基于集料波動的瀝青混合料水穩(wěn)定性研究

陸 宇，杜 騁，金光來，李一鶴

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，南京 210029; 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，南京 210019)

瀝青路面具有行車舒適、噪聲小、施工周期短的特性。隨著我國公路事業(yè)的快速發(fā)展，瀝青路面的應(yīng)用范圍越來越廣泛，瀝青路面路用性能的要求也越來越嚴(yán)格。瀝青混合料的路用性能受級配、瀝青含量、集料性能等多種因素影響。水穩(wěn)定性不足是瀝青路面常見病害之一，水分的侵入會降低集料與瀝青的黏附性，嚴(yán)重影響瀝青路面的耐久性。

瀝青混合料水穩(wěn)定性受多種因素影響。肖飛鵬等[1]研究了SBS摻量、最大公稱粒徑、篩孔通過率和瀝青含量對改性透水瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。畢潔夫等[2]研究了瀝青標(biāo)號、粗集料指標(biāo)和生產(chǎn)廠家對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明改性瀝青制備混合料的路用性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，與石灰?guī)r和玄武巖瀝青混合料路用性能相當(dāng)，生產(chǎn)廠家對混合料路用性能基本無影響。范倩等[3]分析了不同巖性集料的黏附特性和水穩(wěn)定性，結(jié)果表明多孔玄武巖的連通開口空隙多、藏水能力強，導(dǎo)致瀝青混合料水穩(wěn)定性較低。曾輝等[4]指出評價橡膠瀝青與集料的黏附性，水浸法區(qū)分度高，T283和法國多列士試驗方法變異性小。嚴(yán)超等[5]對比了幾種水穩(wěn)定性測試方法，結(jié)果表明肯塔堡浸水飛散試驗可以較好地模擬水的侵蝕作用。目前有關(guān)集料指標(biāo)對瀝青混合料水穩(wěn)定性影響的研究鮮有報道，而且集料指標(biāo)波動對水穩(wěn)定性影響規(guī)律不明確，灰色關(guān)聯(lián)分析法可以對樣本少、無規(guī)律的數(shù)據(jù)進行權(quán)重分析[6-7]。

本文通過馬歇爾擊實法制作不同針片狀顆粒含量、粉塵含量、砂當(dāng)量、關(guān)鍵篩孔通過率的成型試件，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析不同因素對瀝青混合料水穩(wěn)定性的灰色關(guān)聯(lián)度及其排序情況的影響。

1 原材料和配合比設(shè)計

本試驗所用石灰?guī)r集料的產(chǎn)地為安徽省來安縣，礦粉的產(chǎn)地為安徽省宣城市，SBS改性瀝青的產(chǎn)地為江蘇省南京市。

1.1 瀝青

SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果及要求如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果及要求

1.2 集料

所用集料均為玄武巖石料，粗集料粒徑為13.2～19 mm、9.5～13.2 mm和4.75～9.5 mm，細集料粒徑為2.36～4.75 mm和0.075～2.36 mm，填料采用石灰?guī)r堿性集料研磨所得的礦粉，技術(shù)指標(biāo)參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果及要求如表2所示。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果及要求

1.3 配合比設(shè)計

SUP-20礦料級配如表3所示，預(yù)試驗選用油石比3.9%、4.4%、4.9%和5.4%制作成型馬歇爾試件，確定最佳油石比為4.4%。

表3 SUP-20礦料級配

2 試驗方案

選取針片狀顆粒含量、砂當(dāng)量、粉塵含量、4.75 mm 通過率、2.36 mm通過率和0.075 mm通過率6種影響因素，研究其對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，影響因素設(shè)置為針片狀顆粒含量10%、15%、18%，粉塵含量10.5%、12.5%、15%、18%，砂當(dāng)量70%、60%、55%、50%，4.75 mm通過率38.4%±5%，2.36 mm通過率26.4%±4%，0.075 mm通過率4.2%±2%。

通過向粗集料中添加針片狀顆粒，向細集料中加入粉塵調(diào)整集料性能。

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)制作成型馬歇爾試件，進行浸水馬歇爾試驗(T 0709—2011)和凍融劈裂試驗(T 0729—2000)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果 (%)

由表4可知，當(dāng)針片狀顆粒含量超過15%時，瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯降低；針片狀顆粒含量增大，瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比先增大后減小，殘留穩(wěn)定度減小。瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著粉塵含量的增加而下降，隨著粉塵含量的增加，瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比和殘留穩(wěn)定度呈線性衰減。當(dāng)粉塵含量由10.5%增加到18%時，瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比和殘留穩(wěn)定度分別衰減了3.61%和3.95%。瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著砂當(dāng)量的下降而衰減，與砂當(dāng)量70%相比，砂當(dāng)量減小到60%時，瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比和殘留穩(wěn)定度分別衰減了2.28%和2.49%，砂當(dāng)量減小到55%時，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度已不滿足規(guī)范要求，砂當(dāng)量繼續(xù)減小到50%時，瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比和殘留穩(wěn)定度分別衰減了5.29%和8.25%，且瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比和殘留穩(wěn)定度均不滿足規(guī)范要求。通過調(diào)整級配發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性受級配影響較大。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進一步探究瀝青混合料水穩(wěn)定性影響因素的主次排序[8-9]。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析計算

3.2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析法原理

灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的一部分。通過對灰色關(guān)聯(lián)算子集合和影響因素集合所構(gòu)成的序列進行分析，在數(shù)據(jù)不完全、不確定的情況下，通過量化和序化，找出影響因素與系統(tǒng)主行為之間的關(guān)聯(lián)性。其基本原理是通過量化和序化各種因素的曲線，判斷序列曲線的幾何相似性，幾何曲線相似度越高，則表明相關(guān)性越大，反之則相反，進而區(qū)分各影響因素的主次排序。

3.2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析計算方法

1)確定子序列和母序列

根據(jù)分析指標(biāo)和影響因素確定子序列和母序列。設(shè)定系統(tǒng)的目標(biāo)值序列為母序列X0，影響因素序列為子序列Xi。

X0={x0(1),x0(2),x0(3),…,x0(n)}

Xi={xi(1),xi(2),xi(3),…,xi(n)}，i=1，…，n

(1)

2)原始序列無量綱化處理

在進行灰色關(guān)聯(lián)分析時，需要對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，通過合理的轉(zhuǎn)化使原始序列轉(zhuǎn)化為可以相互比較的無量綱序列。轉(zhuǎn)化方法包括區(qū)間值化處理、均值化處理、初始值化處理和標(biāo)準(zhǔn)差化處理。本試驗選用初始值化處理，即對同一序列數(shù)據(jù)同時除以第一行的數(shù)據(jù)。

3)確定序列之間的差異信息

通過各因素母序列與子序列差值絕對值求得差異序列，計算差異矩陣中的最大值和最小值，見式(2)。

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|

Δmax=maxΔik

Δmin=minΔik

(2)

4)關(guān)聯(lián)度系數(shù)矩陣及關(guān)聯(lián)度計算

將X0與Xi在k時刻的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)定義為εi(k)，計算公式見式(3)。關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，則影響因素的影響越大?；疑P(guān)聯(lián)度計算公式見式(4)。

(3)

式中，β為分辨系數(shù)，數(shù)值為(0，1),本試驗取0.5。

(4)

式中，n為每條序列的數(shù)據(jù)數(shù)。

3.3 結(jié)果分析

通過對水穩(wěn)定性結(jié)果進行灰色關(guān)聯(lián)分析[10]，TSR影響因素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)差序列如表5所示，殘留穩(wěn)定度影響因素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)差序列如表6所示，影響因素灰色關(guān)聯(lián)度和占比如表7所示。

表5 TSR影響因素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)差序列 (%)

表6 殘留穩(wěn)定度影響因素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)差序列 (%)

表7 影響因素灰色關(guān)聯(lián)度和占比

(1)各影響因素對瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比和殘留穩(wěn)定度的灰色關(guān)聯(lián)度排序一致，影響程度從大到小排序依次為：4.75 mm通過率、2.36 mm 通過率、砂當(dāng)量、0.075 mm通過率、粉塵含量和針片狀顆粒含量。

(2)篩孔4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm通過率對瀝青混合料的水穩(wěn)定性灰色關(guān)聯(lián)度都大于0.85。該結(jié)果表明級配組成對瀝青混合料的水穩(wěn)定性具有較大影響，其原因可能為級配組成中粗集料會影響瀝青混合料骨架形成，細集料具有孔隙填充作用，級配的變化導(dǎo)致混合料的孔隙率發(fā)生變化[11-12]，進而導(dǎo)致抗水損害性的差異。

(3)集料的砂當(dāng)量、針片狀顆粒含量和粉塵含量對水穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要原因是集料級配改變和瀝青與集料的黏附性降低。集料中針片狀顆粒含量過高，使得瀝青混合料在碾壓過程中難以形成嵌擠結(jié)構(gòu)，針片狀顆粒易斷裂，進而影響瀝青混合料級配。砂當(dāng)量和粉塵含量會影響瀝青與集料的黏附性，當(dāng)細集料中含有較多泥分和粉塵時，會形成不穩(wěn)定膠漿，降低瀝青混合料水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法探究瀝青混合料水穩(wěn)定性影響因素的影響規(guī)律，是一種研究瀝青混合料水穩(wěn)定性影響因素的分析方法。

(2)各影響因素對瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比和殘留穩(wěn)定度的灰色關(guān)聯(lián)度排序一致，影響程度從大到小排序依次為：4.75 mm通過率、2.36 mm 通過率、砂當(dāng)量、0.075 mm通過率、粉塵含量和針片狀顆粒含量。

(3)級配組成對瀝青混合料水穩(wěn)定性影響較大，在瀝青混合料施工質(zhì)量控制中，應(yīng)對級配進行嚴(yán)格把控。