開級(jí)配排水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法研究

王敏敏

(河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450005)

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開級(jí)配排水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法研究

王敏敏

(河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450005)

瀝青用量對(duì)排水性瀝青混合料設(shè)計(jì)至關(guān)重要，研究了劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)用于確定排水性瀝青混合料瀝青用量的最佳力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，提出了考慮結(jié)構(gòu)耐久性和功能性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的排水性瀝青混合料最佳油石比確定方法。通過引入劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)來精確計(jì)算排水性瀝青混合料的最佳瀝青用量，經(jīng)室內(nèi)析漏、分散、車轍以及低溫SCB試驗(yàn)驗(yàn)證，該法具有較好的技術(shù)優(yōu)越性，研究成果可對(duì)今后同類型工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

排水性瀝青混合料； 間接拉伸試驗(yàn)； 最佳瀝青用量； 配合比設(shè)計(jì)

0 引言

排水瀝青路面鋪裝因具有大空隙特征而具有抗滑性能高、噪聲低、抑制水霧、防止水漂、減輕眩光等突出優(yōu)點(diǎn)[1-4]，可以說達(dá)到了現(xiàn)有瀝青路面技術(shù)中的“頂端路用性能”(ultimate performance),成為實(shí)現(xiàn)道路表面特性品質(zhì)飛躍的最佳路面形式，而要同時(shí)實(shí)現(xiàn)排水瀝青路面在結(jié)構(gòu)性、耐久性、水、聲和熱等方面的作用，核心是配合比設(shè)計(jì)[5-9]?，F(xiàn)行瀝青路面施工規(guī)范應(yīng)用壓實(shí)的混合料試件來確定瀝青用量，實(shí)際操作時(shí)根據(jù)所選擇的設(shè)計(jì)級(jí)配和一系列的初試油石比制作混合料試件，然后測(cè)試并確定試件的空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度等各項(xiàng)體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)，并對(duì)試件進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)和析漏試驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是在不同的瀝青用量下進(jìn)行了混合料的性能測(cè)試，為設(shè)計(jì)者提供了有意義的信息，能確定最佳瀝青用量；缺點(diǎn)是滿足肯特堡分散試驗(yàn)和析漏試驗(yàn)的瀝青用量并不唯一，最佳瀝青用量的確定往往需要借助設(shè)計(jì)者的工程經(jīng)驗(yàn)，或取決于設(shè)計(jì)者的主觀臆斷[3,6,8]，所設(shè)計(jì)的最佳瀝青用量往往過于保守，混合料綜合路用性能并不是最佳。由于排水性瀝青混合料在材料組成設(shè)計(jì)、礦料級(jí)配等方面均不同于一般的瀝青混合料，常用的馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)已不能完全適用于確定其瀝青用量，經(jīng)驗(yàn)法和試驗(yàn)法還有一個(gè)共同的缺點(diǎn)是沒有控制指標(biāo)，確定的最佳瀝青用量不能與排水性瀝青混合料的路用性能建立起聯(lián)系，從而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與路用性能相脫節(jié)，評(píng)價(jià)意義不明顯[10，11]。本文提出在析漏和分散試驗(yàn)基礎(chǔ)確定的瀝青范圍基礎(chǔ)上以耐久性和功能性平衡為原則，基于浸水前后的間接拉伸試驗(yàn)確定排水性瀝青混合最佳瀝青用量，以實(shí)現(xiàn)混合料結(jié)構(gòu)耐久性和功能性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1 原材料

表1 OGFC—13混合料合成級(jí)配Table1 OGFC—13synthesismixturegradation篩孔尺寸/mm規(guī)范上限/%規(guī)范下限/%合成級(jí)配1610010010013.210090969.5806071.14.75301225.62.36221016.21.1818613.10.615411.20.31237.90.15836.60.075625

2 基于間接拉伸試驗(yàn)確定排水性瀝青混合料最佳瀝青用量的可行性

如圖1所示，在間接拉伸試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，圓柱體試件處于拉壓兩向受力狀態(tài)，破壞時(shí)試件處于極限受拉狀態(tài)，這與瀝青路面的實(shí)際受力狀態(tài)一致[12，13]。間接拉伸試驗(yàn)采用劈裂條沿著圓柱體試件的徑向按一定的速率持續(xù)加載直至試件發(fā)生破壞，試驗(yàn)過程中的最大荷載和試件水平、豎直方向上的最大變形通過力及位移傳感器量測(cè)得到。根據(jù)試件破壞時(shí)的最大荷載和最大位移通過公式計(jì)算即可獲得瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度等評(píng)價(jià)指標(biāo)，最佳瀝青用量設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取應(yīng)該與排水性瀝青混合料使用過程中的破壞類型有一定對(duì)應(yīng)性，或者說選取的指標(biāo)能夠控制其破壞的發(fā)生。排水性瀝青混合料的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)可通過合理的級(jí)配組成來實(shí)現(xiàn)，在排水性瀝青路面如此大的空隙率下，混合料更容易受到陽(yáng)光、空氣和水的作用，在交通荷載的反復(fù)作用下，集料表面的瀝青膜極易老化，集料與瀝青之間的粘附性下降，甚至?xí)?dǎo)致集料與瀝青之間的粘附失效和顆粒間結(jié)合失效，最終出現(xiàn)剝落、松散破壞，此外，在混合料集料級(jí)配確定的情況下，排水性瀝青混合料的整體強(qiáng)度主要由混合料的粘聚力控制，因此在最佳瀝青用量確定時(shí)考慮瀝青與集料之間的粘附性就顯得尤為重要[14，15]。Anderson等學(xué)者研究了瀝青混合料劈裂強(qiáng)度同其粘聚力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在一定試驗(yàn)條件下青混合料的劈裂強(qiáng)度與粘聚力二者之間有著良好的線性相關(guān)性[16]，說明劈裂強(qiáng)度大的瀝青混合料其粘聚力就大。瀝青混合料的整體強(qiáng)度與粘聚力有直接的關(guān)系，瀝青混合料的粘聚力越大，則集料表面的有效瀝青膜越厚，以劈裂強(qiáng)度作為力學(xué)參數(shù)確定含鹽高濕地區(qū)混合料的最佳瀝青用量是可行的。

圖1 間接拉伸試驗(yàn)示意Figure 1 Indirect tensile test

3 排水性瀝青混合料最佳瀝青用量設(shè)計(jì)

3.1 基于瀝青膜厚初試瀝青用量

對(duì)大孔隙排水性瀝青混合料，國(guó)外通常選擇瀝青膜厚度為12～16 μm。考慮瀝青結(jié)合料被集料吸收的比例及有效瀝青含量，選擇最小瀝青膜有效厚度DA為14 μm。由瀝青膜有效厚度和集料比表面積初定瀝青用量如下：

(1)

Pb=SA×H

(2)

其中: 9.5 mm以上均包括在系數(shù)2中，式中:a，b，c，d，e，f，g分別代表4.75，2.36，…，0.075的通過率。H為瀝青膜有效厚度，μm；SA為集料的總比表面積,m2/kg。

由以上計(jì)算可得，合成級(jí)配的礦料比表面積為2.310 5 m2/kg，最小瀝青膜有效厚度為14 μm時(shí)，瀝青含量為3.24%，為了保證混合料的水穩(wěn)定性和耐久性，需要有較厚的瀝青膜，因此試驗(yàn)選擇3.3%，3.7%，4.1%，4.5%，4.9%共5個(gè)瀝青用量對(duì)混合料進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)。

3.2 間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照馬歇爾試驗(yàn)要求正反各50次分別成型瀝青為3%，3.5%，4%，4.5%，5%的馬歇爾試件并進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)加載借助MTS萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)條件為： 溫度20 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃，加載速率5，20，50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。為確定基于劈裂強(qiáng)度確定最佳瀝青用量的試驗(yàn)條件，本文分別分析了試驗(yàn)溫度、加載速率與油石比對(duì)間接拉伸強(qiáng)度的影響。

表2 OGFC13混合料間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table2 OGFC13mixtureofindirecttensiletestresults試驗(yàn)溫度/℃加載速率/(mm·min-1)瀝青用量/%3.33.74.14.54.950.6230.6690.7450.6690.61720200.6980.7490.8230.7610.680500.8930.9591.0530.9740.87050.4110.5240.5790.5020.40130200.4930.6290.6950.6020.481500.6210.7910.8740.7580.60650.2180.2340.2410.2140.19640200.2830.3040.3130.2780.255500.3920.4210.4340.3850.35350.1250.1340.1490.1340.12350200.1620.1740.1940.1740.160500.2740.2910.3180.2710.229

3.2.1 試驗(yàn)溫度對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

表2試驗(yàn)結(jié)果可知： 溫度對(duì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度有顯著影響，在溫度較低時(shí)，隨著試驗(yàn)溫度提高排水性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度逐漸減小，且在各加載速率條件下混合料劈裂強(qiáng)度變化均表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。此外，隨著試驗(yàn)溫度的升高，不同油石比下瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值越來越接近，油石比對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的影響逐漸減弱。當(dāng)試驗(yàn)溫度低于40 ℃時(shí)，不同油石比下瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值相差較大，區(qū)分度較高，但是當(dāng)試驗(yàn)溫度升至40 ℃以上時(shí)，不同油石比混合料的劈裂強(qiáng)度大小越來越接近，難以區(qū)分油石比變化對(duì)混合料劈裂強(qiáng)度值的影響，為保證混合料的劈裂強(qiáng)度與瀝青用量的變化有足夠的敏感性和精確性，進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)時(shí)選用的試驗(yàn)溫度不宜超過30 ℃。

3.2.2 加載速率對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

加載速率對(duì)排水性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度有顯著的影響，在不同的加載速率階段，瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值增加的趨勢(shì)并不一致。當(dāng)試驗(yàn)溫度為20 ℃、30 ℃和40 ℃時(shí)，加載速率從5 mm/min增加至20 mm/min時(shí)，混合料的劈裂強(qiáng)度急劇增大，隨后劈裂強(qiáng)度隨加載速率的增大緩慢增加。而在50 ℃的試驗(yàn)條件下，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨著試驗(yàn)加載速率的增加急劇增大，在加載速率由慢至快的全程增加范圍內(nèi)近乎呈線性增長(zhǎng)。可見，選擇合適的試驗(yàn)溫度和加載速率，對(duì)分析混合料的劈裂強(qiáng)度至關(guān)重要[17，18]。在不同的加載速率條件下，5 mm/min時(shí)的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值最小，可見當(dāng)實(shí)際行車荷載作用在路面上時(shí)，加載速率越小對(duì)路用性能越不利，越容易引起瀝青路面病害的產(chǎn)生。為了更好的模擬瀝青路面上實(shí)際行車荷載的作用，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)不宜采用過大的加載速率。

3.2.3 瀝青用量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

在不同的間接拉伸條件下，劈裂強(qiáng)度隨油石比的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并在油石比變化區(qū)間內(nèi)某一瀝青用量下出現(xiàn)最大值。說明只有當(dāng)混合料中的瀝青用量合適時(shí)，才能保證瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度最大，即瀝青混合料具有最大的粘聚力，這是由于當(dāng)混合料中的瀝青含量較低時(shí)，在礦質(zhì)集料表面無法形成完整的結(jié)構(gòu)瀝青膜。當(dāng)瀝青用量增大后，混合料中礦料表面的結(jié)構(gòu)瀝青膜的面積逐漸增大，此時(shí)劈裂強(qiáng)度隨瀝青用量的增加顯著增大。當(dāng)混合料中的瀝青剛好足以在礦料表面形成完整的結(jié)構(gòu)瀝青膜時(shí)，劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大值。此后隨著混合料中瀝青用量的繼續(xù)增大，在礦料表面結(jié)構(gòu)瀝青膜的周圍逐漸產(chǎn)生自由瀝青，自由瀝青的黏度較小，其與礦料的粘結(jié)力較弱。當(dāng)自由瀝青的含量增加至一定程度時(shí)，由于自由瀝青的自身強(qiáng)度小于結(jié)構(gòu)瀝青與礦料間的粘結(jié)強(qiáng)度，混合料的劈裂強(qiáng)度就隨著自由瀝青含量的增加逐漸減小。

3.3 確定間接拉伸試驗(yàn)條件

綜上分析，在溫度20 ℃、加載速率5 mm/min的條件下可以保證間接拉伸試驗(yàn)的IDT強(qiáng)度對(duì)瀝青用量的變化足夠敏感，且與混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比有著良好的相關(guān)性。因此，推薦溫度40 ℃、加載速率5 mm/min為間接拉伸試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)條件，并以該試驗(yàn)條件下的IDT強(qiáng)度作為瀝青混合料瀝青用量設(shè)計(jì)的力學(xué)參數(shù)。

3.4 確定最佳瀝青用量

4 驗(yàn)證最佳瀝青用量

為了驗(yàn)證本文提出的最佳瀝青用量確定方法的合理性與可行性，分別采用析漏、分散試驗(yàn)，車轍、低溫彎曲、凍融劈裂以及間接拉伸疲勞試驗(yàn)檢測(cè)了不同瀝青用量下排水性瀝青混合料的路用性能，進(jìn)而證明該法的技術(shù)優(yōu)越性。

4.1 析漏、分散試驗(yàn)

圖2 分散和析漏試驗(yàn)擬合結(jié)果Figure 2 Dispersion and leak test fitting results

圖2試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著油石比增大，排水性瀝青混合料的分散質(zhì)量損失率呈二次函數(shù)形式減小，曲線的拐點(diǎn)在3.8%左右，也就是說油石頭比最小值在3.5%；隨著油石比增大，析漏損失率呈現(xiàn)先平穩(wěn)增加后突變的二次函數(shù)關(guān)系，由圖4可以看出突變點(diǎn)在4.5%油石比，此時(shí)析漏損失率為0.12%處于較好的水平。以分散和析漏試驗(yàn)確定的油石比范圍為3.5%～4.8%，跨度范圍過大，而基于扭剪試驗(yàn)和低溫SCB試驗(yàn)確定的最佳油石比可滿足析漏和分散試驗(yàn)要求。

4.2 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同瀝青用量排水性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓為0.7±0.05 MPa，行走速度為42±1次/min，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同瀝青用量車轍試驗(yàn)結(jié)果Figure 3 Different amount of asphalt rutting test results

圖3試驗(yàn)結(jié)果表明: 隨著油石比增大，OGFC — 13瀝青混合料車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，在4.2%瀝青用量下混合料動(dòng)穩(wěn)定度最大，同時(shí)車轍變形量最小，分析其原因，排水性瀝青混合料的抗剪性能主要受粗集料骨架嵌擠作用和瀝青瑪蹄脂共同組成的抗剪能力和粘聚力，瀝青用量增大，馬歇爾試件內(nèi)部瀝青瑪蹄脂數(shù)量增多，混合料密實(shí)度提高，C、φ值增大，抗剪切強(qiáng)度提高，但隨著瀝青用量進(jìn)一步增大，自由瀝青在混合料內(nèi)部起到了潤(rùn)滑作用，再加上瀝青的感溫性等不利因素影響，混合料所產(chǎn)生的貫入剪切變形增大，高溫穩(wěn)定性降低，車轍試驗(yàn)結(jié)果說明本文提出的基于劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)峰值確定最佳瀝青用量的試驗(yàn)方法可以將分散、析漏試驗(yàn)確定一個(gè)寬泛的油石比范圍變?yōu)榫_的最佳油石比，具有較好的技術(shù)優(yōu)越性。

4.3 低溫穩(wěn)定性

由于排水性混合料制成小梁試件比較困難，本研究采用半圓彎拉試驗(yàn)，針對(duì)不同油石比下的排水性瀝青混合料低溫抗裂性能展開研究，試驗(yàn)時(shí)將不同瀝青用量的排水性瀝青混合料成型直徑為152.4 mm，高95.3 mm大馬歇爾試件，并采用具有較高切割精度的芬蘭產(chǎn)雙面鋸取馬歇爾試件中部50 mm厚的圓形試件，再將其從中間對(duì)稱打開，即制得半圓彎曲試件。試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試驗(yàn)時(shí)采用單點(diǎn)加載方式，支點(diǎn)間距為SCB試件直徑的0.8倍，即S=0.8D，加載速率為0.5 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應(yīng)變，計(jì)算公式見下式，以抗彎拉強(qiáng)度、彎拉勁度模量和抗彎拉應(yīng)變能來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

(3)

(4)

圖4 不同瀝青用量SCB試驗(yàn)結(jié)果Table 1 SCB test results with different asphalt content

由圖1試驗(yàn)結(jié)果可知，隨油石比的增大，排水性瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉變呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，峰值彎拉應(yīng)變對(duì)應(yīng)的油石比為4.2%，彎曲勁度模量隨著瀝青用量的增大呈減小趨勢(shì)。分析其原因，油石較少時(shí)礦料之間的粘結(jié)力不足，瀝青在礦料之間胡潤(rùn)滑作用不明顯導(dǎo)致試件的壓實(shí)度不足，混合料內(nèi)部的內(nèi)摩擦角肯粘聚力均較小，但隨著油石比增加到一定程度，自由瀝青含量增多，自由瀝青在礦料內(nèi)部反而起到了潤(rùn)滑作用，礦料之間較易出現(xiàn)滑動(dòng)，混合料低溫抗裂性能下降，4.2%瀝青用量時(shí)排水性瀝青混合料的低溫抗裂性最好。

4.4 水穩(wěn)定性

現(xiàn)行規(guī)范要求采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同瀝青用量排水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 不同瀝青用量OGFC13水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Figure 5 Water stability of OGFC13 mixture with different asphalt content

由圖5浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知: 瀝青用量由3.2%增到4.9%，排水性瀝青混合料浸水前后馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂均呈先增后減的變化趨勢(shì)，在4.2%瀝青用量條件下混合料試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比出現(xiàn)峰值，這也證實(shí)了本文提出的最佳瀝青用量確定方法是合理的。

5 結(jié)論

① 加載速率、試驗(yàn)溫度、瀝青用量均對(duì)排水性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度有顯著的影響，通過對(duì)劈裂強(qiáng)度與瀝青混合料水穩(wěn)性能的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)推薦溫度20 ℃、加載速率5 mm/min為用于排水性瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)的間接拉伸試驗(yàn)的最佳條件，并以此條件下的IDT強(qiáng)度作為混合料最佳瀝青用量設(shè)計(jì)的力學(xué)參數(shù)。

② 提出基于劈裂強(qiáng)度的混合料最佳瀝青用量設(shè)計(jì)方法，經(jīng)車轍、析漏、分散、浸水馬歇爾、凍融劈裂以及低溫SCB試驗(yàn)驗(yàn)證，以劈裂強(qiáng)度峰值確定排水性瀝青混合料的最佳瀝青用量是合理可行的，該法可精確計(jì)算出排水性瀝青混合料的最佳配比，同時(shí)在最佳油石比確定時(shí)考慮了排水性瀝青混合料的路用性能。

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[18] 郭勇.高速公路排水性瀝青混合料應(yīng)用研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

Research Open Graded Drainage Asphalt Mixture Design Method

WANG Minmin

(Henan Vocational and Technical College, Zhengzhou, Henan 450005, China)

Asphalt content of drainage asphalt mixture design is very importance, this article studies the splitting strength test is used to determine the drainage asphalt mixture of asphalt dosage is the best mechanics parameters, put forward the structure durability and functionality of drainage asphalt mixture of harmonious and unified method to determine the optimum proportion.Splitting strength test is introduced to precisely calculate the optimum asphalt content of drainage asphalt mixture, through indoor analysis leakage and dispersion, rutting and SCB in low temperature test, the method has good technical superiority, the research results can be design provides technical reference for future similar engineering

drainage asphalt mixture； indirect tensile test； Optimum asphalt content； mixture design method

2015 — 05 — 18

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51378067)

王敏敏(1981 — )，女，河南博愛人，講師，從事交通運(yùn)輸工程方面教學(xué)工作。

U 416.03

A

1674 — 0610(2016)05 — 0133 — 06