AC-20瀝青混合料路用性能優(yōu)化

陸學(xué)元

(安徽省高速公路控股集團(tuán)有限公司， 安徽 合肥 230051)

隨著渠化交通、重載車輛的日漸增多與夏季高溫多雨、濕度偏大，常用于瀝青路面中面層的AC-20瀝青混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)車轍和水損害問題較為突出，降低了路面的使用性能和服務(wù)水平，誘發(fā)唧泥、泛油等問題，影響了行車安全。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量研究與路面病害分析，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)瀝青路面結(jié)構(gòu)中，車轍和水損害主要與中面層相關(guān)[1～4]。中面層一般為豎向受壓區(qū)，力學(xué)上以抗豎向壓縮為主，中面層發(fā)生車轍病害的程度最大，而且承受的剪應(yīng)力最大。車轍已成為影響瀝青路面耐久性的突出矛盾。因此，中面層應(yīng)具有很強(qiáng)的高溫抗變形能力，以抵抗荷載的重復(fù)作用。國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[5～10]，有力地推動(dòng)了混合料設(shè)計(jì)水平的提高和路用性能的改善，這些研究主要集中于表面層的原規(guī)范AC-16、AK-13型級(jí)配[11～14]，對(duì)常用于中面層的AC-20瀝青混合料性能優(yōu)化，施工細(xì)節(jié)中客觀存在的級(jí)配和油石比變異對(duì)路用性能的影響問題，如瀝青混合料粗集料集中區(qū)域仍會(huì)出現(xiàn)油石比偏大等現(xiàn)象對(duì)路面力學(xué)性能造成的影響，基于施工質(zhì)量控制的研究還較少。筆者在總結(jié)前人的研究成果和現(xiàn)行規(guī)范級(jí)配[15]的基礎(chǔ)上，開展瀝青混合料組成設(shè)計(jì)和考慮施工質(zhì)量控制的綜合路用性能優(yōu)化分析，以提高路面使用性能和耐久性。

1 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 試驗(yàn)原材料與設(shè)計(jì)

粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為礦粉，結(jié)合料為SBS I-D級(jí)改性瀝青，原材料技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求(具體指標(biāo)從略)。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，按照L25(5)6安排試驗(yàn)[16～17]，適當(dāng)放大文獻(xiàn)[15]級(jí)配下限值，盡可能將影響馬歇爾技術(shù)指標(biāo)的各因素列入其中，并考慮因素水平搭配組合時(shí)不出現(xiàn)負(fù)值，選取9.50 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm篩孔通過率和油石比的5因素5水平(分別以A、B、C、D、E表示)，見表1，級(jí)配范圍涵蓋了粗型和細(xì)型級(jí)配，合成級(jí)配均符合設(shè)計(jì)要求，見表2。

表1 正交設(shè)計(jì)(AC-20)因素水平

表2 正交試驗(yàn)方案

1.2 結(jié)果分析

按規(guī)程[18]要求成型瀝青混合料試件，擊實(shí)溫度為163℃±2.5℃，采用真空法實(shí)測(cè)理論最大相對(duì)密度，每組擊實(shí)有效試件6個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果如表3。極差與方差分析結(jié)果如表4和表5。

表3 AC-20改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表4 級(jí)差分析結(jié)果

注：k1、k2、k3、k4、k5分別是因素A、B、C、D、E的第1水平、第2水平、第3水平、第4水平、第5水平所在的試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)各考核技術(shù)指標(biāo)平均值；R表示極差，R越大表示因素影響越顯著。

上述兩種分析計(jì)算結(jié)果表明，馬歇爾技術(shù)指標(biāo)影響因素的極差和方差分析結(jié)果基本一致，表明試驗(yàn)結(jié)果并不是由于試驗(yàn)誤差引起的，而是因素本身對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)采用方差分析可對(duì)各因素的顯著性水平給出一個(gè)定量分析，避免極差分析中不能估計(jì)試驗(yàn)過程中必然存在誤差大小的缺點(diǎn)。

表5 方差分析結(jié)果

注：若F>F0.01(f因，fE)，稱該因素是高度顯著的，用三個(gè)星號(hào)表示，如***；若FF0.05(f因，fE)，則稱該因素的影響是顯著的，用1或2個(gè)星號(hào)表示；若F

(1)空隙率和飽和度的影響因素大小排序分別為D>E>A>C>B、E>D>A>C>B。其中，0.075 mm、9.5 mm和2.36 mm通過率以及油石比為顯著影響因子，而4.75mm通過率影響并不顯著。據(jù)此可優(yōu)化確定滿足此類瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率為3%～6%和飽和度為65%～75%要求的各因素取值范圍：A為48%～62%，B為28%～45%，C為19%～28%，D為4.5%～7%，E為4.3%～4.7%。

(2)影響馬歇爾穩(wěn)定度的因素大小排序?yàn)锳>D>C>B>E，除9.5 mm通過率影響接近顯著外，其他因素影響不顯著，表明合理優(yōu)化9.5 mm通過率可顯著提高瀝青混合料的高溫承載力。間隙率和毛體積密度的影響因素大小排序?yàn)镈>A>C>B>E、D>C>A>E>B，說明優(yōu)化0.075 mm和9.5 mm通過率可顯著降低礦料間隙率；優(yōu)化0.075 mm、2.36 mm和9.5 mm通過率對(duì)增大試件毛體積密度較為明顯。同時(shí)可看出，影響毛體積密度和空隙率的因素排序不同，主要原因是混合料密度大小不僅取決于空隙率大小，一定程度上更取決于集料組成的空隙率大小，增大油石比可顯著降低空隙率，但并不能有效增大試件密度，建議優(yōu)化集料組成可顯著提高瀝青混合料組成設(shè)計(jì)水平。

2 基于施工質(zhì)量控制的瀝青混合料性能優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為模擬AC-20瀝青混合料施工質(zhì)量控制，選取細(xì)集料砂當(dāng)量、填料類型、粉膠比和空隙率作為因素水平，采用L9(3)4安排試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表6。先實(shí)測(cè)機(jī)制砂砂當(dāng)量，采用通過研磨并經(jīng)過0.075 mm篩孔篩分，將其小于0.075 mm篩孔通過率的泥土作為配制表6設(shè)計(jì)要求的砂當(dāng)量使用；固定油石比為4.3%，保持2.36 mm篩孔通過率不變，調(diào)整礦粉和細(xì)集料，變化0.075 mm篩孔通過率，依次得到粉膠比為0.6、1.1、1.6，從而得到符合設(shè)計(jì)要求的砂當(dāng)量和粉膠比的合成級(jí)配如表7。通過調(diào)整馬歇爾擊實(shí)次數(shù)得到不同空隙率水平，按規(guī)程方法[18]成型瀝青混合料每組有效試件4個(gè)，采用LDR-2型瀝青混合料凍融劈裂儀，主要技術(shù)參數(shù)為最大荷載50 kN，荷載范圍5～35 kN，加載速率(50±5) mm/min，并按照馬歇爾密度成型車轍板與進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表8,極差分析結(jié)果如表9。

表6 正交設(shè)計(jì)(AC-20)因素水平

表7 不同砂當(dāng)量級(jí)配組成設(shè)計(jì)

表8 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

注：DS為動(dòng)穩(wěn)定度；RT2為未凍融劈裂強(qiáng)度；RT1為凍融劈裂強(qiáng)度；TSR為凍融劈裂強(qiáng)度比。

表9 凍融劈裂強(qiáng)度和車轍極差分析結(jié)果

從表9分析可知，(1)未凍融和凍融劈裂強(qiáng)度的影響因素排序均為I>F>H>G；TSR的因素排序?yàn)镕>I>G>H。說明空隙率和砂當(dāng)量均為水穩(wěn)定性的主要影響因素。空隙率由4.5%增至10%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度單調(diào)衰減46.2%；砂當(dāng)量由80%降至60%時(shí)，TSR衰減10.6%，但當(dāng)砂當(dāng)量由80%降低到40%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比單調(diào)降低27.3%。表明經(jīng)過三階段水循環(huán)后的凍融劈裂強(qiáng)度衰減主要取決于試件的內(nèi)在空隙率大小，空隙率越大，其衰減越明顯。同時(shí)可見，凍融劈裂強(qiáng)度與TSR影響因素的影響程度并不一致，TSR反映的是未凍融劈裂強(qiáng)度與凍融劈裂強(qiáng)度的比值，不僅取決于未凍融劈裂強(qiáng)度值，也取決于作為分母的凍融劈裂強(qiáng)度值，TSR增大仍存在凍融劈裂強(qiáng)度值小的問題。因此建議，TSR作為評(píng)價(jià)材料抗水損害的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合凍融劈裂強(qiáng)度值的大小綜合考慮，以提高路面的力學(xué)性能。(2)影響60°C動(dòng)穩(wěn)定度的因素排序?yàn)镮>H>G>F。空隙率和粉膠比較其他因素對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度有顯著影響，空隙率由4.5%增至10%，60°C動(dòng)穩(wěn)定度衰減34.2%；粉膠比由0.6增加到1.6，60°C動(dòng)穩(wěn)定度增加29.5%。表明增大施工壓實(shí)度和適當(dāng)提高粉膠比有助于提高抗車轍性能。綜上所述，優(yōu)先考慮細(xì)集料的潔凈程度，砂當(dāng)量宜控制在70%以上，成型路面空隙率宜控制在6%以下，粉膠比宜控制在1.1～1.6。

3 瀝青混合料高溫抗車轍性能優(yōu)化

由于中面層在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際使用性能中具有最為顯著的抵抗高溫抗剪切變形能力，為探討4.75 mm篩孔通過率的變化對(duì)高溫抗車轍性能的影響，專門在高溫條件下，通過70°C動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)研究這類瀝青混合料的高溫抗車轍特性，以探討常用于路面結(jié)構(gòu)中面層的AC-20瀝青混合料抵抗高溫車轍性能的作用。油石比為4.3%，4.75 mm通過率依次確定為24%、27%、30%、33%、41%、49%，級(jí)配見表10。以馬歇爾試件密度成型車轍板，每組3塊板變異系數(shù)均小于20%，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖1～圖4。

表10 AC-20合成級(jí)配組成設(shè)計(jì)

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度與4.75 mm篩孔通過率關(guān)系

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度與空隙率關(guān)系

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度與各篩孔通過率關(guān)系

圖4 試件空隙率與各篩孔通過率關(guān)系

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著級(jí)配由粗型變?yōu)榧?xì)型，70℃動(dòng)穩(wěn)定度呈明顯拋物線型，4.75 mm通過率為30%～33%左右時(shí)出現(xiàn)峰值，達(dá)到近4000次/mm，此時(shí)試件空隙率為4.7%。之后隨著4.75 mm通過率逐漸增大，70℃動(dòng)穩(wěn)定度由3913次/mm衰減到1772次/mm，衰減54.7%；70℃動(dòng)穩(wěn)定度與4.75 mm通過率的線性相關(guān)性(80.9%)明顯優(yōu)于與2.36 mm和9.5 mm通過率的線性相關(guān)性，但試件空隙率與2.36 mm和9.5 mm通過率的線性相關(guān)性較4.75 mm關(guān)系最為密切，表明空隙率偏小或偏大并不能提高高溫抗車轍性能，也進(jìn)一步印證了本文采用正交均勻理論分析的4.75 mm通過率對(duì)此類混合料空隙率并不顯著結(jié)論的正確性。表明盡管4.75 mm通過率對(duì)馬歇爾性能指標(biāo)影響較小，但對(duì)高溫70°C抗車轍性能貢獻(xiàn)很大，優(yōu)化瀝青混合料組成的骨架密實(shí)作用，可有效提高瀝青路面的高溫抗車轍性能。

4 結(jié) 論

(1)應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了AC-20瀝青混合料馬歇爾性能指標(biāo)的影響因素與排序。結(jié)果表明，0.075 mm、9.5 mm和2.36 mm通過率和油石比為顯著影響因子，而4.75 mm通過率影響并不顯著。據(jù)此在規(guī)范級(jí)配基礎(chǔ)上優(yōu)化提出了混合料組成設(shè)計(jì)的建議范圍。

(2)基于施工質(zhì)量控制的AC-20瀝青混合料綜合路用性能優(yōu)化表明，空隙率和細(xì)集料的潔凈程度是影響路面水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，空隙率與粉膠比是影響60°C動(dòng)穩(wěn)定度的又一關(guān)鍵因素。降低成型路面空隙率，采用潔凈的原材料，適當(dāng)提高粉膠比可有效提高路面的抗水損害性能和抗車轍性能。

(3)盡管4.75 mm通過率對(duì)馬歇爾性能指標(biāo)的影響不顯著，但對(duì)常用于瀝青路面結(jié)構(gòu)中面層的AC-20瀝青混合料具有顯著抵抗高溫車轍性能作用，推薦4.75 mm通過率范圍宜控制在30%～33%之間。

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