粗細(xì)集料比對(duì)ATB瀝青混合料性能的影響

魏建國(guó)，徐敬道，吳 琪，付其林，嚴(yán) 鑫，徐 倩

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，車輛軸載加大，瀝青路面的損害較為嚴(yán)重。為了提高瀝青路面的承載能力，ATB瀝青混合料得到了廣泛的應(yīng)用。目前，學(xué)者們對(duì)ATB瀝青混合料的性能、設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用技術(shù)等方面進(jìn)行了較多的研究［1－5］。研究發(fā)現(xiàn)：ATB瀝青混合料具備良好的路用性能，能承受重載交通，抵抗較大的剪切變形與塑性變形。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要能保證形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，就能很大程度地提高其路用性能［6］。但對(duì)ATB瀝青混合料級(jí)配的研究較少，特別是對(duì)其粗細(xì)集料比研究不足，粗集料在混合料中的作用是形成結(jié)構(gòu)與骨架，細(xì)集料的作用是填充空隙，因此合理的粗細(xì)集料比對(duì)ATB瀝青混合料的性能尤為重要［7］。作者擬采用5種粗細(xì)集料比，分別研究其高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性在不同粗細(xì)集料比下的變化規(guī)律，為ATB瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與級(jí)配

1.1 原材料

試驗(yàn)所用粗細(xì)集料及礦粉均為石灰?guī)r，瀝青采用70號(hào)基質(zhì)瀝青，礦料與瀝青均按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行主要性質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)果均符合規(guī)范［8］要求，分別見表1，2。

表1 集料的物理性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Physical properties of aggregates

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 The asphalt specifications

1.2 級(jí)配組成

根據(jù)施工規(guī)范提出的ATB25的級(jí)配范圍確定粗集料與細(xì)集料之間的比例，分別按60／40，65／35，70／30，75／25及80／20變化粗細(xì)集料之間的比例得到5種級(jí)配（見表3）。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)所有礦料進(jìn)行嚴(yán)格篩分，然后采用逐級(jí)回歸的方法配置混合料。5種粗細(xì)集料比采用的油石比見表4。

表3 不同粗細(xì)集料比的集料級(jí)配Table 3 The gradation in different coarse and fine ratios

表4 不同粗細(xì)集料比的最佳油石比Table 4 The optimal asphalt content in different coarse and fine ratios

2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，成型尺寸為φ101.6mm×63.5mm，雙面擊實(shí)各75次，集料拌合溫度為160℃，擊實(shí)溫度控制在145℃左右，每種級(jí)配成型4個(gè)試件，取其平均值，其結(jié)果分別如圖1～4所示。

圖1 不同粗細(xì)集料比的毛體積相對(duì)密度Fig.1 The gross volume relative density in different coarse and fine ratios

圖2 不同粗細(xì)集料比的空隙率Fig.2 The void ratio in different coarse and fine ratio

圖3 不同粗細(xì)集料比的穩(wěn)定度Fig.3 The stability in different coarse and fine ratio

圖4 不同粗細(xì)集料比的流值Fig.4 The flow value in different coarse and fine ratio

從圖1中可以看出，隨著粗細(xì)集料比的增大，毛體積相對(duì)密度呈下降趨勢(shì)。粗細(xì)集料比從60／40到65／35時(shí)，下降幅度較小。粗細(xì)集料比從65／35到80／20時(shí)，下降幅度較大。

從圖2中可以看出，隨著粗細(xì)集料比的增大，空隙率呈增大趨勢(shì)，空隙率增大的幅度接近一致。當(dāng)粗細(xì)集料比為75／25時(shí)，空隙率已超過(guò)混合料空隙率設(shè)計(jì)范圍。其原因是粗集料過(guò)多，填充粗集料形成的骨架空隙的細(xì)集料較少。

從圖3中可以看出，隨著粗細(xì)集料比的增大，穩(wěn)定度呈先增大再減小的趨勢(shì)。粗細(xì)集料比從60／40到65／35，穩(wěn)定度增大。其原因是粗細(xì)集料比為60／40時(shí)，細(xì)集料過(guò)多，不足以形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。粗細(xì)集料比從65／35到80／20時(shí)，穩(wěn)定度呈下降趨勢(shì)。并且當(dāng)粗細(xì)集料比為80／20時(shí)，穩(wěn)定度小于7.5kN。其原因是隨著粗集料的增加，細(xì)集料的減少，粗集料形成的骨架沒有足夠的細(xì)集料進(jìn)行填充，使其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，選擇合適的粗細(xì)集料比對(duì)提高混合料穩(wěn)定度有顯著的影響。

從圖4中可以看出，隨著粗細(xì)集料比的增大，流值呈下降趨勢(shì)。當(dāng)粗細(xì)集料比從60／40到65／35時(shí)，流值下降幅度較大。當(dāng)粗細(xì)集料比從65／35到80／20時(shí)，流值的下降幅度較小。這說(shuō)明當(dāng)粗細(xì)集料比較小時(shí)，粗細(xì)集料比的變化對(duì)流值的影響顯著。

3 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

將成型標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。雙面擊實(shí)各50次，在試驗(yàn)溫度25℃、加載速度50mm／min條件下，采用凍融劈裂強(qiáng)度比對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同粗細(xì)集料比凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.5 The freeze－thaw cleavage strength in different coarse and fine ratio

從圖5中可以看出，凍融劈裂強(qiáng)度比隨著粗細(xì)集料體積比的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。粗細(xì)集料比為60／40時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比接近90%，說(shuō)明其具有良好的水穩(wěn)定性。粗細(xì)集料比為80／20時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比低于75%，說(shuō)明其水穩(wěn)定性較差。并且粗細(xì)集料比75／25～80／20時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比的下降幅度最大。由此表明，粗細(xì)集料比對(duì)ATB瀝青混合料的水穩(wěn)定性有顯著的影響。其原因是水分會(huì)阻斷集料與瀝青間的粘附，粗細(xì)集料比過(guò)大，導(dǎo)致空隙率過(guò)大，致使更多的水分進(jìn)入到空隙中，水分使得瀝青穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)采用較小的粗細(xì)集料比的集料級(jí)配，降低其空隙率，對(duì)提高ATB瀝青混合料的抗水損壞能力有顯著作用。

4 車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)成型的車轍試件尺寸為300mm×300mm×100mm，車轍試驗(yàn)溫度為60℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同粗細(xì)集料比的動(dòng)穩(wěn)定度Fig.6 The dynamic stability in different coarse and fine ratio

從圖6中可以看出，粗細(xì)集料比從60／40到65／35時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度隨之增大。其原因是當(dāng)粗細(xì)集料比為60／40時(shí)，粗集料較少，使之沒有形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。粗細(xì)集料比從65／35到80／20時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度呈減小趨勢(shì)。粗細(xì)集料比從75／25到80／20時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度已低于2 000次／mm。這說(shuō)明粗細(xì)集料比對(duì)ATB瀝青混合料的高溫性能有顯著的影響。其原因是隨著粗細(xì)集料比的增大，粗集料過(guò)多，不易形成良好的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，輪壓將骨料間的間隙拉大，使得骨料發(fā)生滑移，致使車轍深度加大，導(dǎo)致其高溫穩(wěn)定性降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，選擇合理的粗細(xì)集料比對(duì)提高混合料的高溫性能有顯著的影響，ATB瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不僅與集料骨架有關(guān)，骨架的密實(shí)程度對(duì)其也有很大的影響。

5 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

低溫彎曲試驗(yàn)采用小梁試件，小梁試件是由車轍試件切割而成的。其尺寸為250mm×30mm×35mm，跨徑為200mm。為了避免小梁試件在車轍板中所處的位置不同而給試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)較大的誤差，取切自同一車轍板的6根小梁編為一組，在－10℃溫度、加載速率為50mm／min的條件下，進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，獲得試件破壞時(shí)的最大荷載和跨中撓度。根據(jù)公式計(jì)算出的彎曲梁的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變分別如圖7，8所示。

圖7 不同粗細(xì)集料比的抗彎拉強(qiáng)度Fig.7 The flexural strength in different coarse and fine ratio

圖8 不同粗細(xì)集料比的最大彎拉應(yīng)變Fig.8 The maximum bending strain in different coarse and fine ratio

從圖7中可以看出，隨著粗細(xì)集料比的增大，抗彎拉強(qiáng)度呈減小的趨勢(shì)，在粗細(xì)集料比為80／20時(shí)最小，粗細(xì)集料比的變化導(dǎo)致抗彎拉強(qiáng)度降低的幅度接近一致。這說(shuō)明粗細(xì)集料比對(duì)ATB瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度有顯著的影響。其原因是粗細(xì)集料比的增大會(huì)導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度不足，抵抗彎拉作用的能力降低。從圖8中可以看出，各粗細(xì)集料比的最大彎拉應(yīng)變也隨著粗細(xì)集料比的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)粗細(xì)集料比為75／25時(shí)，最大彎拉應(yīng)變已低于2 000με。其原因是隨著粗細(xì)集料比的增大，粗集料的增多降低了ATB瀝青混合料的變形能力，使得混合料的低溫穩(wěn)定性能隨之降低。由此可見，粗細(xì)集料比對(duì)ATB瀝青混合料的低溫抗裂性有顯著的影響，較小的粗細(xì)集料比對(duì)提高ATB瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性能有顯著的作用。

6 結(jié)論

1）隨著粗細(xì)集料比的增大，ATB瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度呈減小趨勢(shì)，空隙率隨之增大，穩(wěn)定度呈先增大后減小的趨勢(shì)。在粗細(xì)集料比為65／35時(shí)達(dá)到峰值，流值隨粗細(xì)集料比的增大而減小。

2）隨著粗細(xì)集料比的增大，ATB瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比呈減小趨勢(shì)。水穩(wěn)定性在粗細(xì)集料比為60／40時(shí)最好。在粗細(xì)集料比為80／20時(shí)，水穩(wěn)定性較差。

3）粗細(xì)集料比對(duì)ATB瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有顯著的影響。動(dòng)穩(wěn)定度隨著粗細(xì)集料比的增大呈先增大后減小趨勢(shì)。在粗細(xì)集料比為65／35時(shí)達(dá)到峰值。

4）粗細(xì)集料比對(duì)ATB瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性有顯著的影響?？箯澙瓘?qiáng)度和最大彎應(yīng)變都隨著粗細(xì)集料比的增大而減小，ATB瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性隨之而降低。

5）根據(jù)ATB瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)的要求：空隙率3%～6%，馬歇爾穩(wěn)定度≥7.5kN，流值15～40（0.1mm），凍融劈裂強(qiáng)度比≥75%，動(dòng)穩(wěn)定度≥1 000次／mm，最大彎拉應(yīng)變≥2 000με。綜合考慮各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，粗細(xì)集料比為65／35～75／25時(shí)，ATB瀝青混合料能夠全面滿足各項(xiàng)技術(shù)要求。因此，建議的ATB瀝青混合料粗細(xì)集料比的范圍為65／35～75／25。

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）：

［1］ 魏建國(guó)，鄭建龍，王秉剛.瀝青穩(wěn)定碎石骨架結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法［J］.交通科學(xué)與工程，2009，25（2）：19－22.（WEI Jian－guo，ZHENG Jian－long，WANG Binggang.Asphalt treated skeleton structure evaluation methods［J］.Journal of Transportation Science and Engineering，2009，25（2）：19－22.（in Chinese））

［2］ Kandhal，P S.Large stone asphalt mixture design and construction［R］.Albuquerque：Annual Meeting of the Association of Asphalt Paving Technologists，1990.

［3］ 黃維蓉，張保立，張銀利.瀝青穩(wěn)定碎石混合料（ATB－25）的水穩(wěn)定性研究［J］.公路，2009（12）：70－72.（HUANG Wei－rong，ZHANG Bao－li，ZHANG Yinli.The water stability of ATB－25asphalt stablized macadam mixture［J］.Highway，2009（12）：70－72.（in Chinese））

［4］ 馮俊領(lǐng)，查旭東，張起森.大粒徑瀝青混合料（LSM）車轍試驗(yàn)研究［J］.長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，21（1）：43－46.（FENG Jun－ling，ZHA Xu－dong，ZHANG Qi－sen.Rut test study of large－stone asphalt mixtures［J］.Journal of Changsha Communications University，2005，21（1）：43－46.（in Chinese））

［5］ 鄭健龍，張洪剛，錢國(guó)平.水溫凍融循環(huán)條件下瀝青混合料性能衰變的規(guī)律［J］.長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，7（1）：7－11.（ZHENG Jian－long，ZHANG Hong－gang，QIAN Guo－ping.The regular pattern of asphalt mixture decay under the conditions of temperature freeze－thaw cycles［J］.Journal of Changsha University of Science ＆ Technology：Natural Science，2010，7（1）：7－11.（in Chinese））

［6］ 趙育新.瀝青穩(wěn)定碎石高溫變形試驗(yàn)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.（ZHAO Yu－xing.High temperature deformation study for asphalt stablized macadam mixtches［D］.Chongqing：Chongqing Jiaotong U－niversity，2008.（in Chinese））

［7］ 魏建國(guó)，查旭東，鄭建龍.不同級(jí)配瀝青碎石基層性能的對(duì)比研究［J］.長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，5（1）：11－15.（WEI Jian－guo，ZHA Xu－dong，ZHENG Jian－long.Performance investigation on asphalt macadam base with different gradations［J］.Journal of Changsha University of Science ＆ Technology：Natural Science，2008，5（1）：11 －15.（in Chinese））

［8］ 中交公路科學(xué)研究所.JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.（CCCC Highway Science Institute.JTG F40－2004，Asphalt pavement construction specifications［S］.Beijing：China Communications Press，2004.（in Chinese））