定粗細集料比例和瀝青用量，使細集料體積、瀝青膠漿體積和瀝青混合料設計空隙率的總和等于主骨架空隙的體積，如式（1）、式（2）和式（3）所示。粗細集料合成計算結(jié)果見表2。

（1）

（2）

（3）

式中：VD為粗集料的間隙率（%）：Mc、Mf、Mp、Ma分別為粗集料、細集料、礦粉質(zhì)量百分數(shù)及油石比（%）；ρlf、ρlp為細集料、礦粉的表觀密度（g/cm3）；ρlc為粗集料的松裝密度（g/cm3）；ρca為粗集料的合成毛體積密度（g/cm3）；ρa為瀝青的密度（g/cm3）；VVS為瀝青混合料設計空隙率（%）。

表2 粗細集料合成計算結(jié)果

序號 項目及計算公式 單位 數(shù)值

（1） 粗集料實測密度 g/cm3 1.584

（2） 細集料實測密度 g/cm3 1.625

（3） 合成粗集料毛體積密度 g/cm3 2.724

（4） 選擇密度下粗集料間隙率=（1-（1）/（3））*100 % 41.8

（5） 1立方米單位體積粗集料質(zhì)量 g 2.316

（6） 粗細集料合成有效密度 g/cm3 2.748

（7） 粗細集料所留空隙率=（1-（5）/（6））*100 % 15.7

（8） 預留空隙率 % 2.5

（9） 預期粉膠比 -- 1.5

（10） 瀝青密度 g/cm3 1.038

（11） 礦粉密度 g/cm3 2.657

（12） 膠漿體積 % 14.2

（13） 瀝青質(zhì)量 g 0.085

（14） 礦粉質(zhì)量 g 0.127

（15） 油石比 % 3.8

（16） 合成毛體積密度 g/cm3 2.678

（17） 預測VMA % 11.5

（18） 4.75mm通過量 % 35

（19） 0.075mm通過量 % 5

2.4 基于高溫性能的瀝青混合料級配優(yōu)化

相關研究表明[7～8]，4.75mm集料含量直接影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，因此，上下5%的變換4.75mm的通過量確定四組AC-25級配，如表3所示。

表3 合成級配

級配 集料通過下列篩孔（（mm））的質(zhì)量百分比（%）

31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

1 100 92 76 63 54 42 30 23 18 14 12 10 5

2 100 93 78 66 57 46 35 27 20 16 13 11 5

3 100 93 79 69 61 51 40 30 23 18 14 12 5

4 100 94 81 71 64 55 45 34 25 20 15 13 5

按四組設計級配制備瀝青混合料進行高溫車轍試驗，并以動穩(wěn)定度最高為原則確定最優(yōu)級配。試驗結(jié)果見表4。

表4 車轍試驗結(jié)果

級配

類型 變形（45min）

（mm） 變形（60min）

（mm） 動穩(wěn)定度

（次/mm）

級配1 3.15 3.79 984

級配2 1.47 1.62 4200

級配3 2.39 2.56 3705

級配4 2.52 2.82 2100

3、路用性能

根據(jù)表4結(jié)果，選取級配2和規(guī)范級配中AC-25上、中、下限，在最佳油石比下進行路用性能分析。

（1）高溫車轍試驗

不同類型瀝青混合料車轍試驗結(jié)果見表5。

表5 車轍試驗結(jié)果

級配

類型 變形（45min）

（mm） 變形（60min）

（mm） 動穩(wěn)定度

（次/mm）

級配2 1.47 1.62 4200

AC-25中值 4.35 4.70 1896

AC-25上限 4.78 5.40 1057

AC-25下限 5.28 5.82 1216

由表5可知，級配2的高溫穩(wěn)定性明顯高于規(guī)范級配。這是由于高溫穩(wěn)定性與粗集料含量具有直接聯(lián)系，級配2因其強大的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，獲得了較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，故具備了較好的高溫穩(wěn)定性。

（2）水穩(wěn)定性試驗

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來檢驗瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見表6。

表6 浸水殘留穩(wěn)定度

級配 級配2 AC-25中值 AC-25上限 AC-25下限

殘留穩(wěn)定度/% 92.6 91.3 89.1 82.9

凍融劈裂試驗強度比 92.4 90.3 87.5 79.2

由表6可知，級配2的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比都高于其他級配，說明設計級配具有很好的水穩(wěn)定性。這是由于級配2的細集料充分填充粗集料形成的骨架空隙，從而材料具有更好的抗水破壞能力。

（3）低溫抗裂試驗

通過-10℃條件下的瀝青混合料低溫彎曲試驗評價不同類型瀝青混合料的低溫特性，試驗結(jié)果見表7。

表7 低溫彎曲試驗結(jié)果

級配 級配2 AC-25上限 AC-25中值 AC-25下限

最大彎拉強度（MPa） 9.9 9.9 10.1 9.8

最大彎拉應變（104） 3198 3168 3132 3206

由表7可知，級配2的低溫抗裂性能與規(guī)范級配相差不大，可滿足冬寒區(qū)對瀝青混合料低溫性能的要求。

綜上，本文提出的AC-25的高穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于規(guī)范級配，雖然低溫穩(wěn)定性略低于規(guī)范級配，但基本上仍可滿足冬寒區(qū)對瀝青混合料低溫性能的要求，表明提出的抗車轍型瀝青混合料具有優(yōu)秀的路用性能。

結(jié) 論

（1）以密實度最大為原則，采用逐級填充法確定了瀝青混合料的粗集料級配和細集料級配；采用理論計算法確定了粗細集料比例和最佳油石比；通過室內(nèi)車轍試驗對上述級配進行優(yōu)化，提出了具有高抗車轍性能的AC-25瀝青混合料。

（2）路用性能分析表明，本文提出的抗車轍型AC-25瀝青混合料的高穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于規(guī)范級配，低溫抗裂性與規(guī)范級配相差不大，表明該級配具有優(yōu)秀的路用性能。

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