濕熱山區(qū)強骨架密實型瀝青混合料FDAC高溫穩(wěn)定性研究

李曉龍， 沈菊男， 杜輝， 凌天清

(1.重慶交通大學， 重慶市 400074； 2.云南省公路科學技術(shù)研究院； 3.美國喬治亞南方大學)

FDAC瀝青混合料是針對濕熱山區(qū)及河谷地帶提出的強骨架密實型瀝青混合料，采用斷級配，利用高含量的粗集料形成骨架，較少細集料和較多礦粉進行填充，比普通瀝青混凝土減少1/4～1/5的瀝青用量，經(jīng)濟實用，應用價值較高。

在中國，瀝青路面均為分層鋪筑，各結(jié)構(gòu)層由于功能、厚度的需求不同而采用不同的最大公稱粒徑。葛冬冬通過單軸貫入試驗發(fā)現(xiàn)瀝青混合料試件內(nèi)剪應力隨著公稱最大粒徑的增加而增加；王輝通過對AC-13、AC-20、AC-25共3種粒徑瀝青混合料進行三軸剪切試驗發(fā)現(xiàn)，在最佳油石比下，同類型不同粒徑級配的瀝青混合料隨著最大公稱粒徑的增大，內(nèi)摩擦角φ呈現(xiàn)增大趨勢，黏聚力c呈現(xiàn)減少的趨勢；王富玉在對SAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，當填料相同時，粗集料含量與DS的相關(guān)性很好。為掌握FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性隨粒徑大小變化的規(guī)律，更好地指導現(xiàn)場施工，該文采用不同評級指標對13、16、20、25 mm共4種粒徑瀝青混合料進行高溫穩(wěn)定性試驗研究。

1 瀝青混合料配合比設(shè)計

不同粒徑FDAC瀝青混合料礦料級配及最佳瀝青用量如表1所示。

表1 不同粒徑FDAC瀝青混合料的礦料級配及最佳瀝青用量

2 試驗方案

(1) 馬歇爾穩(wěn)定度試驗：按標準試驗方法進行。

(2) 高溫+重載車轍試驗：車轍試驗分為初始壓密、塑性流動變形(蠕變)及剪切破壞3個階段，如圖1所示?？紤]到氣候因素及交通荷載情況，以60 ℃和70 ℃作為溫度條件、0.7 MPa和0.9 MPa作為荷載條件進行試驗，并在標準試驗條件下(60 ℃+0.7 MPa)進行2 520、5 040、7 560次車轍試驗，以觀測不同類型瀝青混合料各試驗階段的時間。

圖1 瀝青混合料車轍試驗不同階段示意圖

(3) 單軸貫入強度試驗：為模擬瀝青路面的受剪狀態(tài)，采用單軸貫入剪切強度試驗進行對比研究，其受力示意圖如圖2所示。試件選用φ101.6 mm×63.5 mm，貫入壓頭選用φ28.5 mm×50 mm，加載速率為1 mm/min，貫入應力系數(shù)fr=0.012h+0.22，試驗溫度60 ℃。

圖2 單軸貫入試驗試件內(nèi)部剪切流動示意圖

為排除空隙率的影響，馬歇爾穩(wěn)定度試驗和單軸貫入強度試驗選取空隙率為4%±0.2%的馬歇爾試件進行，高溫+重載車轍試驗選取空隙率為4%±0.3%的車轍板試件進行。

3 不同粒徑FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗分析

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

不同粒徑FDAC瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同粒徑FDAC瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由表2可知：

(1) 馬歇爾穩(wěn)定度隨粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在粒徑為16 mm時達到最高值。當粗骨料粒徑增大到一定程度，荷載作用下粗骨料棱角受力狀態(tài)由被動變?yōu)橹鲃?，對四周混合料的剪切作用變大，加速了混合料的整體破壞。

(2) FDAC瀝青混合料穩(wěn)定度與流值受粒徑大小變化的影響較小。

3.2 高溫+重載車轍試驗

3.2.1 不同高溫+重載條件下的車轍試驗

不同粒徑FDAC瀝青混合料在不同高溫+重載條件下的車轍試驗動穩(wěn)定度、變形深度試驗結(jié)果如表3所示。為分析各類型瀝青混合料高溫評價指標受溫度因素和荷載因素的影響，計算得到各因素條件下的R值，其中Ⅰ、Ⅱ表示同種因素不同水平效應的估計值(即同種影響因素條件下的加和)，K1、K2分別為Ⅰ、Ⅱ的平均值，R為平均值的極差，代表影響因素對結(jié)果的影響幅度。

由表3可知：

(1) FDAC瀝青混合料總體趨勢為隨著粒徑增大，動穩(wěn)定度增大，變形深度減小。

(2) 不同粒徑FDAC瀝青混合料的動穩(wěn)定度與變形深度均為荷載R值大于溫度R值，說明受荷載因素的影響大于溫度因素的影響。

(3) 不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度與變形深度在不同溫度與荷載條件下的波動相對較小，受力狀態(tài)相對均衡，高溫穩(wěn)定性較為穩(wěn)定。

表3 不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度、車轍變形深度試驗結(jié)果

3.2.2 動穩(wěn)定度與變形深度關(guān)系

將不同溫度荷載條件下不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度與變形深度的試驗結(jié)果進行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度與變形深度關(guān)系曲線

由圖3可知：經(jīng)擬合，不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度與車轍變形深度的試驗結(jié)果為對數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.898，因此可采用對數(shù)關(guān)系式：y=-1.675lnx+16.129進行高溫性能的預測控制。

3.3 單軸貫入強度試驗

不同粒徑FDAC瀝青混合料單軸貫入強度試驗結(jié)果如表4所示，并借鑒文獻[5]、[13]的研究成果計算得到c值和φ值，同時計算瀝青膜厚度，結(jié)果如表5所示。為了研究黏聚力和內(nèi)摩擦角對混合料高溫穩(wěn)定性能影響的大小，采用灰色理論對試驗結(jié)果進行關(guān)聯(lián)度計算，計算結(jié)果如表6所示。

表4 不同粒徑FDAC瀝青混合料單軸貫入強度

表5 不同級配瀝青混合料瀝青膜厚度、粉膠比

表6 黏聚力與內(nèi)摩擦角灰色關(guān)聯(lián)度

由表4～6可知：

(1) 不同粒徑FDAC瀝青混合料單軸貫入強度隨著礦料粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在粒徑為16 mm時達到最大值，其主要原因可能為隨著壓頭的貫入，骨料顆粒將發(fā)生平動與轉(zhuǎn)動，導致結(jié)構(gòu)被重新排列，粒徑從13 mm增大到16 mm，骨料轉(zhuǎn)動阻力增大，單軸貫入強度也隨之增大；當粒徑超過16 mm，內(nèi)部大顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動時會牽動混合料較大空間的變形，并形成向四周施力的“小壓頭”，加速了側(cè)向約束的破壞，導致單軸貫入強度的下降。

(2) 不同粒徑FDAC瀝青混合料無側(cè)限抗壓強度變化趨勢與單軸貫入強度基本一致，且數(shù)值均大于單軸貫入強度。

(3) 各粒徑瀝青混合料內(nèi)摩擦角與黏聚力的差距均較小，說明FDAC瀝青混合料受粒徑的影響較小。

(4) 不同粒徑瀝青混合料單軸貫入深度隨著內(nèi)摩擦角的增大而增加，呈良好的線性關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同粒徑FDAC瀝青混合料貫入深度與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

(5) 瀝青膜厚度與粉膠比呈線性關(guān)系，黏聚力與粉膠比呈拋物線關(guān)系，如圖5、6所示。

圖5 瀝青膜厚度與粉膠比關(guān)系圖

圖6 黏聚力與粉膠比關(guān)系圖

(6) 由灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果可知：黏聚力c對FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響略大于內(nèi)摩擦角φ的影響，其主要原因為瀝青膠漿黏聚力隨骨料表面的吸附與化學作用而增大，兩者交互影響，互不可分，但在高溫條件下較敏感，對高溫穩(wěn)定性影響較大。

4 評價方法分析

FDAC瀝青混合料通過增強骨架結(jié)構(gòu)和降低瀝青用量來提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能， 在采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗、高溫+重載車轍試驗、單軸貫入強度試驗3種評價方法進行研究時，各評價指標所得出的結(jié)論并非完全一致，其中馬歇爾穩(wěn)定度試驗與單軸貫入強度試驗的相關(guān)性較好，二者的變化規(guī)律基本一致，而車轍試驗結(jié)果則與其存在一定的差異。主要原因為車轍試驗主要為過程破壞，而馬歇爾穩(wěn)定度試驗與單軸貫入強度試驗均為瞬時破壞，因此其評價指標并不完全沖突，而是可以相互補充，為FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的評價提供更充分、系統(tǒng)的依據(jù)。

5 結(jié)論

通對采用不同評價指標對不同粒徑FDAC瀝青混合料進行高溫性能研究，得出以下結(jié)論：

(1) FDAC瀝青混合料隨著集料公稱粒徑的增大，動穩(wěn)定度增大，車轍變形深度減小，馬歇爾穩(wěn)定度與單軸貫入強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(2) FDAC瀝青混合料各評價指標受集料粒徑變化的影響有限。

(3) 在高溫+重載車轍試驗中，不同粒徑瀝青混合料均表現(xiàn)為受荷載因素的影響大于溫度因素；經(jīng)擬合，動穩(wěn)定度與車轍變形深度的試驗結(jié)果呈對數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.898，可采用y=-1.675lnx+16.129進行高溫性能的預測控制。

(4) FDAC瀝青混合料粉膠比與黏聚力呈拋物線關(guān)系，與瀝青膜厚度成反比關(guān)系。

(5) 灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果表明，黏聚力c對FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響略大于內(nèi)摩擦角φ的影響。