集料密度差異及成型溫度對瀝青混合料配合比的影響研究

黃波， 李超源， 郝治， 白桃

(1.武漢市黃陂區(qū)交通工程質(zhì)量監(jiān)督站, 湖北 武漢 430300； 2.武漢道盛交通科學(xué)技術(shù)有限公司, 湖北 武漢 430000； 3.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 湖北 武漢 430073)

體積設(shè)計法是國內(nèi)外瀝青混合料的主流設(shè)計方法[1]。其設(shè)計思想是讓細(xì)集料、瀝青和設(shè)計空隙的體積總和填充主骨架空隙體積。但在工程實(shí)踐中，攪拌站工作人員為操作方便，往往直接按質(zhì)量稱重進(jìn)行混合料生產(chǎn)，甚至?xí)苯影凑战?jīng)驗(yàn)選定不同規(guī)格混合料的油石比范圍值。然后改變混合料規(guī)定出料溫度對現(xiàn)場碾壓密實(shí)度進(jìn)行調(diào)控，希望在節(jié)省瀝青用量和耗費(fèi)燃料中達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，但往往得不償失。

事實(shí)上，當(dāng)粗細(xì)集料密度大致相等時質(zhì)量比與體積比十分接近，可以直接用質(zhì)量分?jǐn)?shù)替代體積分?jǐn)?shù)。然而，實(shí)際工程中經(jīng)常會碰到瀝青混合料各粒徑檔組成材料不一致的情況。密度差異較大的粗細(xì)集料復(fù)配最直接的影響就是粗細(xì)集料稱重的質(zhì)量比無法準(zhǔn)確反映體積比，實(shí)際級配曲線與設(shè)計級配曲線發(fā)生偏離[2-3]，影響瀝青混合料的最佳油石比繼而影響混合料路用性能。

此外，瀝青是一種溫度敏感性材料[4]，溫度對混合料體積參數(shù)影響極大[5-6]，自然也會對瀝青混合料的最佳油石比和路用性能產(chǎn)生影響。以往研究中擊實(shí)溫度梯度較大[7-8]，該文結(jié)合規(guī)范推薦溫度范圍和改性瀝青黏溫曲線[9]選擇合理的混合料擊實(shí)成型溫度，結(jié)合室內(nèi)路用性能驗(yàn)證，評估集料密度差異及成型溫度對瀝青混合料配合比的影響，以便于工程參考。

1 密度修正對級配的影響

瀝青混合料的級配設(shè)計對其路用性能具有重要影響。理論上，馬歇爾設(shè)計方法中各檔礦料比例是其體積百分比。在施工中為操作方便，一般用質(zhì)量百分比替代體積百分比。該文把按照原有設(shè)計各檔體積百分比組成稱之為體積級配，而按照各檔集料密度進(jìn)行配比調(diào)整的級配曲線稱之為質(zhì)量級配。若各檔粒徑組成材料不一致，比如石灰?guī)r細(xì)集料和輝綠巖粗集料摻配使用時，由于各檔密度差異較大，密度級配與體積級配存在較大差異。最直接的影響就是粗細(xì)集料稱重質(zhì)量的比例無法準(zhǔn)確反映體積比例，實(shí)際級配曲線與設(shè)計級配曲線發(fā)生偏離，同時也會對瀝青混合料的油石比和粉膠比產(chǎn)生影響[10]。

若粗細(xì)集料均為同種材料，則各檔礦料密度非常接近，合成級配的各檔礦料質(zhì)量分?jǐn)?shù)就等于體積分?jǐn)?shù)，材料組成設(shè)計時可直接按體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行集料質(zhì)量稱量；反之，若粗細(xì)集料密度差異較大時，由于各檔密度不同，集料的質(zhì)量比不能等同于體積比。粗細(xì)集料間的密度值相差越大，則質(zhì)量級配與體積級配之間的差別越大。

該文采用輝綠巖SBS改性瀝青AC-13作為研究對象，細(xì)集料0～2.36 mm機(jī)制砂采用石灰?guī)r，實(shí)測密度為2.698 g/cm3，2.36 mm以上粗集料輝綠巖實(shí)測密度3.000 g/cm3(各檔略有差異，但總體接近)，二者密度差異11.2%。因粗細(xì)集料各檔巖性接近，為方便起見，下文級配修正過程中各檔粗細(xì)集料按前述兩種密度分別取定。級配調(diào)整過程參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行。

經(jīng)計算，修正之前0～3、3～5、5～10、10～15 mm各檔位的稱重質(zhì)量占比分別為38%、12%、20%、30%，修正后對應(yīng)檔位稱重質(zhì)量實(shí)際占比分別為35.5%、12.5%、20.8%、31.2%。經(jīng)密度修正后，混合料合成級配如表1所示。

表1 修正前后瀝青混合料級配

從各檔通過率看：體積級配的0.075 mm篩孔通過率比質(zhì)量級配低0.4%，0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75和9.5 mm依次低0.4%、0.6%、1.1%、1.6%、2.1%、1.9%和0.9%。主要影響AC-13關(guān)鍵檔2.36 mm和0.075 mm以下粉塵含量，由于細(xì)集料的表面積較大，故質(zhì)量級配瀝青混合料需要更多的瀝青來裹覆集料，會消耗更多的瀝青。

按照該文級配修正結(jié)果進(jìn)行配料，并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：質(zhì)量配比和體積配比的各體積參數(shù)和力學(xué)參數(shù)均有一定程度的不同。經(jīng)計算，質(zhì)量級配的最佳油石比為5.1%，而體積級配最佳油石比為4.9%?？梢钥闯觯捍竺芏炔町惔旨?xì)集料復(fù)配時礦料間的密度差異確實(shí)會對最佳油石比參數(shù)產(chǎn)生較大影響，該算例中最佳油石比即降低了0.2%。說明當(dāng)瀝青混合料粗細(xì)集料密度差異較大時，不能直接用質(zhì)量百分比代替體積百分比。

圖1 兩種級配馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 擊實(shí)溫度對最佳油石比的影響

2.1 擊實(shí)成型溫度的選定

按JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，基質(zhì)瀝青混合料可采用黏溫曲線上對應(yīng)于0.25～0.31 Pa·s的溫度作為擊實(shí)成型溫度，改性瀝青則直接規(guī)定了經(jīng)驗(yàn)參考溫度。該文為確定擊實(shí)溫度的影響，采用布氏黏度計進(jìn)行改性瀝青黏溫曲線的測試，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：若類比基質(zhì)瀝青的黏度要求，研究所用的改性瀝青擊實(shí)成型溫度約為180 ℃。有研究表明，當(dāng)溫度大于180 ℃時，繼續(xù)提高改性瀝青混合料的溫度并不會有效地改善施工效果，還會嚴(yán)重影響瀝青混合料路用性能[11]。此外，規(guī)范明確現(xiàn)場碾壓溫度不低于150 ℃。綜合比較，該文分別選用150、160、170和180 ℃作為室內(nèi)擊實(shí)成型溫度。

圖2 SBS改性瀝青黏溫曲線

2.2 擊實(shí)成型溫度的影響

為研究擊實(shí)成型溫度對混合料最佳油石比的影響，該文選用相似質(zhì)量級配的石灰?guī)r和輝綠巖SBS改性瀝青AC-13混合料(表2)，在不同擊實(shí)成型溫度下通過馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比，研究擊實(shí)成型溫度對最佳油石比的影響。其中石灰?guī)r瀝青混合料指粗細(xì)集料均為石灰?guī)r，輝綠巖瀝青混合料由輝綠巖粗集料和石灰?guī)r細(xì)集料組成，礦粉均為石灰?guī)r礦粉。

表2 SBS改性瀝青AC-13混合料級配

在只改變初始擊實(shí)溫度條件下，其他試驗(yàn)操作嚴(yán)格遵循操作規(guī)程，石灰?guī)r及輝綠巖瀝青混合料馬歇爾試件的體積參數(shù)分別如圖3、4所示。

根據(jù)圖3、4結(jié)果，石灰?guī)r和輝綠巖SBS改性瀝青AC-13瀝青混合料在不同擊實(shí)成型溫度下的最佳油石比如表3所示。

圖3 石灰?guī)rSBS改性AC-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出：隨著擊實(shí)成型溫度的提高，瀝青混合料的最佳油石比會降低。原因是溫度提高后瀝青黏度更低，混合料更容易被擊實(shí)，混合料密度和瀝青飽和度增加，空隙率和礦料間隙率減小。當(dāng)體積指標(biāo)發(fā)生變化時，瀝青混合料的最佳油石比也會隨之改變。

表3 不同擊實(shí)成型溫度下最佳油石比

但是，兩種瀝青混合料的最佳油石比變化的程度不同，石灰?guī)rSBS改性瀝青AC-13混合料最佳油石比降低程度明顯超過輝綠巖SBS改性瀝青AC-13混合料。原因在于表2中采用的為質(zhì)量稱量配比，輝綠巖粗集料密度較石灰?guī)r細(xì)集料和礦粉大很多，導(dǎo)致真實(shí)配比中輝綠巖粗集料體積占比偏小，而細(xì)集料及以下部分體積占比增加。表現(xiàn)為輝綠巖SBS改性瀝青AC-13混合料的礦料間隙明顯較石灰?guī)r瀝青混合料的礦料間隙率小。此時，細(xì)集料及其比表面積增加對油石比的影響，要強(qiáng)于提高擊實(shí)溫度所帶來的油石比下降效果。類似地，由于石灰?guī)rSBS改性瀝青AC-13混合料中，石灰?guī)r粗集料的體積較大，具有更大的礦料間隙，其各項(xiàng)體積參數(shù)對成形溫度更為敏感。

3 集料復(fù)配對路用性能的影響

采用輝綠巖SBS改性瀝青AC-13瀝青混合料(表1)，分別采用質(zhì)量級配和體積級配在160 ℃控溫條件下?lián)魧?shí)成型。輝綠巖瀝青混合料由輝綠巖粗集料和石灰?guī)r細(xì)集料組成，礦粉均為石灰?guī)r礦粉。質(zhì)量級配和體積級配的油石比分別為5.1%和4.9%。針對兩種不同配比組成，分別采用動態(tài)單軸壓縮、半圓彎曲、凍融劈裂和重復(fù)半圓彎曲試驗(yàn)來評價其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和疲勞耐久性。

圖4 輝綠巖SBS改性AC-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用旋轉(zhuǎn)碾壓SGC設(shè)備成型直徑150 mm、高度120 mm的圓柱形試件，取芯磨削成為直徑100 mm、高度100 mm的圓柱形試件。在試件上加載半正弦動態(tài)荷載(加載0.1 s，休息0.9 s，幅值0.7 MPa)開展瀝青混合料動態(tài)單軸試驗(yàn)[12]，環(huán)境溫度分別選用50、60 ℃。試件變形達(dá)到100 000 με時試驗(yàn)中止，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 動態(tài)單軸蠕變

試驗(yàn)溫度為50、60 ℃時，質(zhì)量級配瀝青混合料的終止加載次數(shù)分別為2 322、616次，而體積級配瀝青混合料的相應(yīng)值分別為3 088、677次，分別提高了33%和10%，質(zhì)量級配高溫穩(wěn)定性能明顯較體積級配差。這與質(zhì)量級配細(xì)料含量多，瀝青用量偏大有明確對應(yīng)關(guān)系。

3.2 低溫抗裂性

半圓彎曲試驗(yàn)試件直徑150 mm、高度62.5 mm，切口高度6.25 mm，加載速度1.27 mm/min，開展-10 ℃條件下的加載斷裂測試。以斷裂強(qiáng)度和斷裂能指標(biāo)分別評價體積配比和質(zhì)量配比條件下瀝青混合料的低溫抗裂性能[13]，結(jié)果如圖6所示。

圖6 半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從圖6可以看出：質(zhì)量級配的彎拉強(qiáng)度和斷裂能都略優(yōu)于體積級配，分別高1.5%和1.9%。總體上兩種級配的低溫性能比較接近，表明大密度差異粗骨料在最佳油石比變化較小時(該文0.2%)，混合料低溫抗裂性受影響不大。

3.3 水穩(wěn)定性

為驗(yàn)證集料復(fù)配情況下體積級配替換質(zhì)量級配后瀝青混合料抗水損能力的變化，該文通過凍融劈裂試驗(yàn)對兩種配合比的抗水損能力進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出：相同凍融條件下質(zhì)量級配瀝青混合料具有更強(qiáng)的劈裂抗拉強(qiáng)度，同時質(zhì)量級配瀝青混合料的TSR更高。說明大密度差異粗細(xì)集料復(fù)配情況下，質(zhì)量級配油石比更高，抗水損能力比體積級配稍強(qiáng)。考慮到質(zhì)量級配下2.36 mm以下細(xì)料更多，對粗骨料連通空隙封堵越密實(shí)，抗水損性能越佳。

圖7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.4 抗疲勞性能

采用前述半圓彎曲試件進(jìn)行25 ℃條件下瀝青混合料的重復(fù)加載抗疲勞性能測試，分別選取斷裂荷載的40%、50%、60%、70%、80%應(yīng)力水平作為施加荷載，以此評價在不同應(yīng)力水平下瀝青混合料的抗疲勞性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 瀝青混合料半圓彎曲重復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)體積比替換質(zhì)量比之后，在5個應(yīng)力水平下質(zhì)量級配瀝青混合料疲勞壽命平均比體積級配瀝青混合料高5%。總體上兩種級配的抗疲勞性能比較接近，表明大密度差異粗骨料的瀝青混合料在最佳油石比變化較小時(該文0.2%)，混合料抗疲勞性能受影響不大。

4 結(jié)論

針對集料密度差異及成型溫度變化對瀝青混合料配合比的潛在影響，進(jìn)行了混合料級配密度修正、最佳油石比變化及路用性能的驗(yàn)證分析。得到以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)粗細(xì)集料材質(zhì)不同且密度差異較大時，混合料各檔稱重質(zhì)量比與體積比存在一定差異，若不進(jìn)行密度修正會影響混合料的最佳油石比。該文的輝綠巖改性瀝青AC-13混合料，密度修正前后的最佳油石比相差0.2%。

(2) 擊實(shí)成型溫度會顯著改變?yōu)r青黏度，混合料體積指標(biāo)隨之發(fā)生變化，最佳油石比也會隨之降低。在150～180 ℃區(qū)間內(nèi)，該文混合料擊實(shí)溫度每提高10 ℃，石灰?guī)r改性瀝青AC-13的最佳油石比降低約0.1%，輝綠巖改性瀝青AC-13降低約0.06%。

(3) 密度修正對AC-13瀝青混合料的高溫和水穩(wěn)定性能影響相對顯著，而對低溫和疲勞性能影響相對較弱。但是，針對SMA這種粗細(xì)集料占比較高、中間檔斷檔的混合料類型，密度修正會影響更為顯著，工程中可按需驗(yàn)證處置。