AC-20混合料最佳瀝青膜厚度研究

蔣應軍，王 敏，張建民，張長江，胡良樺，紀小平

(1.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 西安 710064； 2.許昌市公路管理局， 河南 許昌 461000； 3.許昌騰飛公路工程有限公司， 河南 許昌 461000)

瀝青膜厚度是指包裹在石料表面的有效瀝青層厚度，一般用DA表示[1]。瀝青膜厚度與混合料的強度、高溫性能、低溫性能以及耐久性能有著密切聯(lián)系，是混合料設計階段需要考慮的重要參考因素[2]。目前，我國瀝青混合料的設計思路一般以級配設計為主，然后通過馬歇爾設計方法確定混合料的最佳油石比，對于瀝青膜的研究和運用尚處于探索階段。劉寒冰、于輝等[3-4]為了提升瀝青膜厚度計算的準確性，提出了不同的瀝青混合料瀝青膜厚度確定方法；劉文占等[5]基于GTM法研究了瀝青膜厚度對混合料抗剪性能影響，結果表明瀝青膜厚度和動穩(wěn)定度之間有良好的線性關系；劉文霞[6]基于規(guī)范測試方法研究了瀝青膜厚度對混合料溫度穩(wěn)定性影響。上述研究對推動瀝青混合料瀝青膜厚度研究有一定促進作用，但并未綜合混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性能和疲勞性能，綜合推薦合理的瀝青膜最佳厚度建議值。為了豐富瀝青膜理論，進一步補充和完善馬歇爾設計方法，以建立混合料瀝青膜與性能關系，本文基于CT & Blaine瀝青膜厚度計算方法，研究了不同瀝青膜厚度對AC-20混合料性能影響，并推薦了瀝青膜最佳厚度。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

1) 瀝青采用韓國雙龍A級70#道路石油瀝青，其技術指標見表1。

表1 瀝青技術指標

2) 礦粉采用石灰石自制磨制的礦粉，其技術指標見表2。

表2 礦粉技術指標

3) 細集料采用石灰?guī)r現(xiàn)場加工而成的機制砂，其技術指標見表3。

表3 細集料的技術指標

4) 粗集料采用陜西乾縣鑫源石料廠生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，其技術指標見表4。

表4 粗集料的技術指標

1.2 CT & Blaine瀝青膜計算方法及可靠性驗證

1.2.1 計算方法

本文提出采用X-ray CT技術測試粗集料表面積[7]，Blaine比表面積測試儀測試細集料比表面積[8-9]，該方法考慮了礦粉對集料比表面積的影響，對粒徑小于0.075 mm和0.075 mm～0.15 mm部分通過Blaine比表面積測試儀進行實測，并基于此提出了CT & Blaine瀝青膜厚度計算方法。假設礦料中的一部分細小顆粒與瀝青裹覆在一起，由于很難區(qū)分，為了便于分析、計算瀝青膜厚度，這部分細小顆粒的質量通過率為a%，把這部分細小顆粒當作有效瀝青看待，在瀝青膜厚度的計算過程中，這部分細小顆粒的比表面積不應計入集料的比表面積中，而應將其體積當作有效瀝青的體積，進而計算平均膜厚。因此得到瀝青膜厚度計算方程：

(1)

式中：DA為瀝青膜厚度，μm；Pbe為有效瀝青含量，%；γb為瀝青密度，g/cm3；b為0.075 mm的通過率，%；c為小于0.075 mm的比表面積，m2/kg；γse為合成礦料的有效相對密度，g/cm3；SA為集料比表面積，m2/kg。

1.2.2 計算方法可靠性驗證

1) 礦料級配對CT & Blaine瀝青膜厚度計算結果的影響

采用上述同種材料，3組不同級配，對瀝青膜最佳厚度進行驗證，為了便于分析，把3組級配分別命名為JP-1、JP-2、JP-3，級配見表5，不同的級配計算膜厚見表6。

表5 瀝青混合料的礦料級配

表6 不同級配混合料對應膜厚計算

由表6可知，采用本文瀝青膜厚度計算方法所得的瀝青膜厚與假定膜厚4.4 μm的誤差為1.4%～4.1%，所以同種材料不同級配的最佳瀝青膜厚度為4.4 μm；通常推薦的最小瀝青膜厚度為6 μm～8 μm，取中值7.0 μm作為假定最佳瀝青膜厚度，規(guī)范方法計算的瀝青膜厚與假定最佳膜厚7.0 μm的誤差為3.7%～7.6%，采用本文方法計算的瀝青膜厚度誤差要比規(guī)范方法計算的瀝青膜厚度更精確。

2) 原材料對CT & Blaine瀝青膜厚度計算方法的影響

粗集料均采用表4中粗集料，細集料采用不同產(chǎn)地生產(chǎn)的材料，分別命名為JL-1、JL-2、JL-3，其中JL-1的細集料為上文所述機制砂和礦粉，JL-2的細集料采用西咸高速LM-3標瀝青拌和站自建料場生產(chǎn)的0～2.36 mm機制砂和石灰?guī)r礦粉，JL-3的細集料采用甘肅天開石料廠生產(chǎn)的0～2.36 mm機制砂和石灰?guī)r礦粉，細集料技術指標略。級配選擇表5中的JP-2。

每種原材料依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》[10]，采用馬歇爾擊實法確定最佳油石比，計算膜厚，計算結果見表7。

由表7可知，在計算瀝青膜厚度的過程中，采用CT & Blaine集料比表面積計算方法計算的集料比表面積能夠反映集料的粗細情況，現(xiàn)有規(guī)范方法計算的集料比表面積并不能反映同種級配、不同原材料的粗細情況；采用CT & Blaine集料比表面積計算方法計算的集料比表面積越大，最佳油石比越大，比表面積越小，最佳油石比也越小，而現(xiàn)有規(guī)范方法計算的集料比表面積并不能反映比表面積與最佳油石比之間的關系；在不同的原材料、同種級配下，采用本文方法計算的膜厚與假定最佳膜厚4.4 μm的誤差為0.9%～1.8%，誤差范圍小，所以不同材料、同種級配，最佳瀝青膜厚度為4.4 μm，采用規(guī)范方法計算的瀝青膜厚度與假定最佳膜厚7.0 μm的誤差為3.7%～8.3%[11-12]，因此采用本文方法計算的瀝青膜厚度比較精確。

1.3 試驗方案

為了驗證瀝青膜厚度對混合料性能的影響規(guī)律，選擇油石比分別為3.4%、3.7%、4.0%、4.3%、4.6%，根據(jù)瀝青膜厚度計算公式，對應瀝青膜厚度分別為3.8 μm、4.1 μm、4.4 μm、4.7 μm、5.0 μm，分別制備不同類型試樣，測試其高溫性能(動穩(wěn)定度和抗剪強度)、低溫性能(彎拉強度和低溫應變)、水穩(wěn)定性能(殘留穩(wěn)定度和殘留強度比)和疲勞性能。

2 瀝青膜厚度對混合料性能影響

2.1 高溫性能

瀝青膜厚度對動穩(wěn)定度和抗剪強度影響見圖1。

(a) 瀝青膜厚度對動穩(wěn)定度的影響

(b) 瀝青膜厚度對抗剪強度的影響

由圖1可以看出，隨著瀝青膜厚度的不斷增加，混合料的動穩(wěn)定度和抗剪強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢：從圖1(a)中可以看出，當瀝青膜厚度為4.2 μm時，混合料的動穩(wěn)定度取得最大值；從圖1(b)中可以看出，當瀝青膜厚度為4.4 μm時，混合料的抗剪強度取得最大值。這是由于瀝青膜厚度較小時，瀝青混合料中結構瀝青不足，混合料的密實度相對較小，在荷載和溫度作用下，混合料容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，使得其高溫穩(wěn)定性差，而隨著瀝青膜厚度增加，混合料的密實度增加，結構趨于穩(wěn)定，其高溫穩(wěn)定性也達到最優(yōu)[13]。但瀝青膜厚度過大，混合料中出現(xiàn)自由瀝青，導致混合料抗高溫能力下降，表現(xiàn)為動穩(wěn)定度和抗剪強度降低。綜合考慮確定當膜厚為4.3 μm時，混合料高溫性能最優(yōu)。

2.2 低溫性能

瀝青膜厚度對混合料的低溫彎曲影響結果見圖2、圖3。

圖2 瀝青膜厚度對彎拉強度的影響Fig.2 Effect of asphalt film thickness on bending tensile strength

圖3 瀝青膜厚度對破壞應變的影響Fig.3 Effect of asphalt film thickness on failure strain

由圖2可知，隨著瀝青膜厚度的不斷增加，混合料的彎拉強度逐漸增大，且增加幅度較大；從圖3可知，隨著瀝青膜厚度的不斷增加，混合料的破壞應變呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，并且當膜厚度超過4.7 μm后，破壞應變急劇下降，試件迅速破壞。這是由于瀝青含量較低，包裹在集料表面的瀝青膜厚度較薄，結構瀝青不足，在進行低溫彎曲試驗的過程中，試件的主要強度來自于瀝青的粘結力，所以在瀝青含量較小，結構瀝青不足的情況下，混合料的彎拉強度較小，容許的變形值也小；隨著瀝青含量的不斷增加，瀝青膜厚度也隨著增加，結構瀝青的增加使得混合料的低溫性能迅速增加，彎拉強度增大，容許的變形也增大，但是當瀝青進一步增加時，結構瀝青不再增加，多余的瀝青分散到混合料的孔隙中，自由瀝青的含量上升，由于未與集料接觸，該部分瀝青的硬脆特性更加突出，使得混合料的彎拉強度增加，而容許的變形值卻大幅度下降，造成試件迅速脆斷[9]。

實際工程中，路面低溫開裂的主要因素為變形能力不足，結合室內試驗結果，確定當瀝青膜厚度為4.7 μm時，混合料的低溫性能最優(yōu)。

2.3 水穩(wěn)定性能

瀝青膜厚度對水穩(wěn)定性影響見圖4。

(a) 殘留穩(wěn)定度

(b) 殘留強度比

當壓實功一定時，瀝青膜厚度越小，混合料的空隙率越大?？障堵试龃?，瀝青膜暴露在空氣中的面積增大，增加了滲水率，從而加強了水對瀝青的剝落作用[14]。

由圖4(a)可知，隨著瀝青膜厚度的增加，混合料浸水前后的穩(wěn)定度都呈現(xiàn)出先增后減的趨勢；當瀝青膜厚度為4.7 μm時，浸水后的試件馬歇爾穩(wěn)定度最大；殘留穩(wěn)定度不斷增加，但增加趨勢趨于緩慢。由圖4(b)可知，隨著瀝青膜厚度的增加，混合料的凍融殘留強度比不斷增加，但增加趨勢變慢。

隨著瀝青膜厚度的不斷增加，混合料中存在的自由瀝青逐漸增多，填補了原有的部分空隙，降低了混合料的空隙率，在一定程度上提高了混合料的水穩(wěn)定性，但自由瀝青的增加，結構瀝青比例下降，混合料的力學性能隨之下降，雖然水對其造成的影響變小了，但其力學性能的絕對值卻下降了。

浸水馬歇爾試驗結果表明，隨著瀝青膜厚度的增加，混合料殘留穩(wěn)定度增加，但增加趨勢逐漸變緩；混合料在膜厚為4.7 μm時，對應的浸水后馬歇爾試件強度最佳。凍融劈裂試驗結果表明，隨著瀝青膜厚度的增加，凍融劈裂強度比值增加，但增加趨勢逐漸變緩；混合料在膜厚為4.7 μm時，對應的凍融馬歇爾試件劈裂強度最大。綜合浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果，當瀝青膜厚度為4.7 μm時，其水穩(wěn)定性已經(jīng)滿足要求，且獲得的殘留強度最大。據(jù)此確定，當混合料的瀝青膜厚度為4.7 μm時，對應的水穩(wěn)定性最佳。

2.4 疲勞性能

成型不同瀝青膜厚度的混合料車轍板，并將其切制成小梁進行疲勞性能試驗。應力水平分別選擇為0.4和0.6，測試小梁試件的疲勞壽命。瀝青膜厚度對混合料疲勞壽命影響見圖5。

(a) 應力水平為0.4

(b) 應力水平為0.6

由圖5可知，在不同的應力水平下，當瀝青膜厚度為4.7 μm時，對應的混合料疲勞壽命最長。當瀝青膜厚度較大時，比例較大的結構瀝青產(chǎn)生足夠的粘結力，少部分自由瀝青可起到提高混合料耐久性的作用，但瀝青膜厚度繼續(xù)增加后，自由瀝青數(shù)量過多，反而影響了混合料的疲勞性能[15-16]，因此，當瀝青膜厚度為4.7 μm時，混合料的疲勞性能最優(yōu)。

3 結論

1) 驗證了CT & Blaine瀝青膜厚度計算方法的可靠性，試驗結果表明，采用不同原材料、不同級配時，瀝青膜厚度計算誤差為0.9%～4.1%。

2) 研究了混合料性能與瀝青膜厚度之間的規(guī)律，結果表明，隨著瀝青膜厚度的增加，混合料的動穩(wěn)定度、抗剪強度、低溫彎拉應變和疲勞壽命均表現(xiàn)為先增后降的趨勢，而彎拉強度、殘留穩(wěn)定度和殘留強度比則呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，但增加趨勢逐漸變緩。

3) 當瀝青膜厚度為4.4 μm時，混合料的高溫性能較好；瀝青膜厚度為4.7 μm，混合料的低溫性能、水穩(wěn)定性及疲勞性能最優(yōu)，因此，推薦瀝青膜最佳厚度為4.4 μm～4.7 μm，并根據(jù)層位及使用要求的不同進行選擇：以高溫性能為主時，選擇下限為4.4 μm；以低溫性能、水穩(wěn)定性及疲勞性能為主時，選擇上限為4.7 μm。