瀝青混合料的變異性及對(duì)瀝青路面性能的影響

楊志剛 何長清

(1.貴州省貴陽公路管理局，貴州 貴陽 550002; 2.重慶市重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

1 瀝青混合料的變異機(jī)理和類型

瀝青混合料是由瀝青材料和各種不同粒徑大小的礦石集料組成的膠結(jié)聚合體，通常在外力的作用下聚合物的內(nèi)部會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。瀝青混合料的離析可從宏觀和微觀兩方面來理解，從宏觀上看，瀝青混合料的離析是由于瀝青與集料的不同性質(zhì)及集料顆粒大小的差異而使混合料各部分的受力不同導(dǎo)致了分離;從微觀來看，離析是瀝青混合料在顆粒運(yùn)動(dòng)過程中滲漏、幾何重組及整體或部分發(fā)生對(duì)流等現(xiàn)象的一個(gè)過程。瀝青混合料的變異類型可以分為集料離析、瀝青和集料的離析、溫度離析［1］。

2 瀝青含量變異性

瀝青含量是瀝青混合料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的最關(guān)鍵性指標(biāo)。瀝青含量的大小會(huì)直接影響混合料的離析程度。國外有研究表明，混合料中瀝青含量的輕微增加能顯著地減少混合料的離析現(xiàn)象，并建議在瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)，取瀝青含量=最佳瀝青用量+0.2%，根據(jù)工程實(shí)例，當(dāng)真實(shí)瀝青含量偏離達(dá)到0.3個(gè)百分點(diǎn)的時(shí)候，就會(huì)顯著影響混合料的使用性能［2］。當(dāng)瀝青含量過低時(shí)，不能完全裹覆石料，在施工時(shí)難以壓實(shí)，同時(shí)使石料間黏結(jié)不足，強(qiáng)度顯著下降，路面通車后容易產(chǎn)生開裂、松散等各種病害;而瀝青含量過高時(shí)，混合料孔隙率過小，在高溫天氣下容易產(chǎn)生泛油等病害，嚴(yán)重時(shí)甚至使混合料內(nèi)部形成石料懸浮在自由瀝青中的形態(tài)，在行車荷載作用下極易導(dǎo)致材料流動(dòng)變形，直接破壞路面結(jié)構(gòu)［3］。

以貴州省某高速公路路面工程第二十七標(biāo)段為例，路面采用瀝青混凝土路面，上面層為設(shè)計(jì)厚度4 cm的AC-13C瀝青混凝土，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［4］瀝青混合料的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合貴州省的氣候環(huán)境以及當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)集料篩分試驗(yàn)，確定以最佳油石比為5.5%進(jìn)行施工。通過現(xiàn)場(chǎng)取料的方式，對(duì)不同時(shí)間瀝青含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于各種外界因素的影響，在試驗(yàn)過程中也會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，因此，現(xiàn)場(chǎng)取混合料所測(cè)得油石比與設(shè)計(jì)油石比的差值在±0.3%內(nèi)都滿足規(guī)范要求。檢測(cè)表明，15次檢測(cè)的平均值為5.41%，變異系數(shù)為0.033，大多數(shù)數(shù)據(jù)都滿足了要求，只有第6次，第7次和第15次超出了±0.3%的范圍，表1記錄了這三種油石比混合料試件的馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)值［5］。

表1 不同瀝青含量的混合料馬歇爾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1中數(shù)據(jù)看出，瀝青用量不足時(shí)，混合料的空隙率會(huì)增大，甚至?xí)鲈O(shè)計(jì)范圍，不利于路面的壓實(shí)，而飽和度的降低，會(huì)使得混合料中瀝青膜變薄，降低路面抵抗水損害的能力。從檢測(cè)數(shù)據(jù)看出普遍油石比都低于確定的最佳油石比，因?yàn)樵诟鱾€(gè)環(huán)節(jié)可能會(huì)發(fā)生瀝青含量的變異，針對(duì)這種現(xiàn)象，可以考慮提高瀝青開始的拌和量，從而使得在路面鋪筑過程中混合料中的瀝青含量盡量接近最佳油石比。

3 瀝青混合料級(jí)配變異性

瀝青混合料的級(jí)配直接影響著瀝青路面的性能，合理的礦料級(jí)配是根據(jù)眾多條件設(shè)計(jì)而成的，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于各種原因都會(huì)引起瀝青混合料級(jí)配發(fā)生變化。通過結(jié)合我國現(xiàn)行的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［4］與前一節(jié)的分析，選取當(dāng)4.75 mm通過率發(fā)生變異時(shí)來模擬在施工中發(fā)生粗集料和細(xì)集料離析。保持油石比為5.5%不變，對(duì)通過率發(fā)生變異的瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，從而得出瀝青混合料性能的變化情況。以基準(zhǔn)配合比為標(biāo)準(zhǔn)，4.75 mm通過率按±10%，±6%來調(diào)配變化后的級(jí)配配比如表2所示。

從表2的級(jí)配配比數(shù)據(jù)變化可以將4.75 mm通過率從小到大的變化看成是一個(gè)瀝青混合料從粗集料離析到細(xì)集料離析的過程。通過馬歇爾試驗(yàn)得到試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 級(jí)配配比變化表 %

表3 混合料級(jí)配變異馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

4 溫度離析對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響

研究表明，路面的早期病害發(fā)生和空隙率大小是緊密相連的，要降低路面病害的發(fā)生頻率，減小瀝青混合料壓實(shí)后的空隙率是一個(gè)關(guān)鍵的方法。影響壓實(shí)效果的一個(gè)重要因素就是瀝青混合料的溫度，如果產(chǎn)生溫度離析那么壓實(shí)效果必定會(huì)下降，從而空隙率受到影響，同時(shí)路面性能也受到影響［6］。

為了確定溫度的變化對(duì)瀝青混合料空隙率的影響，對(duì)瀝青混合料在不同溫度的情況下進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得溫度變化與混合料密度以及空隙率的關(guān)系，見圖1，圖2。

圖1 瀝青混合料溫度與密度的關(guān)系圖

圖2 瀝青混合料溫度與空隙率的關(guān)系圖

5 結(jié)語

本文研究了瀝青混合料的變異，分析了變異發(fā)生的機(jī)理和類型，包括三個(gè)方面，瀝青含量的變異，瀝青混合料級(jí)配變異和溫度變異，并且針對(duì)各種變異提出了控制措施。

1)檢測(cè)得到瀝青含量的變異系數(shù)為0.033，當(dāng)瀝青用量不足時(shí)，混合料的空隙率會(huì)增大，甚至?xí)鲈O(shè)計(jì)范圍，不利于路面的壓實(shí)，而飽和度的降低，會(huì)使得混合料中瀝青膜變薄，降低路面抵抗水損害的能力。

2)瀝青混合料級(jí)配的變異與集料的變異相關(guān)性較高，針對(duì)級(jí)配發(fā)生的離析，模擬發(fā)生輕度離析時(shí)混合料，當(dāng)4.75 mm通過率降低超過6%以后，可以看出空隙率增大非常快，已經(jīng)不能滿足工程技術(shù)要求，飽和度在±6%的范圍內(nèi)尚可滿足要求65% ～75%，如果超過這個(gè)范圍則飽和度無法達(dá)到要求，穩(wěn)定度也是相似的規(guī)律，雖然在+10%可以達(dá)到要求，但是在中間的一段可能會(huì)發(fā)生穩(wěn)定度過低的現(xiàn)象。而流值受到的影響不大，均可滿足要求。級(jí)配離析對(duì)瀝青混合料的高溫性能影響顯著，無離析混合料的抗車轍性能最好，細(xì)集料離析和粗集料離析發(fā)生后，抗車轍性能嚴(yán)重下降，動(dòng)穩(wěn)定度降幅隨著離析程度的增加而加劇。細(xì)集料離析混合料的水穩(wěn)定性略有改善，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比都略有升高，隨著粗集料離析程度增加，抗水損害性能有明顯的降幅。按照規(guī)范嚴(yán)格控制關(guān)鍵篩孔的通過率防止級(jí)配離析發(fā)生。

3)研究溫度離析對(duì)瀝青混合料密度和空隙率的影響，在壓實(shí)過程中瀝青混合料的溫度越高，越容易被壓實(shí)，其密度越大;溫度變化與密度變化有很好的相關(guān)性。隨著溫度的升高，瀝青混合料空隙率從7.8%減小到3.7%，溫度越高，瀝青混合料密度越大，空隙率越小。溫度離析不可超過20。