基于抗剪切性能的大粒徑瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

朱 昆， 扈惠敏

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著高速公路路齡的增長，道路基層的維修量逐漸增大，大粒徑瀝青混合料在基層病害維修中所占比例越來越大。當(dāng)基層出現(xiàn)縱向裂縫時(shí)，在車輛荷載作用下，瀝青層承受的剪應(yīng)力顯著增大［1］。不同級(jí)配對(duì)瀝青混合料的抗剪切能力不同，即抗裂性能差異較大。針對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性能，通常研究其低溫抗彎拉能力［2］。本文針對(duì)帶裂縫基層維修中應(yīng)用的大粒徑瀝青混合料，從抗剪切能力角度，提出級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 原材料組成與特性

（1）瀝青。試驗(yàn)采用的道路石油瀝青，其主要技術(shù)性質(zhì)見表1所列。

（2）集料。試驗(yàn)采用的集料為石灰?guī)r，各檔集料規(guī)格如下：1＃為20～37.5mm，2＃為19～26.5mm，3＃為10～20mm，4＃為5～10mm，5＃為0～3mm。集料壓碎值為16.6%，沖擊值為9.1%，堅(jiān)固值為3.1%。1?！?＃集料中針片狀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：2.749%、2.734%、2.746%、2.737%。1?！?＃集料的表觀密度分別為：2.749、2.734、2.746、2.737、2.691g／cm2。

礦粉為石灰?guī)r磨制的石粉，其表觀密度為2.750g／cm2。

各檔集料通過篩孔百分率見表2所列。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表2 各檔集料通過篩孔百分率 %

2 級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

通過采用穩(wěn)定骨架型級(jí)配，可實(shí)現(xiàn)大粒徑瀝青碎石材料強(qiáng)度與抗裂性能的優(yōu)化，問題的焦點(diǎn)集中在碎石級(jí)配設(shè)計(jì)方法與指標(biāo)上。以往對(duì)于大粒徑瀝青碎石或?yàn)r青碎石級(jí)配設(shè)計(jì)方法的研究都注重體積指標(biāo)，本文不僅注重體積指標(biāo)，同時(shí)考慮抗剪強(qiáng)度。級(jí)配研究關(guān)注如下3個(gè)方面：① 不同骨架類型的比較；② 不同細(xì)集料用量的比較；③不同級(jí)配的空隙率及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。抗剪切性能評(píng)價(jià)采用單軸貫入法［3－8］。貫入法試件尺寸與大馬歇爾試件相同。

2.2 粗集料級(jí)配

2.2.1 一級(jí)骨架設(shè)計(jì)

一級(jí)骨架是由37.500～19.000mm顆粒與19.000～9.500mm顆粒組成的骨架結(jié)構(gòu)，首先確定兩者用量比例。試驗(yàn)擬定比例分別為25∶75、30∶70、35∶65、45∶55、60∶40、65∶35，形成6種級(jí)配，分別表示為：1－1，1－2，…，1－6。為使試件成型加入4＃集料，其占集料總質(zhì)量的5%。

本試驗(yàn)按擊實(shí)法成型各組大馬歇爾試件時(shí)，油石比與礦粉用量均為3%。通過測(cè)試試件空隙率及貫入試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)判定最佳比例。貫入試驗(yàn)的瀝青碎石6種級(jí)配曲線如圖1所示，其中篩孔號(hào)1～12分別對(duì)應(yīng)篩孔0.075、0.150、0.300、0.600、1.180、2.360、4.750、9.500、13.200、19.000、26.500、31.500mm，下文同此。

圖1 一級(jí)骨架設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

每組級(jí)配成型3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大馬歇爾試件［9］，試件空隙率見表3所列。

表3 一級(jí)骨架設(shè)計(jì)馬歇爾試件空隙率 %

將試件放入－5℃的低溫環(huán)境箱中6h后，進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為路強(qiáng)儀。試驗(yàn)采集位移－壓力曲線如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果見表4所列。

圖2 單軸貫入位移－壓力曲線

表4 一級(jí)骨架設(shè)計(jì)貫入試驗(yàn)破壞荷載與位移

依據(jù)單軸貫入最大荷載及試件孔隙率指標(biāo)，一級(jí)骨架37.500～19.000mm 顆粒與19.000～9.500mm顆粒的最佳比例確定為45∶55。

2.2.2 二級(jí)骨架設(shè)計(jì)

二級(jí)骨架設(shè)計(jì)主要是在一級(jí)骨架的基礎(chǔ)上，確定37.500～26.000mm顆粒與19.000～26.000mm 顆粒用量比例，試驗(yàn)選定兩者用量比例分別為30∶70、35∶65、40∶60、45∶55，形成4種級(jí)配，分別表示為：1－7，1－8，1－9，1－10。

4組級(jí)配曲線如圖3所示。

圖3 二級(jí)骨架設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

測(cè)試馬歇爾試件空隙率見表5所列。其中1－8級(jí)配試件空隙率最小，為25.94%。試驗(yàn)溫度－5℃，試件單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果見表6所列。

表5 二級(jí)骨架設(shè)計(jì)馬歇爾試件空隙率 %

表6 二級(jí)骨架設(shè)計(jì)貫入試驗(yàn)破壞荷載與位移

數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，37.500～26.000mm 顆粒與19.000～26.000mm顆粒的比例不同，貫入試驗(yàn)強(qiáng)度不同，隨著骨架中后者增多，強(qiáng)度先增大后減小，兩者比例為35∶65時(shí)（編號(hào)為1－8），強(qiáng)度最高，而此時(shí)試件的空隙率最小。

2.2.3 9.5mm篩孔通過率

骨架結(jié)構(gòu)確定后，還應(yīng)確定形成骨架結(jié)構(gòu)的集料在整個(gè)礦料級(jí)配中所占的比例，即小于9.500mm顆粒的比例。試驗(yàn)選定9.500mm通過率分別為27%、31%、35%、38%、42%，形成5種級(jí)配，分別表示為：2－1，2－2，…，2－5。5組試件的級(jí)配曲線如圖4所示。

圖4 9.500mm通過率下的級(jí)配曲線

試件空隙率見表7所列。由于加入了更小粒徑的集料，同粗集料骨架相比，空隙率大幅下降，空隙率約降低10%。隨著骨架中小于9.500mm顆粒的增多，空隙率逐漸減小。試件單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果見表8所列。

表7 9.500mm通過率下的馬歇爾試件空隙率 %

表8 9.500mm通過率下的貫入試驗(yàn)破壞荷載與位移

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示最佳級(jí)配編號(hào)為2－3，即級(jí)配9.500mm最佳通過率為35%，此時(shí)空隙率為14.24%。

2.3 細(xì)集料級(jí)配

在大粒徑瀝青碎石中，細(xì)集料起到降低空隙率，增加黏結(jié)力的作用。下面試驗(yàn)探討細(xì)集料用量的影響，4.750mm篩孔通過率選為16%、19%、22%、24%、26%。形成5種級(jí)配，分別表示為：3－1，3－2，…，3－5。5 組試驗(yàn)級(jí)配曲線如圖 5所示。

馬歇爾試件空隙率見表9所列。單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果見表10所列。

隨著細(xì)集料用量的增加，試件強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)4.750mm通過率24%時(shí)，貫入試驗(yàn)破壞強(qiáng)度最大，此時(shí)空隙率指標(biāo)為14.06%，較為適宜。綜合以上關(guān)于空隙率及抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，可得出大粒徑瀝青碎石的級(jí)配曲線，如圖6所示。

圖5 考慮細(xì)集料用量級(jí)配曲線

表9 細(xì)集料級(jí)配下馬歇爾試件空隙率 %

表10 細(xì)集料級(jí)配下貫入試驗(yàn)結(jié)果

圖6 最佳級(jí)配曲線

3 級(jí)配優(yōu)化前后試驗(yàn)對(duì)比

用本試驗(yàn)集料來源地施工現(xiàn)場拌制的大粒徑碎石混合料（集料、礦粉、瀝青用量與本試驗(yàn)相同），制作2組試件，一組采用本文確定的最佳級(jí)配，另一組為施工現(xiàn)場未優(yōu)化前的級(jí)配，每組3個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果用于對(duì)比級(jí)配優(yōu)化的效果，見表11所列。試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用最佳級(jí)配的大粒徑瀝青碎石與優(yōu)化前相比，其單軸貫入破壞強(qiáng)度提高16.7%。

表11 破壞荷載與位移對(duì)比

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)貫入試驗(yàn)確定的大粒徑瀝青混合料的最佳級(jí)配所成型的馬歇爾試件，其單軸貫入破壞荷載比級(jí)配優(yōu)化前的大粒徑瀝青混合料試件大16.7%，抗剪強(qiáng)度明顯提高。

（2）基于抗剪切強(qiáng)度及空隙率指標(biāo)，采用逐級(jí)填充法設(shè)計(jì)出的穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)，骨架的級(jí)配曲線呈S型。大粒徑瀝青碎石的最優(yōu)級(jí)配：19.000mm通過率為70.8%、9.500mm 通過率35%、4.750mm 通過率為23.8%。

（3）試驗(yàn)所提出來的大粒徑瀝青混合料最佳級(jí)配的空隙率為14%，排水性能良好。

（4）通過大粒徑瀝青混合料抗剪切性能的級(jí)配設(shè)計(jì)，為大粒徑瀝青混合料的抗裂性研究提供了可靠的級(jí)配基礎(chǔ)。

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