級配參數(shù)對瀝青穩(wěn)定碎石基層性能的影響研究*

張秋菊 劉禮輝 鐘昆志 孫玉蛟 黃曉明,4

(1.東南大學(xué)交通學(xué)院 南京 211189； 2.云南賓鶴高速公路投資開發(fā)有限公司 大理 671500；3.中建科技集團有限公司四川分公司 成都 610000；4.道路交通工程國家級實驗教學(xué)示范中心(東南大學(xué)) 南京 211189)

半剛性基層瀝青路面是我國高速采用最多的路面結(jié)構(gòu)形式，具有強度高、整體性好，以及造價相對較低等優(yōu)點[1]。然而，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在使用過程中易出現(xiàn)反射裂縫、唧泥等病害[2]。為了彌補半剛性基層的不足，以瀝青穩(wěn)定碎石基層為代表的柔性基層應(yīng)運而生[3]。

瀝青穩(wěn)定碎石基層由粗集料構(gòu)建骨架結(jié)構(gòu)，通過粗集料之間的嵌擠保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，由細(xì)集料、填料和瀝青填充骨架之間的空隙，滿足其抗沖刷和抗疲勞性能要求[4]。級配的選取對瀝青穩(wěn)定碎石基層性能勢必產(chǎn)生重要影響，因此，有必要對級配對瀝青穩(wěn)定碎石性能的影響進(jìn)行深入研究，以保證瀝青穩(wěn)定碎石基層在推廣應(yīng)用過程中的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

目前常用的級配設(shè)計評價方法有規(guī)范法(馬歇爾法)、Superpave法、主骨架空隙體積填充法(CAVF法)和貝雷法4種。其中貝雷法是美國伊利諾伊州交通部Robert D.Baily發(fā)明的一套確定瀝青混合料級配設(shè)計的方法，貝雷法提出了3個重要指標(biāo)CA比、FAc和FAf[5]。采用CA比指標(biāo)對粗集料級配進(jìn)行約束，主要是從集料的離析的壓實方面進(jìn)行考慮。貝雷法要求CA比為0.4～0.8。根據(jù)美國的研究經(jīng)驗可知，當(dāng)CA比大于1時，混合料不能形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)CA比小于0.4時，混合料容易產(chǎn)生離析并難以壓實。FAc主要作為細(xì)集料中的粗細(xì)分界點，用于確定細(xì)集料中較粗的部分與較細(xì)的部分之間的比例關(guān)系。FAc和FAf取值應(yīng)小于0.5，以滿足良好的密實性和施工和易性[6]。

本文采用馬歇爾配合比設(shè)計方法設(shè)計不同級配的瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料，然后采用貝雷法的3個重要指標(biāo)CA比、FAc和FAf分別對瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的級配進(jìn)行評價，獲得對應(yīng)級配參數(shù)。然后采用車轍試驗、浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗分別測得瀝青穩(wěn)定碎石基層的動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比，最后采用回歸分析構(gòu)建貝雷法3個指標(biāo)與瀝青穩(wěn)定碎石高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性之間的關(guān)系，以便為瀝青穩(wěn)定碎石基層的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1瀝青

試驗所用瀝青為70號基質(zhì)瀝青，按照規(guī)范[7]，對瀝青的性能指標(biāo)進(jìn)行測試，相關(guān)指標(biāo)見表1。

表1 瀝青基本指標(biāo)

1.1.2集料和填料

試驗所用集料為石灰?guī)r，按照規(guī)范[8]方法對集料和填料的性能進(jìn)行測試，相關(guān)指標(biāo)見表2和表3。

表3 礦粉基本指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計

以ATB-25級配為基礎(chǔ)對瀝青穩(wěn)定碎石基層級配進(jìn)行設(shè)計。以使混合料骨架密實為原則按一定比例對各檔集料進(jìn)行摻配，采用計算法在統(tǒng)一的油膜厚度下計算相應(yīng)級配瀝青穩(wěn)定碎石的油石比。一共選取5種不同級配的ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石進(jìn)行配合比設(shè)計，5種級配見圖1，各自對應(yīng)的配合比相關(guān)體積指標(biāo)及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]見表4。

圖1 瀝青穩(wěn)定碎石級配曲線

表4 配合比體積指標(biāo)

1.3 貝雷法級配評價

按照貝雷法的相關(guān)要求，可以分別按照式(1)～(3)計算級配的CA比、FAc和FAf。

(1)

(2)

(3)

式中:PNMPS/2為最大公稱尺寸的1/2所對應(yīng)的篩孔的通過率，%；PPCS為關(guān)鍵篩孔(與最大公稱尺寸22%相近尺寸篩孔)通過率，%；PFAC為PCS篩孔22%相近尺寸篩孔通過率，%；PFAF為FAC篩孔22%相近尺寸篩孔通過率，%。

1.4 路用性能試驗

成型車轍板試件和大型馬歇爾試件，測試瀝青穩(wěn)定碎石混合料的高溫抗車轍性能和水穩(wěn)定性能，分別以動穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比為評價指標(biāo)評價其高溫抗變形能力和抗水損壞能力。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 級配參數(shù)的計算

表5 貝雷法3項指標(biāo)計算結(jié)果

2.2 路用性能試驗結(jié)果

采用車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的動穩(wěn)定度、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度進(jìn)行測試。試驗結(jié)果見表6。

表6 路用性能指標(biāo)試驗結(jié)果

成型車轍板試件時，將瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料拌和后采用30 cm×30 cm×5 cm的車轍板模具通過輪碾法成型車轍板試件。成型大型馬歇爾試件時，將瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料拌和后采用內(nèi)徑(152.4±0.2) mm的試模雙面擊實112次得到高(95.3±2.5) mm的大型馬歇爾試件。

2.3 級配參數(shù)和路用性能的關(guān)系

將各種級配瀝青穩(wěn)定碎石的CA比、FAc、FAf和動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比采用回歸分析進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖2、圖3和圖4。

圖2 CA比與路用性能的關(guān)系

圖3 FAc與路用性能的關(guān)系

圖4 FAf與路用性能的關(guān)系

由圖2可知，CA比與殘留穩(wěn)定度的相關(guān)性強，而與動穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比的相關(guān)性較差；由圖3可知，F(xiàn)Ac與動穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度的相關(guān)性強，與凍融劈裂強度比的相關(guān)性較差；由圖4可知，F(xiàn)Af與殘留穩(wěn)定度的相關(guān)性強，而與動穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比的相關(guān)性較好。這說明在一定程度上，可以根據(jù)上述擬合過程中得到的擬合公式，通過級配設(shè)計階段得到的FAc和FAf預(yù)估瀝青穩(wěn)定碎石混合料的動穩(wěn)定度，通過CA比、FAc和FAf預(yù)估瀝青穩(wěn)定碎石混合料的殘留穩(wěn)定度，通過FAf預(yù)估瀝青穩(wěn)定碎石混合料的凍融劈裂強度比。

3 結(jié)語

通過制備不同級配的瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料，研究了貝雷法的3個級配評價指標(biāo)CA比、FAc、FAf與瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比的相關(guān)性，得到的主要結(jié)論如下。

1) 瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料級配的變化將對其動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度產(chǎn)生明顯影響，在級配設(shè)計階段，需要選取合理的級配，以保證最終獲得的瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的路用性能。

2)CA比與殘留穩(wěn)定度的相關(guān)性強，而與動穩(wěn)定度和凍融劈裂強度的相關(guān)性較差；FAc與動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度的相關(guān)性強，與凍融劈裂強度比的相關(guān)性較差；FAf與殘留穩(wěn)定度的相關(guān)性強，而與凍融劈裂強度比和動穩(wěn)定度的相關(guān)性較好。

3) 在級配設(shè)計階段，可以通過貝雷法采用CA比、FAc和FAf對瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比進(jìn)行預(yù)估，對級配進(jìn)行優(yōu)選，選擇CA比和FAf較大、FAc較小的級配，從而保證瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的路用性能。