SBS改性瀝青混合料最佳油石比優(yōu)化試驗(yàn)研究

范 澤

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000）

瀝青混凝土結(jié)構(gòu)是公路交通常見(jiàn)路面材料類(lèi)型，具有強(qiáng)度高、整體性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種高等級(jí)公路建設(shè)中。隨著公路交通量的快速增加，車(chē)輛行駛需求的提高對(duì)瀝青路面性能提出了更高的要求。早期的瀝青混凝土路面受制于技術(shù)水平及材料工藝限制，已不能滿足當(dāng)前公路交通高流量、大荷載的需求，尤其是對(duì)高等級(jí)公路，急需改善瀝青混凝土的綜合性能，延長(zhǎng)路面材料使用壽命[1]。

瀝青混凝土由一定級(jí)配的礦料、碎石和瀝青拌和而成，混合料中瀝青與礦料質(zhì)量比稱(chēng)之為油石比，是瀝青混合料制備的主要參數(shù)，工程實(shí)踐中需通過(guò)路面材料試驗(yàn)獲得混合料的最佳油石比，從而使瀝青性能達(dá)到最優(yōu)[2]。最佳油石比變化范圍較為穩(wěn)定，一般在3.5%～5.5%范圍內(nèi)，盡管瀝青用量占比較小，但油石比的變化對(duì)瀝青的用量、密度、穩(wěn)定度及孔隙率等均有明顯影響。因此，本文結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)SBS改性瀝青，以?xún)?yōu)化最佳油石比計(jì)算方法為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)展瀝青混凝土配合比的優(yōu)化試驗(yàn)研究。

1 項(xiàng)目背景

1.1 道路信息

本文以某地區(qū)高等級(jí)公路為背景，該路線為國(guó)家高速公路網(wǎng)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。公路交通等級(jí)為六車(chē)道高速公路，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。路面目標(biāo)指標(biāo)可靠度指標(biāo)根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[3]和《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]綜合確定為1.65。

表1 高速公路主要參數(shù)Table1 Main parameters of expressway

路面結(jié)構(gòu)參數(shù)受交通荷載影響，不同車(chē)流下路面疲勞壽命具有顯著差異。結(jié)合地區(qū)交通荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定大型客貨車(chē)交通量及增長(zhǎng)率見(jiàn)表2。對(duì)不同層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)算，最終確定路面瀝青混凝土結(jié)構(gòu)厚度為：4cm細(xì)粒式改性瀝青瑪蹄脂SMA-13上面層+6cm中粒式SBS改性瀝青混凝土AC-20C中面層+8cm瀝青混凝土AC-25下面層。

表2 路面驗(yàn)算參數(shù)Table 2 Pavement checking parameters

1.2 路面材料特性

經(jīng)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算確定瀝青混凝土上面層和中面層采用SBS改性瀝青混凝土，其基質(zhì)瀝青采用道路A級(jí)石油瀝青70號(hào)，性能檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表3。經(jīng)檢測(cè)，該改性瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)等均符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

表3 石油瀝青及SBS改性瀝青混凝土性能指標(biāo)Table 3 Performance index of petroleum asphalt and SBS modifi ed asphalt concrete

礦料采用石灰?guī)r碎石粗集料及機(jī)制砂細(xì)集料，對(duì)各礦料的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4，可知礦料的特性滿足指標(biāo)要求。

表4 礦料指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Table 4 Mineral index test results

2 瀝青混合料油石比設(shè)計(jì)

2.1 馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)法介紹

瀝青混合料最佳油石比確定的常用方法有馬歇爾試驗(yàn)法、Super pave法、GTM法和力學(xué)指標(biāo)法。其中，馬歇爾試驗(yàn)法和Super pave法憑借對(duì)瀝青性能的全面考慮及良好的實(shí)踐效果被廣泛采用[5-6]。這兩種方法本質(zhì)基本相同，在最佳油石比確定過(guò)程中均側(cè)重于根據(jù)體積指標(biāo)確定，區(qū)別在于試件成型方法不同。馬歇爾試驗(yàn)法通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下?lián)魧?shí)成型馬歇爾試件，繪制油石比與瀝青混合料關(guān)鍵指標(biāo)的關(guān)系曲線并確定最佳油石比，具體步驟如下：

(1) 在標(biāo)準(zhǔn)的溫度和濕度條件下，用馬歇爾擊實(shí)儀成型試件，測(cè)定不同油石比下的試件毛體積密度、有效瀝青飽和度、礦料間隙率、流值、空隙率及穩(wěn)定度；

(2) 繪制不同指標(biāo)與油石比關(guān)系曲線，確定滿足指標(biāo)要求的油石比范圍；

(3) 綜合考慮各性能指標(biāo)確定最佳油石比。

2.2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

本項(xiàng)目所采用的設(shè)計(jì)方法為馬歇爾試驗(yàn)法，級(jí)配曲線采用AC-20C改性瀝青混凝土配合比，基于馬歇爾試驗(yàn)對(duì)AC-20C改性瀝青混凝土目標(biāo)配合比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)油石比范圍為3.5～5.5，檢測(cè)不同油石比對(duì)應(yīng)的混合料毛體積相對(duì)密度、有效瀝青飽和度、礦料間隙率、流值、空隙率及穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖6所示，表5則給出了依據(jù)檢測(cè)結(jié)果得到的各指標(biāo)極值分布狀況。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，毛體積相對(duì)密度、礦料間隙率、穩(wěn)定度曲線均出現(xiàn)了極值，而其余指標(biāo)則為單調(diào)變化，極值出現(xiàn)在曲線兩端。

圖1 毛體積相對(duì)密度 Fig.1 Relative density of gross volume

圖2 有效瀝青飽和度 Fig.2 Eff ective asphalt saturation

圖3 礦料間隙率 Fig.3 Mineral clearance ratio

圖4 流值Fig.4 Flow value

圖5 空隙率 Fig.5 Void fraction

圖6 穩(wěn)定度Fig.6 Stability

表5 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Marshall test results for asphalt mixtures

3 最佳油石比優(yōu)化

3.1 最佳油石比確定方法

瀝青混凝料的性能對(duì)穩(wěn)定度和流值有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求, 但早期受制于儀器設(shè)備限值，在最佳油石比計(jì)算中不考慮流值指標(biāo)影響。因此依據(jù)規(guī)范JTG F40-2004，傳統(tǒng)的最佳瀝青用量根據(jù)式（1）計(jì)算[7]。

式(1)中，a1、a2、a3、a4分別為穩(wěn)定度最大值、密度最大值、空隙率中值、飽和度中值對(duì)應(yīng)的油石比；OACmin和OACmax為符合全部瀝青混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的油石比最小值和最大值。

流值是指進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)時(shí)瀝青混合料試件受壓達(dá)到破壞點(diǎn)時(shí)的垂直變形量，是瀝青性能的重要指標(biāo)。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果中包含了穩(wěn)定度、流值、密度、空隙率、飽和度指標(biāo)與油石比的關(guān)系，但在公式1計(jì)算當(dāng)中，對(duì)流值并未考慮。隨著試驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，為在現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上充分考慮瀝青混合料各指標(biāo)性能，本文將瀝青混合料流值引入最佳油石比計(jì)算。規(guī)范對(duì)流值指標(biāo)范圍作出了明確規(guī)定，應(yīng)在1.5～4.5范圍內(nèi)，流值過(guò)大或過(guò)小均不利于混合料的性能，因此將瀝青流值中值對(duì)應(yīng)的油石比引入最佳油石比計(jì)算，可得到式（2）。

OAC3=(a1+a2+a3+a4+a5)/5 （2）從而得到OCA的計(jì)算公式（3）。

式（3）中，a1、a2、a3、a4、a5分別為穩(wěn)定度最大值、密度最大值、目標(biāo)空隙率中值、飽和度范圍中值、瀝青流值中值對(duì)應(yīng)的油石比，當(dāng)密度或穩(wěn)定度未出最大值時(shí), 可采用空隙率中值4.7%對(duì)應(yīng)的油石比作為OAC1；OACmin和OACmax為符合全部瀝青混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) (除VMA) 的油石比最小值和最大值。

按照公式（1）和公式（3）計(jì)算得到最佳油石比分別為4.369和4.379。表6給出了兩種油石比下瀝青混合料關(guān)鍵指標(biāo)理論值對(duì)比結(jié)果，可以看到引入流值指標(biāo)后瀝青關(guān)鍵性能均好于基于傳統(tǒng)方法所得的最佳油石比。毛體積相對(duì)密度、礦料間隙率和穩(wěn)定度理論值基本無(wú)變化，但空隙率、有效瀝青飽和度和流值變化較為明顯。與公式（1）確定的油石比相比，空隙率、有效瀝青飽和度和流值更接近目標(biāo)值，即指標(biāo)的中值，可認(rèn)為所提出的油石比計(jì)算公式（3）可更好地利用馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果。

表6 瀝青混合料指標(biāo)理論值Table 6 Theoretical value of asphalt mixture index

3.2 馬歇爾試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)最佳油石比下的瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 瀝青混合料性能指標(biāo)對(duì)比Table 7 Comparison of performance indexes of asphalt mixture

由表7結(jié)果可知，采用公式（3）計(jì)算油石比所得混合料的試驗(yàn)值變化規(guī)律與理論值基本一致，各指標(biāo)均符合規(guī)范技術(shù)要求。具體數(shù)值方面，毛體積相對(duì)密度、礦料間隙率及穩(wěn)定度變化微小，變化率在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為對(duì)混合料綜合性能影響不顯著，而空隙率、有效瀝青飽和度和流值變化則有較為明顯的改善。因此，基于此所確定的最佳油石比下瀝青混合料的綜合性能更佳。

4 結(jié)論

(1)給出了考慮瀝青混合料流值特性的最佳油石比計(jì)算方法，并通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)比傳統(tǒng)方法與本文方法所得最佳油石比下瀝青混合料關(guān)鍵指標(biāo)理論值，證明引入流值指標(biāo)后瀝青關(guān)鍵性能均有所改善。

(2)對(duì)最佳油石比下混合料的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果與采用公式（3）計(jì)算最佳油石比所對(duì)應(yīng)的理論值變化規(guī)律基本一致，各指標(biāo)均符合規(guī)范技術(shù)要求。

(3) 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果顯示毛體積相對(duì)密度、礦料間隙率及穩(wěn)定度變化較小，可認(rèn)為對(duì)混合料綜合性能影響不顯著，而空隙率、有效瀝青飽和度和流值變化則得到較為明顯的改善，基于所提出方法確定的最佳油石比下瀝青混合料的綜合性能更佳。