瀝青混合料體積指標(biāo)對(duì)路用性能的影響

王家舒, 高 英

(東南大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

隨著交通量的增加、汽車(chē)軸載加大以及渠化交通的形成,瀝青路面出現(xiàn)不同程度的損壞,其中高溫車(chē)轍、低溫開(kāi)裂和水損害作為主要的破損形式,達(dá)到破損總量的80%以上[1].而礦料是瀝青混合料的主要成分,占瀝青混合料總體積的90%以上[2].集料的形態(tài)和分布對(duì)瀝青混合料的機(jī)械性能有著重要的影響,因而瀝青混合料的空間結(jié)構(gòu)是影響其路用性能的關(guān)鍵因素[3].級(jí)配、體積指標(biāo)和路用性能間的關(guān)系是瀝青混合料設(shè)計(jì)和瀝青混凝土使用過(guò)程中要注意的最基本的關(guān)系.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這三者之間的關(guān)系作了大量的試驗(yàn)和理論研究.文獻(xiàn)[3]利用2D成像技術(shù),選擇接觸點(diǎn)數(shù)量、接觸面積等表征骨架結(jié)構(gòu)的指標(biāo),研究了骨架結(jié)構(gòu)與高溫性能的關(guān)系.文獻(xiàn)[4]通過(guò)以VCA和CBR作為集料逐級(jí)填充試驗(yàn)的雙控指標(biāo),探究了不同粒徑尺寸粗集料的交互作用,確定了粗集料的關(guān)鍵尺寸,證明了粗集料骨架級(jí)配與VCA和CBR具有較好的相關(guān)性.文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)粗級(jí)配混合料更有利于抵抗高溫變形,細(xì)級(jí)配混合料有利于抵抗水損害、疲勞開(kāi)裂等.文獻(xiàn)[6]利用三維球體模型來(lái)分析瀝青混合料骨架的力學(xué)特征,通過(guò)增加接觸點(diǎn)的數(shù)量,提高了骨料骨架的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[7]基于有限元法,發(fā)現(xiàn)相對(duì)于骨架空隙結(jié)構(gòu)，懸浮密實(shí)和骨架密實(shí)具有較好的抗剪切能力和承載能力.文獻(xiàn)[8]研究了集料級(jí)配對(duì)體積指標(biāo)VV和VMA的影響,證明了骨架密實(shí)型AC混合料具有很好的抵抗高溫變形的能力.文獻(xiàn)[9]用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法探究了礦料級(jí)配對(duì)VV,VMA和VFA的影響.文獻(xiàn)[10]驗(yàn)證了貝雷法可以很好地應(yīng)用于SMA-13級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)中.以上研究主要是針對(duì)級(jí)配與體積指標(biāo)、級(jí)配與路用性能以及體積指標(biāo)與路用性能的關(guān)系.但是目前對(duì)于反映混合料空間結(jié)構(gòu)的體積指標(biāo)與路用性能關(guān)系的研究過(guò)少.

為此,本研究中選擇能反映混合料骨架緊密程度的指標(biāo)VCAratio以及反映混合料空隙率的指標(biāo)VV和VMA,通過(guò)建立體積指標(biāo)與路用性能指標(biāo)的關(guān)系,進(jìn)而研究不同空間結(jié)構(gòu)對(duì)路用性能的影響,并對(duì)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化提出建議.

1 瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能試驗(yàn)

1) 瀝青.由于瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)對(duì)于瀝青質(zhì)量要求較高,為了保證其性能,對(duì)于不同瀝青混合料統(tǒng)一使用改性瀝青,其密度為1.036 g·cm-3.

2) 纖維.試驗(yàn)中,依據(jù)SMA要求,選擇木質(zhì)素纖維，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,密度為1.100 g·cm-3,外觀(guān)呈絮狀、灰白色,pH=7,顆粒直徑約為6 mm,具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性,能夠承受250 ℃以上的溫度.

3) 集料.集料采用南京同一礦料廠(chǎng)的玄武巖,其破碎程度、表面紋理、密度和空隙率等技術(shù)指標(biāo)相近.

根據(jù)JTG E42—2015《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》,進(jìn)行粗、細(xì)集料的密度試驗(yàn),測(cè)得瀝青混合料中集料的主要質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 瀝青混合料的主要質(zhì)量指標(biāo)

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

以AC-13作為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)瀝青混合料的代表類(lèi)型.依據(jù)中國(guó)工程院院士沙慶林教授提出的SAC礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法,通過(guò)適當(dāng)增加粗集料的含量,可以將AC型混合料的空間結(jié)構(gòu)由懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)調(diào)整為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu).因此,以4.75 mm為關(guān)鍵篩孔,以JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)應(yīng)級(jí)配范圍的中值為基礎(chǔ),上下分別波動(dòng)9%,設(shè)計(jì)出AC-13(粗)、AC-13(中)和AC-13(細(xì))等3種類(lèi)型的混合料.選定SMA-13和OGFC-13分別為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和骨架空隙結(jié)構(gòu)的代表類(lèi)型.根據(jù)JTG F40—2004中給定的級(jí)配范圍的中值作為初始級(jí)配設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),主要控制4.75 mm和9.50 mm篩孔的通過(guò)率.AC-13(粗)、AC-13(中)、AC-13(細(xì))、SMA-13和OGFC-13等5種瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 5種瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

1.3 瀝青混合料最佳油石比的確定

本研究采用馬歇爾法確定瀝青最佳用量,最終確定AC-13(粗)、AC-13(中)、AC-13(細(xì))、SMA-13和OGFC-13的最佳油石比分別為5.0%,5.1%,5.3%, 5.9%和4.7%.

2 瀝青混合料的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)

體積指標(biāo)VV和VMA與路用性能存在一定的關(guān)聯(lián)性,兩者都是判斷級(jí)配設(shè)計(jì)是否符合要求的重要依據(jù).兩個(gè)體積指標(biāo)都在一定程度上反映了瀝青混合料礦料以外空隙的大小,根據(jù)其值大小可以有效劃分密實(shí)結(jié)構(gòu)和空隙結(jié)構(gòu).

混合料的粗集料骨架間隙率VCAmix小于或等于粗集料干搗骨架間隙率VCADRC,這是判斷瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)是否形成的基本依據(jù).因此,以VCAmix和VCADRC的比值VCAratio作為分析空間結(jié)構(gòu)的體積指標(biāo),可以反映混合料是否形成骨架結(jié)構(gòu),并且可以判斷骨架的緊密程度.當(dāng)VCAratio<1時(shí),混合料為骨架結(jié)構(gòu);當(dāng)VCAratio>1時(shí),混合料為非骨架結(jié)構(gòu);VCAratio越小,認(rèn)為骨架結(jié)構(gòu)越好.5種瀝青混合料按照選定的級(jí)配和最佳油石比制作試件,其VMA,VV,VCAmix,VCADRC和VCAratio測(cè)定值見(jiàn)表2.

表2 瀝青混合料的體積指標(biāo)

由表2可知: ① 對(duì)于VMA指標(biāo),AC-13,SMA-13和OGFC-13具有較大的差異性.其中OGFC-13的VMA值最大,SMA-13的VMA值較AC-13大.隨著AC-13中細(xì)集料含量和瀝青用量的增多,其VMA值逐漸減小.由圖1和表1可知,通過(guò)增加粒徑小于4.75 mm的集料含量,可以有效降低混合料的VMA值. ② 對(duì)于VV指標(biāo),除OGFC-13空隙率相對(duì)較大外,AC-13型和SMA-13因目標(biāo)空隙率接近,因此這4種混合料的空隙率沒(méi)有較大的差異性,不能較好地反映4種混合料的空間結(jié)構(gòu).但由于空隙率指標(biāo)對(duì)于瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)具有重要的意義,并且其對(duì)路用性能有較大的影響,在此也將其作為重要的體積指標(biāo)進(jìn)行分析.

文獻(xiàn)[11]曾利用離散元方法對(duì)集料之間的接觸狀態(tài)進(jìn)行模擬,得出了粒徑為4.75～9.50 mm的集料對(duì)于接觸點(diǎn)數(shù)增多有較大的影響.由圖1可知:在集料粒徑為4.75～9.50 mm時(shí),5種混合料的斜率由大到小的順序依次為OGFC-13、SMA-13、AC-13(粗)、AC-13(中)和AC-13(細(xì)),與骨架緊密程度由大到小的順序一致.該結(jié)果驗(yàn)證了粒徑為4.75～9.50 mm的集料含量對(duì)骨架結(jié)構(gòu)的形成有較大影響,該粒徑范圍集料含量越多,對(duì)于骨架結(jié)構(gòu)的形成越有利.

3 瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)

3.1 高溫性能試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》,用瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)混合料抵抗高溫變形的能力.變形曲線(xiàn)由記錄儀自動(dòng)記錄,試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表3.VMA和VCAratio與高溫性能指標(biāo)的關(guān)系如圖2,3所示.

表3 5種瀝青混合料路用性能指標(biāo)匯總

由圖2a可知:對(duì)于VMA-DS曲線(xiàn),當(dāng)VMA較小時(shí),隨著VMA增大,DS不斷增大;從左數(shù)第3段增速明顯大于第1,2段;結(jié)合圖3a中VCAratio-DS曲線(xiàn)可以看出,VMA-DS曲線(xiàn)的第3段在VCAratio=1附近.這說(shuō)明瀝青混合料高溫性能對(duì)骨架結(jié)構(gòu)是否形成更加敏感,對(duì)VMA敏感度相對(duì)較低.當(dāng)VMA急劇增大時(shí),高溫性能變差.

由圖3a中VCAratio-DS的關(guān)系可以看出,除左數(shù)第1段(VCAratio差距很小,但VMA差距很大)外,其他幾段隨VCAratio的增大,DS逐漸減小;第2段斜率明顯大于第3,4段,而第2段位于VCAratio=1附近.這說(shuō)明骨架結(jié)構(gòu)的形成對(duì)瀝青混合料的高溫性能有較大的影響,且在VMA差距不大的情況下,VCAratio越小,骨架結(jié)構(gòu)越好,抵抗高溫變形的能力越強(qiáng).

圖2 VMA和高溫性能指標(biāo)關(guān)系示意圖

圖3 VCAratio和高溫性能指標(biāo)關(guān)系示意圖

由圖2b中VMA-d2的關(guān)系可以看出,除了從左數(shù)第4點(diǎn)外,其他幾個(gè)點(diǎn)均隨著VMA的增大,車(chē)轍深度逐漸增大,這說(shuō)明相對(duì)于DS,VMA對(duì)車(chē)轍深度具有更大的影響.第4點(diǎn)和第3點(diǎn)相比,VMA相差不大,但車(chē)轍深度明顯減小,而第3,4點(diǎn)為骨架結(jié)構(gòu)是否形成的過(guò)渡點(diǎn),這說(shuō)明骨架結(jié)構(gòu)的形成可以有效減緩車(chē)轍的深度.對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn),60 min車(chē)轍深度和DS并沒(méi)有較好的正相關(guān)性.

從宏觀(guān)角度看,骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性能最優(yōu),骨架空隙結(jié)構(gòu)次之,懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)較差.而對(duì)于A(yíng)C-13型的3種混合料,均未形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu),但AC-13(粗)較AC-13(中)和AC-13(細(xì))更接近于骨架結(jié)構(gòu),抗車(chē)轍能力也較強(qiáng).

3.2 低溫性能試驗(yàn)

在反映小梁低溫抗裂能力的幾個(gè)指標(biāo)中,最大彎拉應(yīng)變反映的是瀝青混合料下緣的最大彎拉應(yīng)變,其值越大,表明瀝青混合料具有較強(qiáng)的抵抗彎拉變形的能力.由于粗集料變形能力較弱,瀝青延性相對(duì)較高,因而最大彎拉應(yīng)變主要取決于細(xì)集料含量和瀝青用量.抗彎拉強(qiáng)度反映了小梁跨中截面下緣所能承受的最大彎拉應(yīng)力.與瀝青材料相比,較大粒徑的集料,其抗拉、抗壓強(qiáng)度都大于瀝青材料. 在空隙率相差不大時(shí),增大粗集料的含量可以提高瀝青混合料的最大彎拉強(qiáng)度.勁度模量為彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變的比值,其值越大,表明瀝青混合料越易斷裂,低溫抗裂的能力越差.

根據(jù)JTG E20—2011要求,用瀝青混合料彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)混合料低溫拉伸性能,試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表3.VMA和VCAratio與低溫性能指標(biāo)的關(guān)系分別如圖4-5所示.

圖4 VMA和低溫性能指標(biāo)關(guān)系示意圖

圖5 VCAratio和低溫性能指標(biāo)關(guān)系示意圖

由圖4中最大彎拉應(yīng)變-VMA的關(guān)系可以看出,隨著VMA的增大,對(duì)于左數(shù)第1,2段,最大彎拉應(yīng)變減小較快,而對(duì)于左數(shù)第3,4段,最大彎拉應(yīng)變減小較慢,說(shuō)明在VMA較小時(shí),最大彎拉應(yīng)變對(duì)VMA的敏感度較大.整體趨勢(shì)上看,隨著VMA的增大,最大彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì).彎曲勁度模量與VMA的關(guān)系與其分析結(jié)果相似,但整體上呈增大的趨勢(shì).

由圖5中最大彎拉應(yīng)變-VCAratio的關(guān)系可以看出,左數(shù)前2個(gè)點(diǎn)的VCAratio值相差不大,但最大彎拉應(yīng)變迅速增加;而左數(shù)第2,3和4段曲線(xiàn)斜率基本一致,在VCAratio=1附近,斜率并沒(méi)有發(fā)生明顯變化.這說(shuō)明,VCAratio與1的大小關(guān)系對(duì)最大彎拉應(yīng)變影響不大.彎曲勁度模量和VCAratio的關(guān)系與其分析結(jié)果相似,但整體上呈減小的趨勢(shì).

在圖4的抗彎拉強(qiáng)度-VMA的關(guān)系中可以看出,左數(shù)第1,2和3段斜率不斷增大,但第3段斜率最大;而第3段是骨架結(jié)構(gòu)是否形成的過(guò)渡點(diǎn),說(shuō)明骨架結(jié)構(gòu)是否形成對(duì)最大抗彎拉強(qiáng)度有較大影響.但隨著VMA的繼續(xù)增大,抗彎拉強(qiáng)度逐漸減小,這說(shuō)明即使形成骨架結(jié)構(gòu),當(dāng)VMA過(guò)大時(shí),會(huì)使混合料抗彎拉強(qiáng)度急劇下降.

宏觀(guān)上,SMA-13型混合料的抗彎拉強(qiáng)度明顯高于A(yíng)C-13型,而AC-13型的勁度模量小于SMA-13型.對(duì)于OGFC-13型混合料,低溫抗裂性能最差.

3.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011的要求,選擇瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)混合料抵抗水損害的能力,試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表3.VMA和VCAratio與水穩(wěn)定性指標(biāo)的關(guān)系示意圖分別如圖6-7所示.

圖6 VMA和水穩(wěn)定性指標(biāo)關(guān)系示意圖

由表3中凍融劈裂強(qiáng)度對(duì)比指標(biāo)TSR可知,5種混合料的強(qiáng)度均符合JTG E20—2011的要求,并沒(méi)有較大的差異性,這說(shuō)明5種瀝青混合料抵抗水損害的能力均較強(qiáng).

由圖6-7可知:VMA和VCAratio的4條曲線(xiàn)變化趨勢(shì)非常接近,這說(shuō)明5種混合料在經(jīng)受和未經(jīng)受凍融循環(huán)條件下,其抵抗凍融劈裂的規(guī)律相似;僅在經(jīng)受凍融循環(huán)后,抗劈裂能力有所降低.現(xiàn)僅分析經(jīng)受凍融劈裂后5種瀝青混合料抵抗劈裂的規(guī)律性.

通過(guò)觀(guān)察圖6中RT2-VMA的關(guān)系可以看出,隨VMA的增大,左數(shù)第1,2段曲線(xiàn)斜率較大,且呈下降趨勢(shì);左數(shù)第3段較為平緩;左數(shù)第4段曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì),斜率與左數(shù)第1,2段相比較小.這說(shuō)明,隨著VMA的增大,瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小;在VMA較小時(shí),凍融劈裂強(qiáng)度對(duì)VMA值的敏感度較大.

圖7 VCAratio和水穩(wěn)定性指標(biāo)關(guān)系示意圖

圖7中,由曲線(xiàn)RT2-VCAratio的關(guān)系可知,左數(shù)第1段曲線(xiàn)斜率較大,且呈上升趨勢(shì).而左數(shù)第1段曲線(xiàn)的VCAratio差距較小,VMA值相差較大,這說(shuō)明瀝青混合料的水穩(wěn)定性對(duì)VMA值的敏感度較大.左數(shù)第2段曲線(xiàn)呈緩慢下降的趨勢(shì),而第2段為骨架結(jié)構(gòu)是否形成的過(guò)渡段,這說(shuō)明骨架結(jié)構(gòu)是否形成對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響較小.整體趨勢(shì)上,隨著VCAratio的增大,瀝青混合料的水穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng).

在宏觀(guān)上,5種瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度由大到小的順序依次為AC-13(細(xì))、 AC-13(中)、SMA-13、 AC-13(粗)和OGFC-13.這個(gè)結(jié)果與小梁彎曲試驗(yàn)的結(jié)果有一定的相似性,懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu),而骨架空隙結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性較差.

4 結(jié) 論

1) 體積指標(biāo)VMA和VCAratio可以較好地反映瀝青混合料空間結(jié)構(gòu).通過(guò)調(diào)整4.75 mm篩孔的通過(guò)率,可以有效調(diào)整骨架的緊密程度;試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了粒徑為4.75～9.50 mm的集料含量對(duì)骨架結(jié)構(gòu)的形成有較大影響,該粒徑范圍的集料含量越多,對(duì)于骨架結(jié)構(gòu)的形成越有利.

2) 瀝青混合料的高溫性能對(duì)于是否形成骨架結(jié)構(gòu)更加敏感,而對(duì)VMA的敏感度較差.在VMA差距不大的情況下,VCAratio越小,骨架結(jié)構(gòu)越好,抵抗高溫變形的能力越強(qiáng).相對(duì)于DS,VMA對(duì)車(chē)轍深度的影響更大;60 min車(chē)轍深度和DS并沒(méi)有較好的相關(guān)性.從宏觀(guān)角度看,骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性能最優(yōu),骨架空隙結(jié)構(gòu)次之,懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)最差.

3) 瀝青混合料的低溫性能對(duì)VMA的敏感度較大.整體上,隨著VMA減小,瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性變好.VCAratio與1大小關(guān)系對(duì)瀝青混合料低溫性能影響較小,但適當(dāng)增加粗集料的含量可有效提高混合料的抗彎拉強(qiáng)度.宏觀(guān)上,懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的低溫穩(wěn)定性最好,而骨架空隙結(jié)構(gòu)最差.

4) 在經(jīng)受和未經(jīng)受凍融循環(huán)兩種條件下,瀝青混合料抵抗劈裂的規(guī)律相似;但在經(jīng)受凍融循環(huán)后,抗劈裂能力有所降低.瀝青混合料水穩(wěn)定性與體積指標(biāo)的規(guī)律性與小梁彎曲試驗(yàn)相似.