改進(jìn)型薄層罩面AC-5瀝青混凝土性能室內(nèi)試驗研究

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摘要：為了探討AC-5瀝青混凝土的路用性能，文章通過結(jié)合傳統(tǒng)馬歇爾試驗與肯塔堡飛散試驗、謝倫堡析漏試驗的改進(jìn)型設(shè)計法來確定最佳油石比，并對其性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗研究。結(jié)果表明：（1）以馬歇爾試驗為主，以肯塔堡飛散試驗、謝倫堡析漏試驗為輔的設(shè)計方法適用于改進(jìn)型薄層罩面AC-5最佳油石比的確定及驗證;（2）通過改良的設(shè)計方法確定了改進(jìn)型薄層罩面AC-5的最佳油石比為5.5%;（3）改進(jìn)型薄層罩面AC-5不僅具有良好的高低溫性能和水穩(wěn)定性能，而且還能夠提高路面的抗滑能力。

關(guān)鍵詞：道路工程;薄層罩面AC-5;改性瀝青混合料;室內(nèi)試驗;路用性能

中國分類號：U416.03文章標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著國內(nèi)絕大部分高速公路步入維養(yǎng)時期，越來越多的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。其中，薄層罩面AC-5憑借其使用壽命長、全壽命周期費(fèi)用低，能形成舒適平坦的行車路面，提供優(yōu)質(zhì)的行駛質(zhì)量及不斷提高行車安全性，同時對原路面的結(jié)構(gòu)也有一定補(bǔ)強(qiáng)作用等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了更多的關(guān)注[4-6]。但是，國內(nèi)對薄層罩面AC-5的相關(guān)研究并不多，應(yīng)用到實體工程中的成功案例也寥寥無幾[7-9]。同時，目前國內(nèi)先行標(biāo)準(zhǔn)未對AC-5瀝青混凝土粗細(xì)集料的分界篩孔提出明確要求，且其對砂粒式AC-5的空隙率設(shè)計要求仍舊依據(jù)不同氣候分區(qū)籠統(tǒng)地采用3%～6%的選擇范圍[10-12]。而有研究表明空隙率為8%時，薄層罩面AC-5的高低溫性能均能滿足規(guī)范要求且具有不錯的抗?jié)B能力[13]。因此，本文將綜合國內(nèi)外的相關(guān)研究資料，優(yōu)選出改進(jìn)型薄層罩面AC-5的級配曲線，運(yùn)用兩種不同的試驗方法確定最佳油石比，并對其路用性能開展室內(nèi)試驗測試。

1 改進(jìn)型薄層罩面AC-5瀝青混凝土設(shè)計

1.1 原材料

相對于傳統(tǒng)的密實型瀝青混合料，改進(jìn)型薄層罩面AC-5的空隙率偏大，因此周圍環(huán)境中的各種因素譬如水、空氣、行車荷載等對其會產(chǎn)生較大的影響，從而導(dǎo)致用于拌制這種混合料的瀝青對集料要求有很強(qiáng)的粘附力和很好的包裹力，同時抗剝離性也必須滿足較高要求[14]。綜合以上各種因素，本次研究選用的是由中遠(yuǎn)海運(yùn)國際貿(mào)易有限公司提供的SBS改性瀝青（I-D）。遵照規(guī)范要求的試驗方法對其開展了技術(shù)指標(biāo)測試，試驗結(jié)果如表1所示。

1.2 改進(jìn)型薄層罩面AC-5礦料級配研究

通過收集整理國外薄層罩面AC-5的相關(guān)資料，將其與國內(nèi)的AC-5規(guī)范要求進(jìn)行對比，綜合擬定出改進(jìn)型薄層罩面AC-5的體積參數(shù)范圍，如表5、下頁表6所示。

從表5的級配范圍可以看出，2.36～9.5 mm和0.075 mm篩孔是國外各地區(qū)關(guān)鍵的控制篩孔，但是國內(nèi)卻對每級篩孔的通過率都做出了限制，這種做法對于薄層罩面AC-5在國內(nèi)得以廣泛應(yīng)用產(chǎn)生的阻礙作用是顯而易見的。因此，基于以上級配范圍的最大公共區(qū)域，借鑒連續(xù)級配的設(shè)計原理對其進(jìn)行等分，求得優(yōu)化的級配曲線[15]，如下頁表7所示。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)型礦料級配在摻入改性瀝青當(dāng)中進(jìn)行拌制時的最佳油膜厚度為7.00～9.00 [WTBZ]μm[16]。本文采用8.00 [WTBZ]μm的油膜厚度對薄層罩面AC-5擬定級配進(jìn)行初始瀝青用量的理論計算，然后按照計算得出的初始瀝青用量進(jìn)行5個級配的馬歇爾試驗并測試其體積參數(shù)，試驗結(jié)果如下頁表8所示。

表8中的數(shù)據(jù)表明，級配4的各項指標(biāo)均能滿足要求且空隙率最接近8%，級配5的空隙率和瀝青用量兩項指標(biāo)都超出了要求范圍。所以，綜合對比兩種級配之后，對級配4進(jìn)行微調(diào)得到級配6，如表9所示。

對級配6進(jìn)行馬歇爾試驗并測試其體積參數(shù)，試驗結(jié)果如表10所示。

表10的數(shù)據(jù)顯示，級配6的各項體積參數(shù)的試驗結(jié)果均能滿足前文綜合擬定AC-5的參數(shù)范圍。因此，將級配6確定為改進(jìn)型薄層罩面AC-5的礦料級配。

1.3 改進(jìn)型薄層罩面AC-5最佳油石比確定方法的研究

瀝青混凝土的路用性能是隨著瀝青用量的多少而變化的，合適的瀝青用量不僅能最大程度地節(jié)約成本，而且可以將混合料的優(yōu)質(zhì)性能發(fā)揮到最大。一般情況下，瀝青混合料的最佳油石比是采用馬歇爾試驗方法來確定的，但是本文采用的改進(jìn)型薄層罩面AC-5的空隙率達(dá)到8%，這已超出規(guī)范中規(guī)定的空隙率要求范圍，不再屬于傳統(tǒng)密級配瀝青混合料范疇。而大空隙開級配排水式瀝青混合料OGFC的最佳油石比確定方法，采用的是謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗相結(jié)合的方式，進(jìn)行綜合計算得出。因此，本文將基于改進(jìn)型薄層罩面AC-5的礦料級配，對兩種方法進(jìn)行比較分析，從而探索出一種更適合改進(jìn)型薄層罩面AC-5的最佳油石比確定方法。

1.3.1 馬歇爾試驗設(shè)計法

以改進(jìn)后的級配為基礎(chǔ)，在油石比為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%的條件下制作馬歇爾試件。然后對其相關(guān)指標(biāo)分別測試及計算，繪制出油石比與各項指標(biāo)的關(guān)系圖，如圖1～7所示。

（1）按照規(guī)范要求，根據(jù)圖1～3和圖6中的數(shù)據(jù)，可得OAC1=（5.8+4.8+5.7+5.7）/4=5.5。

（2）取各項指標(biāo)滿足要求的油石比最大值及最小值，由圖7可得OAC2=（4.8+6.1）/2=5.45。

（3）綜合OAC1和OAC2的取值，可得最佳油石比OAC=5.5。

因此，由馬歇爾試驗確定的最佳油石比為5.5%。

1.3.2 析漏-飛散試驗設(shè)計法

在交通荷載作用下，大空隙瀝青混合料由于瀝青用量或粘結(jié)性不足，路面表面集料會發(fā)生脫落而散失的情況。針對此類問題，國外研究者專門開發(fā)了肯塔堡飛散試驗和謝倫堡析漏試驗。本文研究的改進(jìn)型薄層罩面AC-5目標(biāo)設(shè)計空隙率8%已經(jīng)超出我國傳統(tǒng)密級配3%～6%的空隙率范圍，所以借鑒以上兩種試驗來探索改進(jìn)型薄層罩面AC-5的最佳油石比。以上文確定的礦料級配，按4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%的油石比進(jìn)行兩項試驗，試驗結(jié)果如下頁圖8和圖9所示。

由圖8、圖9可以得到油石比上、下限值分別為5.7%和5.4%，然后取其平均值5.5%為最佳油石比。

由以上兩種設(shè)計方法得出的最佳油石比值一致可以看出，無論是比較普及的馬歇爾試驗設(shè)計法還是專門為大空隙瀝青混合料研究出的析漏-飛散試驗設(shè)計法，其用在改進(jìn)型薄層罩面AC-5上的效果是殊途同歸的。由此可以看出，傳統(tǒng)密級配瀝青混凝土和大空隙瀝青混凝土的特點(diǎn)在改進(jìn)型薄層罩面AC-5上都有所體現(xiàn)，所以才會得出最佳油石比一致的結(jié)果。然而，大空隙瀝青混凝土的空隙率一般>12%，相對而言8%的空隙率更加接近于密級配瀝青混凝土的空隙率范圍，同時改進(jìn)型薄層罩面AC-5的礦料級配和體積參數(shù)均是基于密級配AC-5瀝青混合料的。所以，建議以馬歇爾試驗設(shè)計法為主來確定最佳油石比，以析漏-飛散試驗設(shè)計法為輔來驗證最佳油石比。

2 改進(jìn)型薄層罩面AC-5室內(nèi)性能試驗

按照5.5%的最佳油石比和前文選出的礦料級配，對改進(jìn)型薄層罩面AC-5瀝青混合料進(jìn)行路用性能室內(nèi)試驗驗證。

（1）高溫性能驗證

車轍試驗結(jié)果如表11所示。

由表11可知，其高溫穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

（2）低溫性能驗證

低溫彎曲試驗結(jié)果如表12所示。

由表12可知，其低溫性能良好。

（3）水穩(wěn)定性能驗證

浸水馬歇爾試驗結(jié)果、凍融劈裂試驗結(jié)果如表13所示。

由表13可知，其水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

（4）疲勞性能驗證

在恒應(yīng)力控制的連續(xù)半正弦波加載模式下，將溫度控制在25 ℃，應(yīng)力比控制在0.5，加載頻率控制為10 Hz，開展四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗，試驗結(jié)果如表14所示。

由表14可知，其具備一定程度的抗疲勞能力。

（5）抗滑性能驗證

構(gòu)造深度試驗結(jié)果如表15所示。由表15可知，其抗滑性能較好。

（6）抗剝落性能驗證

浸水飛散試驗結(jié)果如表16所示。由表16可知，其抗剝落性能良好。

（7）力學(xué)性能驗證

單軸壓縮動態(tài)模量試驗結(jié)果如表17、圖10所示。

據(jù)表17和圖10顯示，隨著荷載施加頻率的增大，改進(jìn)型薄層罩面AC-5的動態(tài)模量也是逐漸增大且趨于水平的，這說明常溫下，改進(jìn)型薄層罩面AC-5具有一定抵抗低頻荷載的能力。

綜合以上試驗結(jié)果可知，油石比為5.5%的改進(jìn)型薄層罩面AC-5不僅具有良好的高低溫性能和水穩(wěn)定性能，而且還能夠在提升路面抗滑能力方面起到一定作用。

3 結(jié)語

本文通過研究整理國內(nèi)外相關(guān)資料，優(yōu)選出改進(jìn)型薄層罩面AC-5的級配曲線，運(yùn)用兩種不同的方法對其最佳油石比的確定進(jìn)行了研究分析，然后在最佳油石比的條件下對其室內(nèi)性能試驗進(jìn)行驗證，得出了以下結(jié)論：

（1）改進(jìn)型薄層罩面AC-5的最佳油石比，建議采用馬歇爾試驗設(shè)計法確定，以析漏-飛散試驗設(shè)計法用于驗證。

（2）通過傳統(tǒng)馬歇爾試驗方法與析漏-飛散試驗設(shè)計法確定了改進(jìn)型熱拌薄層AC-5最佳油石比為5.5%。

（3）對改進(jìn)型熱拌薄層AC-5的路用性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗驗證，發(fā)現(xiàn)其不僅具有良好的高低溫性能和水穩(wěn)定性能，而且還能夠提高路面的抗滑能力。

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作者簡介：

李 睿（1991—），碩士，工程師，主要從事道路工程材料試驗檢測與性能測試工作;

傅 琴（1967—），博士，教授級高級工程師，主要從事公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)工作。