大粒徑透水性瀝青混合料瀝青用量確定方法研究

■傅偉 劉超群 黃禎敏 彭水根

（1.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司撫州管理中心，撫州 330086；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330025；3.江西省交通科學(xué)研究院，南昌 330200）

大粒徑透水性瀝青混合料瀝青用量確定方法研究

■傅偉1 劉超群2 黃禎敏3 彭水根3

（1.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司撫州管理中心，撫州 330086；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330025；3.江西省交通科學(xué)研究院，南昌 330200）

根據(jù)LSPM的使用功能和材料組成特點，利用美國AI提出的經(jīng)驗公式及LSPM適宜的瀝青膜厚度初定瀝青用量，選用貝雷法確定礦料級配，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型混合料試件，測定不同瀝青用量下的LSPM混合料體積參數(shù)，通過控制LSPM混合料空隙率確定其瀝青用量范圍為2.91%～3.32%，并通過飛散試驗和析漏試驗確定其瀝青用量范圍為3.14%～3.41%，從而綜合確定瀝青用量的合理范圍為3.14%～3.32%，取其中值3.23%作為LSPM的最佳瀝青用量，此時各設(shè)計指標(biāo)均取得較優(yōu)值。

大粒徑透水性瀝青混合料 最佳瀝青用量 瀝青膜厚度 空隙率 飛散試驗 析漏試驗

0 引言

大粒徑透水性瀝青混合料 （LSPM）使用最大公稱粒徑超過26.5mm的礦料，混合料中粗集料間相互嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，高粘度改性瀝青膠漿填充部分空隙，剩余空隙率一般為13%～18%。它具有較優(yōu)的高溫抗車轍能力、抗反射裂縫能力、防滑、降噪和透水等功能[1-4]，因而在高等級公路養(yǎng)護(hù)大修中得到較廣泛應(yīng)用[5]。

瀝青混合料的路用性能依賴于礦料級配和膠結(jié)料性能。LSPM中粗集料用量很大，細(xì)集料用量較少，礦粉用量偏大，空隙率大，宜選用高粘性瀝青膠結(jié)料。與其它類型瀝青混合料相比，高粘性瀝青完全裹覆細(xì)集料、礦粉所需膠結(jié)料用量較少，使用較少瀝青就能達(dá)到較厚的瀝青膜厚度。針對LSPM的級配組成和結(jié)構(gòu)類型特點，如何選擇合適的試件成型方法，并選取合理的技術(shù)指標(biāo)綜合確定LSPM的瀝青用量合理范圍及最佳瀝青用量，是保證LSPM混合料性能優(yōu)良和經(jīng)濟(jì)效益良好的關(guān)鍵。

1 原材料性能

1.1 SBS改性瀝青

根據(jù)LSPM的使用功能及應(yīng)用層位，要求LSPM采用的膠結(jié)料具有優(yōu)良的路用性能，尤其是高粘滯性。采用SBS改性瀝青作為LSPM的膠結(jié)料，其性能測試結(jié)果如表1所示。

1.2 集料

考慮LSPM應(yīng)具有優(yōu)良的防滑、降噪和排水等功能，要求其使用的粗集料堅硬、吸水率小、與膠結(jié)料的粘附性好。使用石灰?guī)r集料，其性能檢測結(jié)果見表2及表3。

2 礦料級配

礦料由礦粉、0~5mm、5~10mm、10~20mm、20~ 40mm等五檔規(guī)格集料組成，同時，選用礦粉用量的30%生石灰粉代替礦粉，各檔集料篩分級配如表4所示。

表1 SBS改性瀝青性能檢測結(jié)果

表2 粗集料性能檢測結(jié)果

表3 細(xì)集料性能檢測結(jié)果

表4 不同規(guī)格集料的篩分級配

本文LSPM的礦料級配是利用美國以利諾州交通部RobertD.Bailey提出的貝雷法級配設(shè)計理論進(jìn)行設(shè)計。國外大量研究和工程實踐表明，應(yīng)用貝雷法級配設(shè)計理論確定的礦料級配能夠形成多級嵌擠骨架結(jié)構(gòu)[6]，混合料具有較優(yōu)的體積參數(shù)，能使LSPM具有優(yōu)良的力學(xué)性能和路用性能，礦料級配設(shè)計結(jié)果如表5所示。

表5 礦料級配設(shè)計結(jié)果

由表 5可以看出：礦料最大粒徑超過 30mm，且19mm~26.5mm顆粒含量達(dá)到23.5%，大于4.75mm的粗料含量高達(dá)84.8%，礦粉含量在細(xì)集料中占有較大比例。各規(guī)格集料所占比例為形成粗集料石—石嵌擠接觸而細(xì)料部分填充的骨架空隙結(jié)構(gòu)提供了條件。

3 最佳瀝青用量

3.1 成型方法

結(jié)合LSPM的級配組成特點，如果選用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實法成型Φ101.6mm×h63.5mm試件，粗骨料易破碎，且離析嚴(yán)重，瀝青膜厚度不均勻，不利于混合料的壓實效應(yīng)，增加了試驗誤差。若選用大型馬歇爾擊實法成型Φ152.4mm×h92.25mm試件，雖增大了粗骨料的活動空間，但由于大型馬歇爾儀擊實錘重、擊實功大，成型過程中易造成粗骨料破碎，從而改變礦料級配，并伴隨出現(xiàn)力學(xué)薄弱面—花白料。而superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀成型的試件級配及密實度與現(xiàn)場較接近，故選用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型LSPM混合料試件。

3.2 初定瀝青用量

LSPM初定瀝青用量可由裹覆集料的瀝青膜平均厚度來確定。瀝青膜厚度過薄，混合料的水穩(wěn)性和耐久性較差；瀝青膜過厚，將產(chǎn)生較多的自由瀝青，易產(chǎn)生高溫流動變形，并增加了工程造價。LSPM的瀝青膜厚度應(yīng)與其礦料級配相匹配，找到性能與經(jīng)濟(jì)性的平衡點。利用美國AI提供的經(jīng)驗公式 （1）估算出集料表面積2.007m2/kg。LSPM合適的瀝青膜平均厚度一般為 ，中值為14，實測SBS改性瀝青15℃密度為1.035g/cm3，可確定LSPM滿足瀝青膜厚度要求的最小瀝青用量為2.91%。

集料表面積=0.41+0.0041P4.75+0.0082P2.36+0.0164P1.18+ 0.0287P0.6+0.0614P0.3+0.1229P0.15+0.3277P0.075(1)

3.3 最佳瀝青用量

LSPM的級配組成和結(jié)構(gòu)特征不同于AC、SMA、OGFC等混合料，試驗選用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件，并參考滿足瀝青膜平均厚度要求的最小瀝青用量，預(yù)定2.9%、3.2%、3.5%和3.8%四個不同瀝青用量進(jìn)行LSPM混合料體積指標(biāo)試驗。

3.3.1 混合料體積指標(biāo)

根據(jù)集料的表面積2.007m2/kg，SBS改性瀝青15℃密度為1.035g/cm3，可以估算出不同瀝青用量下混合料的瀝青膜平均厚度。利用superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀成型足夠數(shù)量的不同瀝青用量的LSPM試件。根據(jù) 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTGE20-2011中T0707-2011d蠟封法測定LSPM壓實混合料的毛體積相對密度，并按照T0711-2011真空法測定LSPM混合料理論最大相對密度，計算出混合料空隙率VV和礦料間隙率VMA，試驗結(jié)果見表6及圖1至圖4。

表6 LSPM體積參數(shù)試驗結(jié)果

圖1 毛體積相對密度與瀝青用量曲線圖

圖2 空隙率與瀝青用量曲線圖

圖3 礦料間隙率與瀝青用量曲線圖

圖4 瀝青膜厚度與瀝青用量曲線圖

由表6及圖1至圖4可以看出：LSPM中瀝青膜平均厚度隨瀝青用量的增加呈線性增加，混合料VV因瀝青增加填充而快速減小，VMA及γf增幅相對較小?？紤]LSPM主要功能在于排水，而其排水能力主要依靠于有效的連通空隙，故取LSPM空隙率為中值15.5%以上，按線性內(nèi)插法得到瀝青用量小于3.32%，此時瀝青膜最大平均厚度為 15.9μm,毛體積相對密度約為2.2395g/cm3，礦料間隙率約為22.75%，符合相關(guān)技術(shù)要求，由此確定的瀝青用量范圍為2.91%～3.32%。

3.3.2 飛散試驗和析漏試驗

LSPM常選用飛散試驗來確定混合料獲得足夠粘結(jié)力不使集料嚴(yán)重飛散時的最小瀝青用量，用析漏試驗來確定混合料滿足高溫穩(wěn)定性要求不使瀝青流淌時的最大瀝青用量，試驗結(jié)果見表7及圖5、圖6。

表7 飛散和析漏試驗結(jié)果

圖5 飛散質(zhì)量損失率與瀝青用量曲線圖

圖6 析漏質(zhì)量損失率與瀝青用量曲線圖

SMA是典型的骨架密實結(jié)構(gòu)混合料，裹覆礦粉和細(xì)料填充骨架空隙所需瀝青用量較大，要求SMA析漏試驗試件質(zhì)量損失率小于0.3%。而LSPM為典型的骨架空隙結(jié)構(gòu)混合料，礦料總比表面積較小，要求其析漏損失率不超過0.2%，結(jié)合圖6得到滿足析漏試驗要求的瀝青用量不超過3.41%。LSPM飛散試驗要求試件質(zhì)量損失率小于25%，結(jié)合圖5得到最小瀝青用量為3.14%，由此確定的瀝青用量范圍為3.14%~3.41%。

3.3.3 最佳瀝青用量

LSPM中瀝青用量最主要用于滿足排水功能和高溫穩(wěn)定性能要求，即要求LSPM具有一定保證率的有效連通空隙，并滿足析漏試驗允許量。由此綜合確定滿足性能要求的瀝青用量合理范圍為3.14%~3.32%，并取其中值3.23%作為LSPM的最佳瀝青用量。

4 結(jié)語

利用貝雷法設(shè)計的礦料級配能形成良好的骨架嵌擠空隙結(jié)構(gòu)，膠結(jié)料采用SBS改性瀝青，并選用模擬效果較好的旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件。根據(jù)集料表面積與瀝青膜平均厚度關(guān)系得到LSPM初定瀝青用量為2.91%，并以增幅0.3%選擇2.9%、3.2%、3.5%和3.8%四個瀝青用量進(jìn)行試驗。分別用蠟封法和真空法實測LSPM在不同瀝青用量下的毛體積相對密度和理論最大相對密度，并計算出混合料的空隙率和礦料間隙率與瀝青用量的關(guān)系，從而確定出滿足LSPM空隙率中值以上的瀝青用量范圍為2.91%~3.32%。通過飛散試驗和析漏試驗確定LSPM瀝青用量范圍為3.14%~3.41%，由此得到瀝青用量合理范圍為3.14%~3.32%，并取其中值 3.23%作為LSPM的最佳瀝青用量，此時各設(shè)計指標(biāo)均取得較優(yōu)值。

[1]房建果，郭忠印，王松根.大粒徑透水性瀝青混合料水穩(wěn)定性能對比研究[J].建筑材料學(xué)報，2009,12（4）：493-496.

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[3]曹夢醒，梁偉，廖陳林.大粒徑透水性瀝青混合料在公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用[J].公路與汽運，2007（2）：86-88.

[4]關(guān)彥斌，孔永健.關(guān)于透水性瀝青混合料的透水性與空隙率的關(guān)系[J].公路交通科技，2005（4）：52-54.

[5]竇汝良.大粒徑透水性瀝青混合料柔性基層在高等級公路養(yǎng)護(hù)大修中的應(yīng)用[J].公路，2007（9）：205-208.

[6]陳忠達(dá)，袁萬杰，高春海.多級嵌擠密實級配設(shè)計方法研究[J].中國公路學(xué)報，2006,19（1）：32-37.

項目來源：江西省交通運輸廳重點科研項目 （項目編號：2015C0023）