基于級(jí)配優(yōu)化的AC-16瀝青混合料設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

李 洪 陳 竹

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

礦料的級(jí)配組成結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混合料的性能起著決定性的作用[1-2]，瀝青混合料高溫抗車(chē)轍能力有60%依賴(lài)于礦料級(jí)配的嵌擠作用，而瀝青結(jié)合料的黏結(jié)力僅有40%的貢獻(xiàn)[3]。具有較高的密實(shí)度且顆粒之間嵌擠良好的瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和耐久性，因此，在瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中，提高礦料級(jí)配的抗剪切性能和密實(shí)度很有必要[4]。

本文分別采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)方法[5]和多級(jí)嵌擠抗剪級(jí)配設(shè)計(jì)方法[6-7]來(lái)設(shè)計(jì)AC-16瀝青混合料礦料級(jí)配，并對(duì)采用2種級(jí)配的AC-16瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析，分析礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。

1 不同級(jí)配AC-16瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

瀝青采用殼牌SBSI-C型改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，粗集料主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

細(xì)集料由石灰?guī)r碎石加工而成，其中表觀相對(duì)密度為2.731，毛體積相對(duì)密度為2.614，采用水洗法測(cè)得的<0.075 mm顆粒含量為11.4%，指標(biāo)均符合規(guī)范要求；礦粉由5～10 mm石灰?guī)r碎石加工而成，含水率為0.2%，密度為2.683 g/cm3，指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.2 振動(dòng)密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)

先將粗集料分別篩為單粒徑，即：2.36，4.75，9.5，13.2，16 mm 5檔顆粒。

1) 13.2 mm填充16 mm。各填充比例下振實(shí)密度變化情況見(jiàn)圖1。

圖1 13.2 mm填充16 mm混合料關(guān)系圖

由圖1可見(jiàn)，隨著填充比例的增加，振實(shí)密度整體呈增加趨勢(shì)變化，根據(jù)粒子干涉理論可知，13.2 mm大于16 mm檔顆粒的空隙，形成粒子干涉，13.2 mm顆粒會(huì)將16 mm顆粒形成的骨架擠開(kāi)，填充比越大越不利，所以振實(shí)密度隨13.2 mm的填充比增大而增大，因此兩者沒(méi)有最佳填充比值。在級(jí)配設(shè)計(jì)中，為了防止混合料離析，一般公稱(chēng)最大粒徑檔顆粒的通過(guò)率不小于95%。根據(jù)規(guī)范中值取m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶11=2.2∶1。

2) 9.5 mm填充m(13.2 mm)∶m(16 mm)=2.2∶1的混合料。各填充比例下振實(shí)密度變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 9.5 mm填充13.2 mm+16 mm混合料關(guān)系圖

由圖2可見(jiàn)，9.5 mm與13.2 mm+16 mm顆粒的振實(shí)密度隨集料填充質(zhì)量比的增大而增大，同時(shí)，變化曲線(xiàn)存在3個(gè)明顯的波峰。當(dāng)填充比逐漸增大到20%時(shí)，振實(shí)密度為3.163 g/cm3，出現(xiàn)第一次波峰；集料填充比為90%時(shí)，振實(shí)密度為3.321 g/cm3，出現(xiàn)第二次波峰；集料填充比為160%時(shí)，振實(shí)密度為3.283 g/cm3，出現(xiàn)第三次波峰，因此，此時(shí)振實(shí)密度達(dá)到最大狀態(tài)，填充比例為90%，所以9.5 mm檔料的最佳填充質(zhì)量比為90%，即m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=0.9∶1。

3) 4.75 mm填充m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=0.9∶1的混合料。各填充比例下振實(shí)密度變化情況見(jiàn)圖3。

圖3 4.75 mm填充9.5 mm+13.2 mm+16 mm的混合料關(guān)系圖

由圖3可見(jiàn)，振實(shí)密度隨填充比例的增加整體呈先增加后減小的趨勢(shì)變化。當(dāng)填充比逐漸增大到70%時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)波峰，此時(shí)振實(shí)密度為3.363 g/cm3；當(dāng)填充比為160%時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)波峰，此時(shí)振實(shí)密度為3.342 g/cm3，所以4.75 mm的最佳填充質(zhì)量比例為70%，即m(4.75 mm)：m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.7∶1。

4) 2.36 mm填充m(4.75 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.7∶1的混合料。各填充比例下振實(shí)密度變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 2.36 mm填充4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm的混合料關(guān)系圖

由圖4可見(jiàn)，振實(shí)密度隨填充比例的增加整體呈先增加后減小的趨勢(shì)變化。當(dāng)填充比逐漸增大到40%時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)波峰，此時(shí)振實(shí)密度為3.412 g/cm3；當(dāng)填充比為100%時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)波峰，此時(shí)振實(shí)密度為3.388 g/cm3，此后隨填充比增大，混合料振實(shí)密度趨于穩(wěn)定，所以2.36 mm的最佳填充質(zhì)量比例為40%，即m(2.36 mm)∶m(4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.4∶1。

綜上可知：m(2.36 mm)∶m(4.75 mm)∶m(9.5 mm)∶m(13.2 mm)∶m(16 mm)=18∶22∶14∶11∶5，各級(jí)篩孔通過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例應(yīng)為16 mm∶13.2 mm∶9.5 mm∶4.75 mm∶2.36 mm=100∶95∶84∶70∶48∶32，通過(guò)微調(diào)得到AC-16瀝青混合料合成級(jí)配見(jiàn)表3。

表3 AC-16瀝青混合料振動(dòng)密實(shí)級(jí)配

1.3 多級(jí)嵌鎖抗剪級(jí)配設(shè)計(jì)

同樣先將粗集料分別篩為5檔單粒徑顆粒。

1) 13.2 mm集料填充16 mm。在級(jí)配設(shè)計(jì)中，為防止混合料離析，一般公稱(chēng)最大粒徑檔顆粒的通過(guò)率不小于95%。根據(jù)規(guī)范中值取m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶9。

2) 9.5 mm集料填充m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶9組成的混合料。不同摻配比例下混合料抗剪模量系數(shù)見(jiàn)圖5。

圖5 9.5 mm填充13.2 mm+16 mm時(shí)抗剪模量系數(shù)圖

由圖5可見(jiàn)，混合料抗剪模量系數(shù)隨摻配比例的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)變化，取m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=4∶6。

3) 4.75 mm集料填充m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=4∶6的混合料。不同摻配比例下混合料抗剪模量系數(shù)見(jiàn)圖6。

圖6 4.75 mm填充9.5 mm+13.2 mm+16 mm時(shí)抗剪模量系數(shù)圖

由圖6可見(jiàn)，取m(4.75 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=5∶5。

4) 2.36 mm集料填充m(2.36 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=5∶5的混合料。不同摻配比例下混合料抗剪模量系數(shù)見(jiàn)圖7。

圖7 2.36 mm填充4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm時(shí)抗剪模量系數(shù)圖

由圖7可知，取m(2.36 mm)∶m(4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=2∶8。

綜上可知，各檔集料的質(zhì)量比例為：2.36 mm∶4.75 mm∶9.5 mm∶13.2 mm∶16 mm=15∶28∶14∶7∶4，由體積法得出細(xì)集料各檔比例，通過(guò)微調(diào)得到多級(jí)嵌擠AC-16瀝青混合料合成級(jí)配見(jiàn)表4。

表4 AC-16瀝青混合料多級(jí)嵌鎖抗剪級(jí)配

對(duì)比2個(gè)級(jí)配可知，振動(dòng)密實(shí)級(jí)配與多級(jí)嵌鎖抗剪級(jí)配的主要差別在于前者2.36～4.75 mm檔料質(zhì)量比例明顯大于后者，而大量研究成果表明，由于2.36～4.75 mm檔料易將混合料骨架結(jié)構(gòu)撐開(kāi)，因此該檔料是造成礦料不能形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

1.4 最佳瀝青用量的確定

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初步確定5個(gè)油石比分別為：3.8%，4.3%，4.8%，5.3%，5.8%，對(duì)采用2種級(jí)配的AC-16瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。設(shè)計(jì)空隙率為4.0%，空隙率范圍為4%～5%。最終確定采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配的AC-16瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.8%，采用多級(jí)嵌鎖抗剪級(jí)配的AC-16瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.7%。

2 路用性能驗(yàn)證

2.1 高溫穩(wěn)定性

采用車(chē)轍試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)評(píng)價(jià)AC-16瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車(chē)轍試驗(yàn)采用JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法；直接剪切試驗(yàn)在60 ℃條件下進(jìn)行，加載速率取為50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 AC-16瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見(jiàn)，采用多級(jí)嵌鎖抗剪級(jí)配的AC-16瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度分別為6 344次/mm和1.173 MPa，較采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配的AC-16瀝青混合料的5 236次/mm和1.017 MPa分別增加了21%和15%，說(shuō)明采用多級(jí)嵌擠抗剪級(jí)配的AC-16瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性，究其原因在于多級(jí)嵌鎖抗剪級(jí)配可以使得礦料之間形成更好的嵌擠作用，而振動(dòng)密實(shí)級(jí)配則更強(qiáng)調(diào)瀝青混合料的密實(shí)性。

2.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性采用低溫彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配AC-16瀝青混合料的破壞應(yīng)變?yōu)? 761 ×10-6，較采用多級(jí)嵌鎖抗剪級(jí)配AC-16瀝青混合料的3 218×10-6增加了17%，說(shuō)明采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配的AC-16瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性，這與采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配的AC-16瀝青混合料擁有更好的密實(shí)度和更大的瀝青用量有關(guān)。

2.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)AC-16瀝青混合料的水穩(wěn)定性，同樣按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配AC-16瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度為91.7%，較采用多級(jí)嵌鎖抗剪級(jí)配AC-16瀝青混合料的88.6%增加了3個(gè)百分點(diǎn)，這同樣與采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配AC-16瀝青混合料具有更大的瀝青用量有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分別采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)法和多級(jí)嵌擠抗剪級(jí)配設(shè)計(jì)法進(jìn)行了AC-16瀝青混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)，并對(duì)采用2種級(jí)配的AC-16瀝青混合料的路用性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，采用多級(jí)嵌擠抗剪級(jí)配的AC-16瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性，這與其礦料之間更好的嵌擠作用有關(guān)，而采用振動(dòng)密實(shí)級(jí)配的AC-16瀝青混合料則擁有更好的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，這與擁有更好的密實(shí)度和更大的瀝青用量有關(guān)。

[1] 譚憶秋,宋憲輝,紀(jì)倫,等.粗集料性能對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2009,22(1):29-33.

[2] 剛增軍.集料顆粒形態(tài)特征對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2017,34(1):47-51.

[3] 張宜洛.長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面行為和混合料設(shè)計(jì)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2012.

[4] 蔣凱. SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué),2012.

[5] 王德強(qiáng).濕熱地區(qū)橋面鋪裝動(dòng)水行為及材料組成設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2011.

[6] 李浩，許新權(quán)，劉鋒，等.耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對(duì)比分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2017，41(6)：1051-1054.

[7] 杜順成,戴經(jīng)梁.基于散體力學(xué)理論的多級(jí)抗剪密集配設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2008,21(1):35-37.