高模量瀝青混凝土配合比設(shè)計及其應(yīng)用研究

萬瑾潔

(柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545000)

高模量瀝青混凝土配合比設(shè)計及其應(yīng)用研究

萬瑾潔

(柳州高速公路運營有限公司，廣西柳州545000)

高模量瀝青混凝土是一種主要采用低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青作為膠結(jié)材料，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和較高的模量值的瀝青混凝土，當(dāng)其用于瀝青路面的中下面層時可以提高整個路面結(jié)構(gòu)的抗車轍能力并起到一定的結(jié)構(gòu)補強作用，可延長道路的使用壽命并減薄路面厚度。本文結(jié)合柳南高速公路水泥路面加鋪瀝青層和室內(nèi)系統(tǒng)研究，提出一種能夠形成最緊密的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，并顯著提高瀝青混合料模量的配合比設(shè)計方法——骨架嵌擠型粗粒式高模量瀝青混凝土配合比設(shè)計方法，按此方法制備的高模量瀝青混凝土能彌補我國目前高模量瀝青混凝土應(yīng)用方面的不足，可作為交通荷載重，交通量增長快，超載現(xiàn)象多，使用壽命長的瀝青路面中、下面層材料使用，降低工程造價。

骨架嵌擠結(jié)構(gòu)；高模量瀝青混凝土；性能研究；配合比

0 引言

高模量瀝青混凝土是一種采用低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青作為膠結(jié)材料，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和較高的模量值的瀝青混凝土，在歐洲一些發(fā)達國家應(yīng)用較多。較早研究的是法國，且應(yīng)用廣泛，制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，芬蘭、英國等其他國家主要借鑒它的成果和經(jīng)驗開展相關(guān)的研究和應(yīng)用。目前國外高模量瀝青混凝土基本是最大公稱粒徑不大于19 mm的中粒式和細粒式瀝青混合料，使用針入度較低的低標(biāo)號瀝青和連續(xù)型級配，有較高的瀝青用量和較低的空隙率，主要通過瀝青本身的品質(zhì)為瀝青混凝土提供較高的模量，并通過增加瀝青用量來改善瀝青混合料的密實性和抗疲勞能力。而我國交通荷載重，交通量增長快，超載現(xiàn)象多，不適用國外所采用的高模量瀝青混凝土的瀝青混合料，也不適用采用連續(xù)型級配及較高結(jié)合料用量所設(shè)計的較低空隙率瀝青混合料。要設(shè)計適合我國交通荷載重，使用壽命長的瀝青路面，就要提高整個路面結(jié)構(gòu)的承載能力，保證面層高溫穩(wěn)定性能，提高中下面層材料，并提供較好的抗車轍能力及一定的結(jié)構(gòu)補強作用，發(fā)明一種骨架嵌擠型粗粒式高模量瀝青混凝土及其制備方法是十分必要的[1-2]。

本研究針對我國目前高模量瀝青混凝土應(yīng)用方面的不足，結(jié)合柳州至南寧高速公路改擴建工程試驗段和室內(nèi)系統(tǒng)研究，提出一種骨架嵌擠型粗粒式高模量瀝青混凝土配合比設(shè)計方法，按此法制備的高模量瀝青混凝土，能形成最緊密的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，保證優(yōu)良高溫穩(wěn)定性，且模量得到顯著提高，能彌補我國目前高模量瀝青混凝土應(yīng)用方面的不足，作為交通荷載重，交通量增長快，超載現(xiàn)象多，使用壽命長的瀝青路面中、下面層材料使用，降低工程造價。

1 高模量瀝青混凝土配合比設(shè)計

1.1 選擇高模量瀝青混凝土原材料

選擇硬質(zhì)瀝青(AH-30#低標(biāo)號)、粗集料(最大公稱粒徑不小于26.5 mm)、細集料和填料，性能指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中相關(guān)要求作為制備高模量瀝青混凝土的原材料。

1.2 確定高模量瀝青混凝土設(shè)計級配曲線

為了便于工程使用，間斷點往往設(shè)在粗細集料的分界位置，即一般所說的4.75 mm位置。粗集料斷級配不可能采用一條級配曲線擬合，常常是兩條(或兩條以上)級配曲線形成，設(shè)計HMAC25高模量瀝青混凝土混合料，最大公稱粒徑為26.5 mm，則從4.75～26.5 mm的粗集料采用一條級配曲線，0.075～4.75 mm的細集料采用另一條級配曲線。每條級配曲線的形式可通過不同的模型曲線擬合，常用的是冪函數(shù)曲線，曲線的模型公式為：

y=AxB

(1)

公式中：x——關(guān)鍵篩孔尺寸(mm)；

y——通過率(%)；

A——粗集料參數(shù)(集料粒徑4.75 mm以上)；

B——粗集料參數(shù)(集料粒徑4.75 mm以上)；

C——細集料參數(shù)(集料粒徑4.75 mm以下)；

D——細集料參數(shù)(集料粒徑4.75 mm以下)。

A，B，C，D為待定參數(shù)。選擇3個關(guān)鍵篩孔P26.5 mm，P4.75 mm，P0.075 mm，通過率分別為97.5%，30%，5%，將通過率進行公式聯(lián)立得到方程組：

解方程組得到參數(shù):

HMAC25高模量瀝青混凝土混合料設(shè)計級配曲線見表1。

表1 HMAC25設(shè)計級配

篩孔/mm31526519161329547523611806030150075通過率/%1000975776690605483300222164123916750

1.3 選擇高模量瀝青混凝土最佳油石比

根據(jù)制備高模量瀝青混凝土的原材料所設(shè)計的級配曲線開展馬歇爾擊實試驗，以0.4%為間隔選擇5個油石比，每個成型4個試件，共計20個。蠟封法測試馬歇爾試件毛體積密度，干密度采用真空法實測，計算干密度、礦料間隙率VMA、粗集料礦料間隙率VCA，并繪制其與油石比之間的關(guān)系曲線，結(jié)果見表2和圖1-圖3。

表2HMAC25馬歇爾擊實試驗結(jié)果

油石比/%毛體積相對密度最大理論相對密度空隙率VV/%干密度/(g·cm-3)VMA/%VCA/%302546526637442472311243813342558926509352474811163807382567226367262473211213811422571126211192467511423825462562026041162449312073871

圖1 干密度與油石比關(guān)系

圖2 VMA與油石比關(guān)系

圖3 VCA與油石比關(guān)系

(1)由圖1可知：干密度最大值對應(yīng)的油石比OAC1=3.48%。

(2)由圖2可知：VMA最小值對應(yīng)的油石比OAC2=3.46%。

(3)由圖3可知：VCA最小值對應(yīng)的油石比OAC3=3.45%。

(4)根據(jù)公式OAC=(OAC1+OAC2+OAC3)/3計算得到最佳油石比3.46%。

由此，確定了最佳油石比OAC=3.46%，其對應(yīng)的毛體積相對密度ρ=2.561 6、空隙率VV=3.34%、礦料間隙率VMA=11.13%。

1.4 瀝青混合料的路用性能試驗驗證

根據(jù)最佳油石比3.46%對應(yīng)的毛體積密度2.561 6 g/cm3的98%成型試件開展高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、回彈模量等路用性能試驗驗證。

1.4.1 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性驗證

通過車轍試驗驗證瀝青混合料高溫下保持原有的性能及荷載作用下抵抗永久變形的能力[3]。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(以下簡稱《試驗規(guī)程》)[4]的方法成型車轍試件，進行60 ℃條件的車轍試驗，測定混合料的動穩(wěn)定度和相對變形，結(jié)果見表3。

表3 HMAC25車轍試驗結(jié)果

油石比%試件編號變形量/mm1min45min60min動穩(wěn)定度/(次/mm)相對變形/%動穩(wěn)定度均值/(次/mm)相對變形均值/%3461174225236589412421682182295727122320827928961761625933136《規(guī)范》要求[5]≥800-

1.4.2 瀝青混合料的低溫抗裂性驗證

氣溫急劇變化，溫度應(yīng)力松馳不及時，導(dǎo)致路表面開裂[6]。則需驗證低溫抗裂性。

開展-10℃條件下的小梁彎曲試驗，根據(jù)《試驗規(guī)程》成型車轍試件，切割成梁式試件長度25 cm×寬度3 cm×高度3.5 cm，計算破壞時所產(chǎn)生的最大彎拉應(yīng)變，結(jié)果見表4。

表4 HMAC25小梁彎曲試驗(-10 ℃)結(jié)果

油石比/%彎拉應(yīng)變/με《規(guī)范》要求3462009≥2000

1.4.3 瀝青混合料的水穩(wěn)定性驗證

目前瀝青路面早期出現(xiàn)的各種病害多數(shù)與水有關(guān)，水是瀝青路面損壞的重要原因之一。根據(jù)《試驗規(guī)程》，瀝青混合料的水穩(wěn)定性要進行凍融劈裂試驗，測定一個凍融循環(huán)之后試件的凍融劈裂強度比TSR，結(jié)果見表5，TSR為81.49%，大于《規(guī)范》要求的75%。

表5HMAC25凍融劈裂試驗結(jié)果

油石比/%凍融劈裂強度比TSR/%《規(guī)范》要求/%3468149≥75

1.4.4 瀝青混合料的回彈模量試驗驗證

回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要參數(shù)，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計能否滿足路面使用期限內(nèi)的質(zhì)量要求，是否經(jīng)濟，與回彈模量的取值是否合理具有重要關(guān)系。取值過大，路面設(shè)計厚度較薄，不能滿足使用的要求；取值較小，需增加路面設(shè)計厚度，造成浪費[7]。

根據(jù)《試驗規(guī)程》成型Φ10 cm×10 cm圓柱體試件，進行抗壓回彈模量試驗(20 ℃)，結(jié)果見表6。

表6 HMAC25抗壓回彈模量試驗(20 ℃)結(jié)果

油石比/%20℃抗壓回彈模量/MPa《設(shè)計規(guī)范》[8]推薦的密級配粗粒式瀝青混凝土20℃抗壓回彈模量范圍/MPa3461568800～1200

注：回彈模量范圍取自《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2006)附錄E材料設(shè)計參數(shù)參考資料。

根據(jù)上述HMAC25骨架嵌擠型粗粒式高模量瀝青混凝土試驗結(jié)果分析，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性比規(guī)范要求值提高了約7.4倍，20 ℃抗壓回彈模量比《設(shè)計規(guī)范》推薦的最大值提高了約30%，且其它路用性能均滿足要求。

2 骨架嵌擠型粗粒式高模量瀝青混凝土在柳南路上的應(yīng)用研究

2.1 柳南路概況：

柳州至南寧高速公路G72線K1263+425～K1487+735，起自柳州市東郊靜蘭，終于南寧三岸，全長224.31 km，是西南出海大通道桂海高速公路的一段，也是國家“五縱七橫”之一衡陽至昆明公路的重要組成部分。這條公路把柳州和南寧兩個城市連接起來，大大促進柳州至南寧沿線經(jīng)濟和文化的發(fā)展。2010年—2012年廣西交通投資集團有限公司對其進行改擴建，施工中在路面三標(biāo)鋪筑了單幅約5 km的高模量瀝青混凝土試驗路。

2.2 高模量瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)試驗

高模量瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)主要是在中面層采用低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青起到較好的抗車轍作用和結(jié)構(gòu)補強作用，這種混合料的模量很高，能夠提高整個路面結(jié)構(gòu)的抗重載能力。

這種鋪裝結(jié)構(gòu)的主要特點是在防止反射裂縫的基礎(chǔ)上，突出路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計的抗車轍能力，強調(diào)路面結(jié)構(gòu)層間的聯(lián)結(jié)和防水措施。除中面層采用低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青作結(jié)合料外，瀝青混合料瀝青結(jié)合料、瀝青黏層、防水黏結(jié)層等瀝青結(jié)合料采用SBS改性瀝青I-D；表面層、中面層、應(yīng)力吸收層礦料級配統(tǒng)一采用骨架—嵌擠密實型級配；表面層粗集料礦料材質(zhì)采用輝綠巖，其余礦料統(tǒng)一采用石灰?guī)r，具有較高性價比。方案如圖4。

圖4 高模量路面結(jié)構(gòu)試驗方案

2.3 高模量瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)技術(shù)效果及應(yīng)用情況

2.3.1 抗高溫穩(wěn)定性良好

從材料和路面結(jié)構(gòu)兩個角度進行綜合設(shè)計，提高路面整體高溫穩(wěn)定性。材料設(shè)計方面：采用低標(biāo)號30號基質(zhì)瀝青，具有高溫條件下模量高的特點，有效提高高溫穩(wěn)定性；礦料級配統(tǒng)一采用骨架-嵌擠密實型級配，高溫抗車轍性能突出。

2.3.2 抗裂性能可靠

低標(biāo)號瀝青層由于采用骨架-嵌擠密實型級配，混合料本身低溫收縮率較普通級配明顯降低；同時，低標(biāo)號瀝青層設(shè)置在中面層，溫度應(yīng)力較表面層明顯降低，受溫度影響較?。唤Y(jié)構(gòu)中設(shè)置雙層防水黏結(jié)層，即增強了層間粘結(jié)同時對于防止路面裂縫導(dǎo)致的水損害向下延伸效果明顯。

經(jīng)實體工程驗證表明，柳南路上應(yīng)用的高模量瀝青混凝土高溫車轍試驗動穩(wěn)定度均值可達6 200次/mm左右，比SBS改性瀝青混凝土提高20%；20 ℃抗壓回彈模量可達1 500 MPa以上，比SBS改性瀝青混凝土提高50%以上；在造價上，低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青每噸僅5 300元，比SBS改性瀝青的6 200元便宜900元，材料成本降低了15%，具有很好的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

高模量瀝青混凝土采用高溫條件下模量高的低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青，配合骨架 — 嵌擠密實型級配，使得形成的混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性和較高的模量值。骨架嵌擠型粗粒式高模量瀝青混凝土用于瀝青路面的中下面層時可以提高整個路面結(jié)構(gòu)的抗車轍能力并起到一定的結(jié)構(gòu)補強作用，可延長道路的使用壽命并減薄路面厚度。由于采用了低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青作為膠結(jié)材料，比SBS改性瀝青便宜，其材料成本也降低了，從而減低了造價。

綜上所述，高模量瀝青混凝土混凝土的應(yīng)用在提高工程質(zhì)量的同時，降低了工程成本，這在促進瀝青路面的發(fā)展應(yīng)用方面提供了有力的技術(shù)支持。

[1]黃建有，周興業(yè)，謝國瑞.骨架嵌擠型粗粒式高模量瀝青混凝土設(shè)計方法研究及應(yīng)用[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2014(8)：100-102.

[2]肖倩，周興業(yè)，袁祖光.骨架嵌擠型粗粒式高模量瀝青混凝土配合比設(shè)計方法[J].公路交通科技，2012，29(10)：28-32.

[3]陳忠達，袁萬杰，薛航，等.瀝青混合料高溫性能評價指標(biāo)[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，26(5)：1-4.

[4]公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40-2004[S].2004.

[5]公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程：JTJ 052-2000[S].2000.

[6]李靜.瀝青混合料路用性能預(yù)測模型的研究[D].西安：長安大學(xué)，2004.

[7]姚愛玲，張西玲，王選倉.測試方法對瀝青混合料抗壓回彈模量的影響[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，25(6)：21-24.

[8]公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范：JTG D50-2006[S].2006.

2017-08-10

[責(zé)任編輯姚勝勛]

ResearchonApplicationandMixDesignMethodofHighModulusAsphaltConcrete

WANJinjie

(LiuzhouExpresswayOperationCo.，Ltd.，Liuzhou，Guangxi546300，China)

High modulus asphalt concrete is a kind of concrete which mainly uses low-grade hard asphalt as cementing material. It has excellent high temperature stability and high stability for asphalt mixture after molding of the modulus value，when used in the asphalt pavement in the lower surface layer can improve the anti-rutting capacity of the entire pavement structure，plays a certain role in structural reinforcement，and can extend the life of the road. Combined with asphalt layer and indoor system of cement pavement of Liunan Expressway，this paper proposed a design method that can form the most compact skeleton intercalation structure with excellent high temperature stability and significantly improve the modulus of asphalt mixture——mix design method of coarse graded high modulus asphalt concrete with skeleton embedded structure .The high modulus asphalt concrete prepared by this method can make up for the shortage of high modulus asphalt concrete in China. It can be used as heavy load traffic，fast growth traffic，overload phenomenon，long life of asphalt pavement in the use of the underlying material，and reduce the project cost.

skeleton embedded structure；high modulus asphalt concrete；performance research；match ratio

TU528

A

1672-9021(2017)05-00099-06

萬瑾潔(1977-)，女，廣西百色人，柳州高速公路運營有限公司工程師，主要研究方向：公路養(yǎng)護管理與公路維修。