4種級(jí)配組成瀝青混合料的路用性能評(píng)價(jià)

何躍武

0 引言

中、下面層是瀝青路面面層的重要結(jié)構(gòu)層次,其使用性能好壞直接影響瀝青路面的使用質(zhì)量和使用壽命。目前在瀝青路面中、下面層中,常用瀝青混合料級(jí)配類型為AC-20Ⅰ和AC-25Ⅰ,近年來(lái)也開(kāi)始使用Super19和 Super25,后者為美國(guó) SHRP研究成果。選擇這4種級(jí)配類型的瀝青混合料進(jìn)行分析。采用瀝青路面分析儀、輪轍試驗(yàn)儀和凍融試驗(yàn)評(píng)價(jià)這些瀝青混合料的抗車(chē)轍能力和抗水損害能力等路用性能,并對(duì)瀝青混合料的施工特性進(jìn)行分析。

1 級(jí)配組成特征的分析

4種類型瀝青混合料的級(jí)配范圍見(jiàn)表1,級(jí)配中值曲線見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn),最大公稱尺寸相同的Super19與AC-20Ⅰ型混合料級(jí)配中值在篩孔尺寸9.5 mm以上的級(jí)配曲線基本重合,主要差別在0.075 mm～4.75 mm的細(xì)集料組成。Super19細(xì)集料的遞減率較大,級(jí)配指數(shù) n=0.575,且位于Superpave禁區(qū)的下方,AC-20Ⅰ細(xì)集料的遞減率較小,級(jí)配指數(shù) n=0.489,級(jí)配曲線位于Superpave的禁區(qū)之中。Super19中2.36 mm篩的通過(guò)量P2.36=23%～35%,AC-20Ⅰ中 2.36 mm篩的通過(guò)量 P2.36=28%～46%,根據(jù)Superpave的劃分標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)P2.36＜35%時(shí)屬于粗級(jí)配[1],因此Super19為粗級(jí)配,而AC-20Ⅰ屬于細(xì)級(jí)配。

表1 中、下面層用瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

表2 瀝青混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度和流值

Super25屬于粗級(jí)配,級(jí)配指數(shù) n=0.577,級(jí)配曲線位于Superpave禁區(qū)的下方。AC-25Ⅰ混合料中細(xì)集料級(jí)配曲線位于Superpave禁區(qū)之上,屬于細(xì)級(jí)配,級(jí)配指數(shù) n=0.500。

此外,AC-25Ⅰ的細(xì)集料與AC-20Ⅰ型的細(xì)集料級(jí)配組成相當(dāng),Super25與Super19的細(xì)集料級(jí)配組成相當(dāng)。

2 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度與流值

由表2可見(jiàn),當(dāng)混合料的最大公稱尺寸相同時(shí),AC型瀝青混合料穩(wěn)定度和流值大于Super型瀝青混合料試件的穩(wěn)定度和流值。最大公稱尺寸增加,瀝青混合料試件的穩(wěn)定度下降、流值增大。

2.2 APA試驗(yàn)——車(chē)轍深度

1)作用軸載為445 N,作用 8 000次時(shí),不同級(jí)配組成混合料試件的車(chē)轍深度測(cè)試值見(jiàn)圖2。在4種瀝青混合料中,AC-25Ⅰ型混合料的車(chē)轍深度最大,其車(chē)轍深度平均值約為Super型混合料車(chē)轍深度平均值的1.5倍,為AC-20Ⅰ型混合料的1.34倍左右,AC-20Ⅰ型混合料的車(chē)轍深度約為Super型混合料車(chē)轍深度的1.1倍。在粗級(jí)配混合料中,2.36 mm以上的粗集料含量較高,在混合料中形成骨架結(jié)構(gòu),對(duì)于車(chē)輛作用有著較好的抵抗能力,所以兩種粗級(jí)配的Super型瀝青混合料的抗車(chē)轍能力較強(qiáng)。

2)為模擬重交通條件,將試驗(yàn)軸載提高至700 N,作用次數(shù)增加至20 000次,對(duì)Super型混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。在荷載作用前期(N=8 000次),Super混合料的車(chē)轍深度增加60%左右,與軸載增加 56%相當(dāng),此時(shí) Super19車(chē)轍深度較Super25混合料高約3%。當(dāng)荷載作用20 000次時(shí),Super19試件的車(chē)轍深度增加23%左右,而Super25試件的車(chē)轍深度增加約30%。這在某種程度上表明,在重荷載、大交通條件下,Super19型混合料的抗車(chē)轍能力略優(yōu)于Super25型混合料,最大公稱尺寸與混合料的抗車(chē)轍能力無(wú)顯著關(guān)系。

2.3 輪轍試驗(yàn)——?jiǎng)臃€(wěn)定度DS

圖4為4種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果。4種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范800次/mm的要求,動(dòng)穩(wěn)定度最小的AC-20Ⅰ型混合料也在1 300次/mm以上。AC-20Ⅰ型混合料的動(dòng)穩(wěn)定度水平僅為Super型混合料動(dòng)穩(wěn)定度的60%(Super19)和 70%(Super25)。Super19混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較Super 25型混合料的動(dòng)穩(wěn)定度高約18%,所反映出的信息與APA車(chē)轍試驗(yàn)條件為700 N,20 000次時(shí)的結(jié)果一致。

3 瀝青混合料的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

1)浸水車(chē)轍試驗(yàn)——浸水車(chē)轍比 RR。圖5為4種瀝青混合料車(chē)轍深度比RR的測(cè)試結(jié)果,4種混合料在經(jīng)凍融處理后,浸水車(chē)轍深度比 RR均小于1.4,其中細(xì)級(jí)配的AC型混合料車(chē)轍深度比較小,尤其是AC-25Ⅰ型混合料表現(xiàn)出較高的水穩(wěn)定性。

2)凍融劈裂強(qiáng)度。4組瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn),4種混合料劈裂強(qiáng)度比 TSR均大于75%,各混合料水穩(wěn)定性的排序與車(chē)轍深度比RR排序基本相同。AC型混合料的水穩(wěn)定性略優(yōu)于Super型混合料。

表3 瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比TSR

在細(xì)級(jí)配混合料中,小于2.36 mm的細(xì)料含量達(dá)35%以上,在混合料中形成的結(jié)構(gòu)細(xì)致、空隙通道狹窄,水分流動(dòng)阻力較大,致使瀝青混合料的水敏感性降低。

3.2 影響因素分析

1)空隙率的影響。由表3可見(jiàn),當(dāng)Super型混合料的空隙率增加時(shí),其凍融劈裂強(qiáng)度比 TSR明顯降低,尤其以Super25型混合料更為明顯,空隙率增加0.5%,TSR降低近9%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,若以TSR≥75%為準(zhǔn),Super19型混合料的空隙率上限約為7.7%,Super25型混合料的空隙率上限約為7.3%。

2)粉膠比的影響。圖6為瀝青混合料在不同粉膠比時(shí)的車(chē)轍深度比RR和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR。

對(duì)于不同的瀝青混合料,當(dāng)粉膠比增加時(shí),RR隨之增加,見(jiàn)圖6a);對(duì)于同一級(jí)配的Super19型混合料,TSR隨粉膠比的增加而降低,見(jiàn)圖6b),均表現(xiàn)為混合料的水穩(wěn)定性隨著粉膠比的增加而降低。當(dāng)瀝青用量一定時(shí),隨著粉膠比的增加,瀝青膜厚度減薄,在凍融作用過(guò)程中,水容易穿透瀝青膜,進(jìn)入瀝青與集料的界面,瀝青從集料表面剝落,導(dǎo)致瀝青混合料粘聚性下降,抗變形能力和劈裂強(qiáng)度降低,故車(chē)轍深度比增加而凍融劈裂強(qiáng)度比 TSR隨之降低。

圖6中試件的空隙率水平為7.7左右,在這種空隙率水平下,若以凍融劈裂強(qiáng)度比 TSR＞75%控制,Super19瀝青混合料的粉膠比應(yīng)不大于1.4,若以凍融劈裂強(qiáng)度比 TSR＞80%控制,粉膠比應(yīng)不大于1.3%。

4 瀝青混合料的施工性質(zhì)

4.1 壓密性與壓實(shí)功

圖7中曲線為4種瀝青混合料試件空隙率與壓實(shí)次數(shù)的關(guān)系,成型應(yīng)力為0.6 MPa。4種瀝青混合料中的瀝青用量均為4%。一般認(rèn)為,當(dāng)壓實(shí)功一定時(shí),瀝青混合料試件的密度越大,空隙率越小,該瀝青混合料越容易壓實(shí),反之亦然。由圖7可見(jiàn),在相同的壓實(shí)次數(shù)下,Super25試件的壓實(shí)空隙率最大,AC-25Ⅰ型試件的壓實(shí)空隙率最小,顯然,細(xì)級(jí)配混合料容易壓密。

表4中第3列中數(shù)據(jù)為成型APA試件時(shí)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù),當(dāng)空隙率水平基本相同時(shí),Super型瀝青混合料所需要的壓實(shí)次數(shù)約為AC型混合料的2倍～3倍,由此可見(jiàn),在進(jìn)行Super混合料施工時(shí),為了保證一定的空隙率,所需要的壓實(shí)功將增加2倍～3倍左右。

4.2 壓實(shí)度

壓實(shí)度是我國(guó)瀝青路面施工質(zhì)量控制的主要指標(biāo)之一[2]。由表4可見(jiàn),由于Super25混合料的馬歇爾試件空隙率較高,當(dāng)以馬歇爾試件密度為準(zhǔn)時(shí),其APA試件在壓實(shí)空隙率較大的情況下獲得近100%壓實(shí)度,說(shuō)明對(duì)于這類混合料僅采用壓實(shí)度指標(biāo)是不夠的,必須同時(shí)納入空隙率指標(biāo),以避免面層結(jié)構(gòu)空隙率過(guò)大,降低使用耐久性。

4.3 變異性

變異性用同一組試件空隙率的變異系數(shù)反映,見(jiàn)表4。AC型瀝青混合料試件的空隙率變異性小于Super型瀝青混合料,級(jí)配類型相同時(shí),最大公稱尺寸小的瀝青混合料試件空隙率變異性較小。

表4 瀝青混合料試件壓實(shí)度

5 結(jié)語(yǔ)

1)粗級(jí)配的Super型混合料的抗車(chē)轍能力優(yōu)于細(xì)級(jí)配的AC型混合料,在重交通條件下,最大公稱尺寸較小的Super19型混合料的抗車(chē)轍能力較優(yōu)。AC型混合料的水穩(wěn)定性和施工均勻性均略優(yōu)于Super型混合料。為達(dá)到所要求的壓實(shí)空隙率,Super型混合料所需壓實(shí)功通常為AC型混合料的2倍～3倍。2)集料的最大公稱尺寸與瀝青混合料的抗車(chē)轍能力和水穩(wěn)定性之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性,混合料的離析程度隨最大公稱尺寸增大而增加。3)當(dāng)空隙率增加時(shí),Super型混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比 TSR顯著降低,以Super25型混合料更為明顯,若以 TSR≥75%為準(zhǔn),Super19型混合料的空隙率上限約為7.7%,Super25型混合料的空隙率上限約為7.3%。4)粉膠比增加將降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性,對(duì)于Super19型混合料,若以 TSR≥75%為準(zhǔn),粉膠比不大于1.4,若以凍融劈裂強(qiáng)度比TSR＞80%控制,粉膠比應(yīng)不大于1.3%。

[1] Superpave,Westrack Forensic Consensus Report,FHWA-RD-01-052,2001.

[2] GB 50092-96,瀝青路面施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3] JTJ 052-2000,公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[4] 姚立陽(yáng),王曉鋒.瀝青路面水穩(wěn)定性機(jī)理及其防治措施[J].山西建筑,2009,35(13):263-265.