LSAM-25瀝青混合料路用性能研究

劉衛(wèi)斌

(新疆華天工程建設(shè)股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830011)

LSAM-25瀝青混合料路用性能研究

劉衛(wèi)斌

(新疆華天工程建設(shè)股份有限公司，新疆烏魯木齊830011)

劉衛(wèi)斌(1969—)，工程師，研究方向：公路施工、施工質(zhì)量檢測(cè)。

摘要：LSAM-25瀝青混合料具有較好的抗高溫、抗低溫、抗滑性能，對(duì)其級(jí)配進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，有利于提升瀝青混合料的路用性能。文章結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究情況，基于瀝青路面結(jié)構(gòu)性能要求，提出了LSAM-25瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法，并對(duì)比分析了LSAM-25、Superpave25、ATB-25三種瀝青混合料的路用性能，為今后LSAM的配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究提供參考。

關(guān)鍵詞：SMA；瀝青混合料；路用性能；研究

0引言

LSAM-25由瀝青、穩(wěn)定劑、礦粉、細(xì)集料組成，具有良好的力學(xué)性能。由于其粗集料骨架約占總質(zhì)量的70%以上，因此嵌擠結(jié)構(gòu)良好，可以承載較大的交通負(fù)荷和環(huán)境溫度變化，具有較高的抗高溫和車轍能力[1]。LSAM-25混合料還可以抵抗水侵蝕，由于混合料的空隙率較小，其具有良好的抗滑性能。20世紀(jì)60年代末，隨著交通載荷的不斷增加，德國(guó)學(xué)者首先嘗試在瀝青混合料中增加碎石含量，并采用澆筑工藝，提高路面的耐磨性能。為了減少瀝青路面的車轍和擁包，美國(guó)學(xué)者Kahboub等人通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)、回彈試驗(yàn)對(duì)不同類型LSAM的路用性能進(jìn)行研究；美國(guó)TRB對(duì)密級(jí)配瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了NCHRPReport386方法[2-3]。由于這項(xiàng)工藝可以提高路用性能，且投資較低，符合我國(guó)節(jié)能降耗的能源戰(zhàn)略。因此，對(duì)LSAM進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)其路用性能進(jìn)行研究具有重要意義。

本文以粘彈性材料的力學(xué)特征為基礎(chǔ)，首先對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)性能要求進(jìn)行研究。隨后提出了瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法，得出了LSAM-25瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)比了LSAM-25、Superpave25、ATB-25三種瀝青混合料的路用性能。希望為今后LSAM的配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究提供指導(dǎo)。

1瀝青路面結(jié)構(gòu)性能要求

雖然眾多類型的瀝青混合料在我國(guó)道路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，可大部分道路的路用性能并不理想，新建不足1年的道路往往就出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍、擁包等嚴(yán)重病害，且隨著交通載荷的增加，這種破壞有加劇趨勢(shì)[4]。出現(xiàn)此問(wèn)題的原因?yàn)椋郝访娼Y(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)與材料使用不匹配，上面層、中面層、下面層并未發(fā)揮出各自功能。因此瀝青混合料設(shè)計(jì)的原則是：分析其在路面結(jié)構(gòu)中的作用，據(jù)此提出設(shè)計(jì)要求。

為了提高瀝青混合料的耐久性和使用壽命，首先對(duì)瀝青路面的特性及工作環(huán)境進(jìn)行分析[5]：

(1)瀝青常年裸露在大氣中，不僅受到高溫和嚴(yán)寒的交替作用，而且承擔(dān)著較重的交通載荷，容易出現(xiàn)老化和疲勞破壞；

(2)在6~8月，瀝青混合料在交通載荷的往復(fù)作用下，面層出現(xiàn)很大的剪應(yīng)力并出現(xiàn)塑性變形，變形在長(zhǎng)期的累積下便形成車轍或者裂縫；

(3)在12月至次年2月間，瀝青路面在表面張力和交通載荷的作用下出現(xiàn)溫縮裂縫；

(4)上面層瀝青除了承受交通載荷外，還承受著車輪的摩擦。

“長(zhǎng)壽命路面”是指將路面分為3個(gè)厚瀝青層，包括：磨耗層、中間層、HMA基層[6]。LSAM應(yīng)該作為中間層或者HMA基層，以便抵抗面層變形。從壓實(shí)性能看，LSAM的厚度應(yīng)該在8~12 cm，類型主要包括LSAM-25和LSAM-30。結(jié)合Superpave瀝青混合料分類和可壓性，本文主要對(duì)LSAM-25進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。

2LSAM級(jí)配設(shè)計(jì)方法

早期的瀝青混合料設(shè)計(jì)較多采用連續(xù)級(jí)配，此方法可以獲得較大的粘結(jié)力但并能獲得最大的內(nèi)摩擦力，在較重的交通載荷下，路面會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，導(dǎo)致變形、推移、擁包[6]。為了使瀝青混合料熱穩(wěn)定性良好，LSAM的配合比設(shè)計(jì)采用主骨料空隙填充法。采用主骨料空隙填充法需做出以下基本假設(shè)：

(1)假設(shè)細(xì)集料顆粒對(duì)粗骨料嵌擠結(jié)構(gòu)無(wú)干涉影響；

(2)假設(shè)瀝青膠漿對(duì)粗骨料嵌擠結(jié)構(gòu)無(wú)干涉影響。

主骨料空隙填充法可以充分發(fā)揮粗骨料的嵌擠能力，細(xì)集料、礦粉、瀝青來(lái)填充主骨料的孔隙。主骨料空隙填充法設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)路用性能要求確定最大粒徑，選擇合適的粗骨料作為骨架，其余材料采用間斷級(jí)配。粗集料、細(xì)集料、礦粉、瀝青的用量用qc、qf、qp、qa表示。主骨架孔隙率VCA應(yīng)滿足：

(1)

式中：ρsc——粗集料的緊裝密度；

ρtf——細(xì)集料的表面密度；

ρtp——礦粉的表面密度；

ρa(bǔ)——瀝青的密度。

主骨料空隙填充法發(fā)揮了粗集料的嵌擠能力，采用粗集料孔隙率來(lái)表征其嵌擠程度：

(2)

式中：ρsc——主骨料緊裝密度；

ρtc——主骨料表面密度。

主骨料空隙填充法利用主骨架礦料的空隙率的測(cè)量值，得出空隙體積。其核心思想是：細(xì)集料、瀝青、混合料空隙體積之和等于主骨架礦料空隙體積，利用空隙體積，確定設(shè)計(jì)所需的細(xì)集料、瀝青數(shù)量。主骨料空隙填充法很難對(duì)粗集料的嵌擠程度進(jìn)行描述，沒(méi)有考慮多級(jí)粗、細(xì)集料間的組成。對(duì)于混合料嵌擠結(jié)構(gòu)、密實(shí)狀態(tài)等方面的研究還很少，LSAM級(jí)配設(shè)計(jì)理論仍有一定局限性。

采用上述級(jí)配設(shè)計(jì)方法對(duì)LSAM-25進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)粗集料粒徑，本文共設(shè)計(jì)了3種粗料。粗料1為粒徑為10~25 mm碎石；粗料2為粒徑為10~20 mm碎石；粗料3為粒徑為5~10 mm碎石。細(xì)集料選擇粒徑為0~3 mm的機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。各種材料的密度值見(jiàn)表1。

表1　各種材料的密度值表

根據(jù)路用性能，取松裝密度117%，粗料1、粗料2、粗料3的體積分?jǐn)?shù)分別為：28.2%、60.6%、11.3%。LSAM-25各檔料的級(jí)配情況見(jiàn)表2。

表2　LSAM-25各檔料級(jí)配情況表

按照上述設(shè)計(jì)，每立方厘米瀝青混合料含有的粗集料質(zhì)量為：0.47 g粗料1、1.013 g粗料2、0.187 g粗料3。根據(jù)式(2)計(jì)算出粗集料孔隙率為0.378，假設(shè)孔隙全部被細(xì)料填充，則所需細(xì)料為0.714 g。由此可計(jì)算出單位體積瀝青混合料的總重量為2.383 g，各組分所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：19.7%的粗料1、42.5%的粗料2、7.8%的粗料3、30%的細(xì)料?？紤]到粗料中含有少部分細(xì)料，因此采用PCS法對(duì)上述比例進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：19.5%的粗料1、42.2%的粗料2、7.8%的粗料3、30.4%的細(xì)料。由于細(xì)料中含有細(xì)集料和填料，考慮0.075 mm通過(guò)率對(duì)其進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，細(xì)集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.7%，填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.7%。

3路用性能對(duì)比

按照Superpave方法配比Superpave25和ATB-25作為參照對(duì)象。LSAM-25、Superpave25、ATB-25三種瀝青混合料的級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

圖1　三種瀝青混合料的級(jí)配曲線圖

按照設(shè)計(jì)手冊(cè)確定瀝青最佳用量，并根據(jù)級(jí)配情況制備成型試件，每種材料制備兩個(gè)試件。LSAM-25、Superpave25、ATB-25三種瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　三種瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果表

ATB-25和Superpave25對(duì)比，礦料間隙率、有效瀝青飽和度均高些，因此ATB-25常作為柔性基層使用。對(duì)三種材料進(jìn)行室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最小二乘法擬合，三種混合料的路用性能情況見(jiàn)表4。

表4　三種混合料的路用性能表

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，密實(shí)能量指數(shù)ATB-25>Superpave25>LSAM-25，交通密實(shí)能量指數(shù)恰好與此相反。這說(shuō)明混合料壓實(shí)階段LSAM-25的抗壓能力較小，有利于碾壓施工；而道路交通開(kāi)放后，其抗壓能力很強(qiáng)，避免了傳統(tǒng)混合料在交通載荷作用下不斷被壓密的情況。Superpave25的動(dòng)態(tài)模量遠(yuǎn)低于LSAM-25，這是由于Superpave25中含有較多瀝青和細(xì)集料。LSAM-25的高溫動(dòng)態(tài)模量最大，說(shuō)明此混合料的抗高溫變形能力較強(qiáng)。LSAM-25的彎曲應(yīng)變能密度高于ATB-25和Superpave25，LSAM-25充分發(fā)揮了嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)，粘結(jié)力更強(qiáng)，對(duì)溫度的敏感性更低。從上述分析看，LSAM-25的路用性能高于Superpave25和ATB-25。

4結(jié)語(yǔ)

LSAM工藝可以提高路用性能，且投資較低，符合我國(guó)節(jié)能降耗的能源戰(zhàn)略。本文首先對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)性能要求進(jìn)行研究，隨后提了LSAM-25瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)比了LSAM-25、Superpave25、ATB-25三種瀝青混合料的路用性能。研究表明：LSAM-25的路用性能高于Superpave25和ATB-25，LSAM-25密實(shí)結(jié)構(gòu)更好，粘結(jié)力更強(qiáng)，對(duì)溫度的敏感性更低，可用于中間層或HMA基層。

參考文獻(xiàn)

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Research on Road Performance of LSAM-25 Asphalt Mixtures

LIU Wei-bin

(Xinjiang Huatian Engineering Construction Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830011)

Abstract：LSAM-25 asphalt mixture has good high temperature resistance，low temperature resistance，and sliding resistance，and the rational design of its grading will help enhance the road performance of asphalt mixture.Combined with domestic and foreign research situation，and based on the structure performance requirements of asphalt pavement，it proposed the mix ratio design method of LSAM-25 asphalt mixtures，and compared and analyzed the road performance of LSAM-25，Superpave25，and ATB-25 asphalt mixtures，thereby providing the reference for future study on mix ratio design and road performance of LSAM.

Keywords：SMA；Asphalt mixture；Road performance；Research

文章編號(hào)：1673-4874(2015)12-0027-04

中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.006

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-11-15