LSAM路用性能研究

桂志成

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

0 引言

近年來(lái)，隨著對(duì)瀝青路面材料、工藝和技術(shù)等方面的深入研究，針對(duì)路面的高溫抗車(chē)轍和耐久性能問(wèn)題等制定了較多的解決方案。其中，大粒徑瀝青混合料（Large Stone Asphalt Mixes，簡(jiǎn)稱“LSAM”）因具備優(yōu)良的高溫抗車(chē)轍性能，工程造價(jià)略低，施工周期短等優(yōu)勢(shì)，逐漸應(yīng)用于道路基層。

根據(jù)我國(guó)部分路段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)科研人員的研究成果顯示，LSAM瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)的柔性基層，在抗車(chē)轍、抗永久變形能力和抗反射裂縫方面具有顯著的特點(diǎn)，但基于混合料自身特性，也出現(xiàn)了在施工過(guò)程中容易離析，且路面空隙率不易控制等問(wèn)題。劉紅瑛等利用開(kāi)發(fā)的集料離析測(cè)量?jī)x評(píng)價(jià)了5種不同級(jí)配LSAM瀝青混合料，指出貝雷法設(shè)計(jì)更適用于該類(lèi)型混合料［1］［6］；鄒太平闡述了LSAM瀝青混合料采用密級(jí)配結(jié)構(gòu)的相關(guān)路用性能和施工工藝［2］；李彩霞提出大粒徑瀝青混合料在舊路結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層的應(yīng)用，優(yōu)化了在不同結(jié)構(gòu)層應(yīng)用的合理厚度［3］；江曉霞研究了超大粒徑瀝青混合料（SLSM）的級(jí)配特性，建立了分形維數(shù)值與體積指標(biāo)之間的關(guān)系，分析了粒徑、頻率等參數(shù)對(duì)相關(guān)力學(xué)性能的影響［7］。

綜上所述，針對(duì)LSAM瀝青混合料在道路基層中應(yīng)用的研究涉及較少，還需要進(jìn)行深入的系統(tǒng)研究。筆者采用改進(jìn)的大型馬歇爾試驗(yàn)、高溫抗車(chē)轍試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)及水穩(wěn)定性試驗(yàn)，通過(guò)改變礦料級(jí)配、集料公稱最大粒徑及試驗(yàn)溫度等因素對(duì)LSAM瀝青混合料進(jìn)行研究，全面分析LSAM瀝青混合料的路用性能，為實(shí)體工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方案

1．1 原材料選擇

采用殼牌70?；|(zhì)瀝青作為L(zhǎng)SAM瀝青混合料的膠結(jié)料，各項(xiàng)指標(biāo)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20－2011）進(jìn)行檢測(cè)［4］，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40－2004）中的相關(guān)要求［5］，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1；集料為石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r研磨而成，具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 70＃瀝青性能檢測(cè)結(jié)果表

表2 礦粉檢測(cè)結(jié)果表

1．2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，LSAM瀝青混合料具備優(yōu)良的抗車(chē)轍性能和力學(xué)性能與混合料的級(jí)配組成、公稱最大粒徑大小等有關(guān)。本文結(jié)合以往研究經(jīng)驗(yàn)，具體設(shè)定以下方案對(duì)其進(jìn)行綜合分析研究：

（1）試驗(yàn)選擇兩種公稱最大粒徑為37．5mm和31．5mm的集料，兩種級(jí)配類(lèi)型（連續(xù)密級(jí)配和連續(xù)開(kāi)級(jí)配），研究公稱最大粒徑、級(jí)配組成等對(duì)路用性能的影響，其合成礦料級(jí)配范圍見(jiàn)表3。

表3 LSAM瀝青混合料合成級(jí)配設(shè)計(jì)表

（2）采用大型馬歇爾方法對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)分析，具體參數(shù)為 152．4mm×95．3mm，擊實(shí)112次成型，其他按照常規(guī)方法。3種級(jí)配的LSAM瀝青混合料體積參數(shù)，主要包括瀝青用量、空隙率、礦料間隙率等指標(biāo)（見(jiàn)表4）。

表4 LSAM瀝青混合料試件基本性能指標(biāo)表

（3）LSAM瀝青混合料路用性能試驗(yàn)方法選擇。其中，高溫抗車(chē)轍性能評(píng)價(jià)采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)，水穩(wěn)定性能采用凍融劈裂指標(biāo)，低溫抗裂性能采用劈裂強(qiáng)度指標(biāo)，具體參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20－2011）中的相關(guān)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 高溫穩(wěn)定性能分析

目前，現(xiàn)行規(guī)范中沒(méi)有涉及LSAM大粒徑瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)方法。本文結(jié)合相關(guān)研究成果，對(duì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)試模進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，制作了300mm×300mm×100mm（試模厚度為集料公稱最大粒徑的1．5倍）和300mm×300mm×150mm兩種厚度的試模，分析LSAM大粒徑瀝青混合料的抗車(chē)轍能力，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

LSAM瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

圖1描述了3種不同級(jí)配LSAM瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)分析可知：

（1）LSAM的級(jí)配組成結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)存在顯著影響。其中，級(jí)配2＃動(dòng)穩(wěn)定度值最大，級(jí)配1＃次之，級(jí)配3＃最小。級(jí)配2＃的動(dòng)穩(wěn)定度值提高了約26．6%（與級(jí)配1＃相比）。這是由于級(jí)配2＃為連續(xù)開(kāi)級(jí)配，公稱最大粒徑為37．5mm，級(jí)配1＃為連續(xù)密級(jí)配，公稱最大粒徑為37．5mm，說(shuō)明公稱最大粒徑相同條件下，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍能力優(yōu)于連續(xù)密級(jí)配。開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的粗集料偏多，試件內(nèi)部形成了骨架－嵌擠結(jié)構(gòu)，而連續(xù)密級(jí)配瀝青混合料細(xì)集料偏多，粗集料之間沒(méi)有形成骨架結(jié)構(gòu)，因此在荷載作用下的抗變形能力稍弱。如級(jí)配2＃中粒徑13．2mm篩孔的通過(guò)率為35%，級(jí)配1＃的通過(guò)率為43%，二者相差8%，31．5mm篩孔的通過(guò)率相差約12%。

（2）成型試件的厚度對(duì)高溫性能也存在一定的影響。隨試件成型厚度的增加，動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)下降，且厚度對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度值的影響程度與級(jí)配類(lèi)型有關(guān)。對(duì)于3種不同級(jí)配LSAM瀝青混合料（級(jí)配1＃、級(jí)配2＃、級(jí)配3＃），厚度為100mm試樣的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)均高于厚度為150mm試樣，分別提高了約15．7%、33．5%和39．5%。這說(shuō)明瀝青混合料的車(chē)轍變形隨瀝青結(jié)構(gòu)層厚度的增加而增大，該結(jié)論與相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果相一致。

2．2 水穩(wěn)定性能分析

瀝青路面發(fā)生破壞的主導(dǎo)因素與水的作用存在直接關(guān)系，水分子的加入降低了瀝青混合料集料－瀝青的粘附性能，促使礦料發(fā)生剝離，導(dǎo)致路面產(chǎn)生坑槽等現(xiàn)象。評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能具有重要的意義，文中選擇凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)LSAM瀝青混合料水穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖2分析可知：

（1）3種不同級(jí)配類(lèi)型的LSAM瀝青混合料水穩(wěn)定性整體性能良好，均滿足規(guī)范《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50－2017）的技術(shù)要求（≥75%），TSR值在80%以上，其中級(jí)配1＃和級(jí)配2＃的TSR值相接近，分別為86．5%和85．9%，而級(jí)配3＃的TSR值稍差，其值為81．9%。這說(shuō)明級(jí)配1＃和級(jí)配2＃的抗水損害能力優(yōu)于級(jí)配3＃，LSAM瀝青混合料同樣具備優(yōu)良的水穩(wěn)定性能。

（2）結(jié)合LSAM瀝青混合料基本性能指標(biāo)分析，級(jí)配1＃和2＃的公稱最大粒徑均為37．5mm，級(jí)配類(lèi)型分別為密級(jí)配和開(kāi)級(jí)配，級(jí)配1＃的瀝青含量高于級(jí)配2＃和3＃，空隙率和礦料間隙率均低于二者，凍融循環(huán)過(guò)程中水分難以進(jìn)入混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，水分發(fā)生結(jié)晶，凍脹率較低；而級(jí)配3＃的礦料間隙率高（VMA＝13．53%），公稱最大粒徑為31．5mm，盡管采用開(kāi)級(jí)配，但礦料之間沒(méi)有形成良好的嵌擠－密實(shí)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凍融循環(huán)過(guò)程中水結(jié)晶膨脹作用力破壞了試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，水穩(wěn)定性能下降，這與高溫抗車(chē)轍能力評(píng)價(jià)相對(duì)應(yīng)。

2．3 低溫抗裂性能分析

LSAM瀝青混合料劈裂強(qiáng)度指標(biāo)依據(jù)《瀝青混合料劈裂試驗(yàn)》（T0716－2011）中的試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)溫度選擇15℃，壓條選擇19mm，加載速率為1mm／min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖3可知：

（1）3種LSAM瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值關(guān)系與凍融劈裂強(qiáng)度TSR表示相一致，級(jí)配1＃的劈裂強(qiáng)度值最佳，級(jí)配2＃次之，級(jí)配3＃最低，且級(jí)配2＃和3＃的劈裂強(qiáng)度值接近。這說(shuō)明級(jí)配類(lèi)型對(duì)劈裂強(qiáng)度值影響更為顯著，而公稱最大粒徑對(duì)混合料劈裂強(qiáng)度值的影響較小，密級(jí)配瀝青混合料的低溫抗裂性能優(yōu)于開(kāi)級(jí)配瀝青混合料。如級(jí)配1＃的劈裂強(qiáng)度值分別提高了30%（與級(jí)配2＃相比）和40%（與級(jí)配3＃相比）。

（2）對(duì)于LSAM瀝青混合料（公稱最大粒徑≥26．5mm），低溫抗裂性能一直作為重點(diǎn)的研究對(duì)象，這主要是因?yàn)榇旨掀嗟那稊D－骨架結(jié)構(gòu)，瀝青膠結(jié)料的用量顯著低于密級(jí)配瀝青混合料（最佳瀝青用量相差約0．2%～0．5%），盡管在高溫抗車(chē)轍性能方面表現(xiàn)優(yōu)良，但對(duì)低溫抗變形能力的貢獻(xiàn)主要為瀝青膠結(jié)料，最佳瀝青用量的降低或偏少勢(shì)必降低其低溫抗裂性能。因此，適當(dāng)提高最佳瀝青用量上限，可以保證LSAM瀝青混合料間具備充分的“結(jié)構(gòu)瀝青”，進(jìn)一步提高其劈裂強(qiáng)度值。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）LSAM瀝青混合料具有良好的高溫抗車(chē)轍性能，增加集料公稱最大粒徑、采用間斷級(jí)配結(jié)構(gòu)均能有效優(yōu)化瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)；而成型試件厚度的增加，降低了LSAM瀝青混合料的抗車(chē)轍性能，推薦采用嵌擠－骨架結(jié)構(gòu)。

（2）級(jí)配和公稱最大粒徑的變化均對(duì)LSAM瀝青混合料的水穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能產(chǎn)生一定的影響，采用密級(jí)配瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度指標(biāo)和低溫劈裂強(qiáng)度指標(biāo)優(yōu)于開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，而降低公稱最大粒徑并沒(méi)有改善二者的性能。

（3）LSAM瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能均能滿足規(guī)范要求，適當(dāng)?shù)靥岣咦罴褳r青用量能夠改善低溫劈裂強(qiáng)度值弱化的現(xiàn)象，可為實(shí)體工程的應(yīng)用提供充分的理論依據(jù)和指導(dǎo)。