基層硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計及性能試驗研究

宋慶紅，寧愛民，姜 鴻，王永維，呂 晟，王仁輝

(1. 貴州省都勻公路管理局，都勻 558000； 2.中國石化股份有限公司撫順石油研究院，撫順 113000； 3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

目前干線公路瀝青路面結(jié)構(gòu)以瀝青混凝土面層和半剛性基層的組合形式為主，由于原始縮縫的存在會產(chǎn)生反射裂縫，當(dāng)病害較為嚴(yán)重以至無法滿足承載功能時，就不得不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)補(bǔ)強(qiáng)改造[1]。

常見的補(bǔ)強(qiáng)手段如將半剛性基層挖除或控挖至某一層位，利用水泥穩(wěn)定粒料補(bǔ)強(qiáng)半剛性基層，或者直接在老瀝青路面上加鋪水泥穩(wěn)定粒料，而后再鋪筑一層熱拌瀝青混合料罩面。加鋪罩面的補(bǔ)強(qiáng)改造能提高道路結(jié)構(gòu)的使用性能，同時能利用原有路面一部分基層的殘余強(qiáng)度，降低部分或全部開挖銑刨重鋪的成本，是一種較為經(jīng)濟(jì)的改建措施。但是，較長的養(yǎng)護(hù)齡期以及施工期間的交通管制等問題給當(dāng)?shù)孛癖姷纳a(chǎn)生活會造成很大的影響；此外，隨著荷載次數(shù)的增加，加鋪結(jié)構(gòu)的反射裂縫依然會產(chǎn)生。所以常規(guī)的補(bǔ)強(qiáng)方案只是治標(biāo)不治本。

瀝青穩(wěn)定碎石基層能夠一定程度上改善路面結(jié)構(gòu)的反射裂縫，但是瀝青穩(wěn)定碎石常規(guī)使用的道路石油瀝青(主要以70號道路石油瀝青為主)本身針入度較高，軟化點較低，高溫性能并不理想。對此，很多研究人員通過添加合適的改性劑(即使用改性瀝青)大幅度地提高瀝青的高溫黏度，從而改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。但是因為改性瀝青大都價格昂貴，對技術(shù)要求高，所以常用于上面層，如果用于較低層位的基層補(bǔ)強(qiáng)勢必造成浪費。更何況，較以往相比，雖然大部分使用改性瀝青的路面病害數(shù)量在一定程度上有所減少，但也有一部分沒有達(dá)到預(yù)期的效果。如果某種瀝青膠結(jié)料有良好的抗車轍能力和相對低廉的價格，并且可以應(yīng)用到瀝青路面的基層，將給道路建設(shè)者提供一種較好的選擇。

硬質(zhì)瀝青是一種低標(biāo)號的重交瀝青，包括直餾道路石油瀝青和各種改性瀝青。該瀝青針入度低，軟化點高，有較好的高溫穩(wěn)定性，在國外(尤其是歐洲)有比較成功的應(yīng)用[2-5]。目前國內(nèi)也對硬質(zhì)瀝青進(jìn)行了研究，如蘇交科集團(tuán)科研項目《中法美瀝青路面技術(shù)比較研究及在阿爾及利亞的應(yīng)用研究》，基于法國較成熟的硬質(zhì)瀝青用于耐久性高模量瀝青混合料(EME)的應(yīng)用經(jīng)驗，開展了我國硬質(zhì)瀝青耐久性高模量瀝青混合料研究，對我國目前生產(chǎn)的硬質(zhì)瀝青進(jìn)行了初步試驗分析，并且，該項目已在交叉口的改造上進(jìn)行了初步的應(yīng)用。但是該項目所使用的硬質(zhì)瀝青是用在面層結(jié)構(gòu)中的，并且面層中的混合料使用了添加劑。采用硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石補(bǔ)強(qiáng)給基層補(bǔ)強(qiáng)提供了一個解決問題的思路，基于此，本文在對硬質(zhì)瀝青的性能進(jìn)行評價的基礎(chǔ)上，參考馬歇爾方法，對硬質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行了配合比設(shè)計，并對其高溫性能、水穩(wěn)定性能進(jìn)行驗證，給硬質(zhì)瀝青的開發(fā)利用提供新的選擇，更進(jìn)一步改善我國公路工程瀝青路面的建設(shè)質(zhì)量和使用壽命，滿足干線公路交通發(fā)展的迫切需要，為硬質(zhì)瀝青路面的施工提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 主要原材料及試驗方法

1.1 主要原材料

(1) 硬質(zhì)瀝青，中石化撫順石油研究院生產(chǎn)，代號為H42；70號道路石油瀝青，為韓國SK-70號瀝青，作為性能比較的對比樣。兩種瀝青主要性能檢測結(jié)果如表1所示。

表1 H42硬質(zhì)瀝青和70#石油瀝青性能指標(biāo)

從表1中可以看出，本文所采用的硬質(zhì)瀝青的軟化點和動力黏度較高，除了15 ℃下延度不滿足我國現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范F40外，其他指標(biāo)均滿足。此外按照歐洲的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本文所采用的技術(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

PG性能試驗結(jié)果顯示，其高溫性能指標(biāo)(高溫車轍因子)在82 ℃下通過，但其低溫性能較差，在常溫下顯示不通過。本文主要將其應(yīng)用在基層補(bǔ)強(qiáng)中，因此對低溫性能原則上不做要求。與對比樣韓國SK-70號瀝青相比，H42的高溫性能顯著的高于SK-70號瀝青，但其延展柔韌性要明顯低于SK-70。

(2) 本次試驗所采用的礦料產(chǎn)于馬鞍山，為石灰石巖，其中各檔料的規(guī)格為1#(20～31.5 mm)、2#(10～20 mm)、3#(5～15 mm)、4#(0～5 mm)。

1.2 試驗方法

考慮到硬質(zhì)瀝青的低溫性能較為薄弱，本文通過級配的優(yōu)化來彌補(bǔ)這一不足。同時，為了保證硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石混合料具備優(yōu)良的抗反射裂縫的能力和基層補(bǔ)強(qiáng)能力，本文通過調(diào)整級配關(guān)鍵篩孔的通過率，將混合料整體調(diào)整為骨架密實型結(jié)構(gòu)。

用于基層補(bǔ)強(qiáng)的硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石混合料性能從兩個方面評價：高溫穩(wěn)定性(車轍試驗)和水損害性(浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗)。

2 配合比設(shè)計

2.1 級配的優(yōu)選

研究表明，瀝青混合料的高溫抗車轍能力有60%依賴于礦料級配的嵌擠作用，40%依賴于瀝青結(jié)合料的黏結(jié)性能。因此礦料級配的選擇對混合料性能影響很大[6]。根據(jù)前期研究成果，ATB-25礦料級配的骨架密實結(jié)構(gòu)4. 75 mm的通過量宜為23%～33%，基本能夠保證既密實不滲水，又處于良好的骨架嵌擠狀態(tài)[7]。如表3所示，為各檔料篩分結(jié)果及其ATB-25級配的上下限范圍。

表3 各檔礦料篩分結(jié)果

試驗中，通過調(diào)整26. 5 mm，9.5 mm，4. 75 mm，0. 075 mm 4個關(guān)鍵篩孔的通過率選取3組級配，分別測定馬歇爾指標(biāo)，同時參考邱仁科提到的混合料中粗集料嵌擠狀況的參數(shù)SSC，對其骨架嵌擠程度進(jìn)行驗證，并綜合分析優(yōu)選級配[8]。三種礦料的合成級配通過率如表4所示。三種級配的礦料比例如表5所示。三種試級配馬歇爾試驗結(jié)果如表6所示。三種級配曲線圖如圖1所示。

從表5和圖1合成級配可以知道，級配1的體積指標(biāo)不滿足要求，級配2和級配3均滿足技術(shù)要求。其中關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率控制在23%～33%之間。通過各種級配的體積參數(shù)，建議4.75 mm 通過率控制不宜小于25%。

表4 三種礦料的合成級配通過率

表5 三種級配的礦料比例

圖1 三種級配合成圖

表6 三種試級配馬歇爾試驗結(jié)果

從級配2和級配3可以看出，骨料中粗骨料占比例較大，有足夠的粗骨料形成骨架產(chǎn)生嵌擠力，也有足夠的細(xì)集料填充空隙，具有骨架密實結(jié)構(gòu)的特點，同時SSC數(shù)據(jù)也證實了結(jié)果，考慮到硬質(zhì)瀝青低溫性能較差以及以往的工程應(yīng)用經(jīng)驗，本文選擇級配2作為后續(xù)的設(shè)計級配。

2.2 最佳油石比確定

以4.0%油石比為中值和(4.0±0.5)%五種油石比進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，試驗結(jié)果如表7所示。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，求得最終油石比平均值為4.05%，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗和當(dāng)?shù)貧夂驐l件取油石比4.0%為最佳油石比。

表7 ATB-25設(shè)計級配馬歇爾試驗結(jié)果

3 混合料性能試驗評價

為了更好地評價硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石混合料的性能，采用同樣的級配，利用70號道路石油瀝青制備瀝青穩(wěn)定碎石混合料試件的對比樣，進(jìn)行水穩(wěn)定性和高溫性能對比評價。

3.1 水穩(wěn)定性分析

根據(jù)設(shè)計油石比及級配進(jìn)行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來檢驗設(shè)計瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。試驗結(jié)果分別見表8、表9、圖2和圖3。

表8 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

表9 凍融劈裂試驗結(jié)果

圖2 浸水馬歇爾試驗

圖3 凍融劈裂試驗

從表8、表9、圖2和圖3可以看出，不管是硬質(zhì)瀝青(H42)穩(wěn)定碎石還是韓國SK-70瀝青穩(wěn)定碎石的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比均滿足F40規(guī)范要求。浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度兩者相差不大，凍融劈裂強(qiáng)度比SK-70瀝青穩(wěn)定碎石混合料水穩(wěn)定性要優(yōu)于硬質(zhì)瀝青(H42)穩(wěn)定碎石混合料，這種現(xiàn)象主要是由瀝青的低溫延展性質(zhì)決定。從兩試件的破壞強(qiáng)度和空隙率也可以看出，SK-70瀝青穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度是H42穩(wěn)定碎石混合料的3倍多，空隙率更小，說明韓國SK-70瀝青穩(wěn)定碎石混合料更易壓實，更能抵抗破壞。同時瀝青類別也是一個原因，H42硬質(zhì)瀝青的粘度要比SK-70瀝青的粘度大的多，在試件成型的過程中也會受到影響。

3.2 高溫穩(wěn)定性試驗

在60±1 ℃，0.7±0.05 MPa條件下進(jìn)行車轍試驗來檢驗瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍試件動穩(wěn)定度試驗結(jié)果如表10和圖4所示。

圖4 車轍試驗結(jié)果

表10 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

上述試驗結(jié)果顯示硬質(zhì)瀝青ATB25混合料的動穩(wěn)定度在一個很高的數(shù)量級(104)，顯然滿足常規(guī)的基層用高溫性能的技術(shù)指標(biāo)，分析其原因，一方面是硬質(zhì)瀝青的貢獻(xiàn)，另一方面是通過調(diào)整級配進(jìn)行優(yōu)化，形成了相互嵌擠的骨架密實結(jié)構(gòu)。由于兩種瀝青穩(wěn)定碎石混合料的級配相同，從高溫性能來看，硬質(zhì)瀝青對混合料的高溫性能的貢獻(xiàn)起主要作用，骨架密實結(jié)構(gòu)為次要作用。

4 結(jié)論

(1) 本文通過調(diào)整關(guān)鍵篩孔4.75 mm使通過率在25%以上，將瀝青穩(wěn)定碎石混合料的結(jié)構(gòu)調(diào)整為骨架密實結(jié)構(gòu)，結(jié)合馬歇爾體積參數(shù)和SCC參數(shù)驗證，獲得了最優(yōu)化的礦料級配。

(2) 與韓國SK-70號穩(wěn)定碎石混合料相比，H42硬質(zhì)瀝青混合料的高溫性能評價指標(biāo)動穩(wěn)定度在一個很高的數(shù)量級(104)，水穩(wěn)定性評價指標(biāo)常溫下浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度兩者相差不大， H42硬質(zhì)瀝青混合料低溫下的凍融劈裂強(qiáng)度比卻略低于SK70瀝青穩(wěn)定碎石混合料。

(3) 通過調(diào)整級配和關(guān)鍵篩孔通過率得到的硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石混合料路用性能優(yōu)異，為相似工程提供了技術(shù)參考。