瀝青混合料高溫性能評價指標研究

陳杰，禤煒安，熊劍平，王彬

(1.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室；3.高等級公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心)

1 前言

車轍是瀝青路面典型的病害類型，在結(jié)構(gòu)型、失穩(wěn)型、壓密型和磨耗型4類車轍病害中，最常見的是失穩(wěn)型車轍，即荷載作用產(chǎn)生的剪應力超過瀝青混合料的抗剪強度時出現(xiàn)的剪切流動變形?？辜魪姸仁菫r青混合料高溫穩(wěn)定性最直接的評價指標，可直接反映混合料結(jié)構(gòu)破壞時的力學特性。在對瀝青混合料設(shè)計時通常采用穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度兩個參數(shù)進行瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性控制。穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度作為混合料高溫穩(wěn)定性間接評價指標，能否真實反映其實際高溫性能越來越受到廣大學者的質(zhì)疑，已有研究指出馬歇爾穩(wěn)定度及流值與混合料高溫性能相關(guān)性很差，動穩(wěn)定度僅考慮了壓實瀝青混合料后15 min的永久變形率，缺乏對全過程的累積變形量和最大永久變形量的考慮，在評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性時存在較大的局限性。單軸貫入試驗方法能模擬路面的實際受力狀態(tài)，采用單軸貫入試驗計算得到的抗剪強度可以較真實地反映實際路面的應力情況。已有較多學者采用單軸貫入試驗方法對瀝青混合料高溫性能進行了較深入的研究。高振鑫等采用單軸貫入數(shù)值試驗方法研究了礦料級配對混合料抗剪強度的影響規(guī)律，并驗證了該方法的合理性，基于抗剪強度最大原則提出了4.75、2.36、0.075 mm關(guān)鍵篩孔通過率控制范圍；湯文等對4種類型的瀝青混合料在不同溫度下分別采用APA車轍深度、單軸貫入強度及剪切模量對混合料高溫性能進行評價，發(fā)現(xiàn)高溫下抗剪性能好的瀝青混合料低溫下抗剪性能并不一定好，提出瀝青混合料抗剪性能的評價應結(jié)合環(huán)境溫度，并建立了3種指標間的回歸關(guān)系式；朱昆等采用單軸貫入試驗對大粒徑瀝青混合料進行級配設(shè)計，并驗證了其合理性。

雖然對瀝青混合料高溫性能評價方法方面已有較多研究，但以混合料的礦料骨架特征來反映其高溫性能方面的研究卻少有報道。且常規(guī)的高溫性能評價指標永久變形和動穩(wěn)定度不能揭示混合料失穩(wěn)破壞的本質(zhì)，均是間接反映混合料的高溫性能，與混合料的抗剪強度是否具有相關(guān)性值得探討。為此，該文通過單軸貫入試驗對礦料骨架結(jié)構(gòu)特征、車轍試驗的永久變形及動穩(wěn)定度與抗剪強度的關(guān)系進行研究，提出基于礦料骨架特征的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性設(shè)計思想并以抗剪強度進行高溫穩(wěn)定性評價。

2 試驗

試驗用瀝青膠結(jié)料為SBS改性瀝青(Ⅰ-D)，技術(shù)指標如表1所示。粗集料采用粒徑4.75 mm以上的輝綠巖，細集料及礦粉為石灰?guī)r，3種礦料級配如表2所示。

表1 改性瀝青技術(shù)指標

表2 3種礦料級配組成

3種礦料級配均采用單粒徑配料，分別進行馬歇爾試驗、車轍試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗及單軸壓縮試驗。

無側(cè)限抗壓及單軸壓縮試驗用的試件均采用靜壓方式成型直徑100 mm、高100 mm的圓柱體，在室溫條件下放置48 h后將試件放置在60 ℃環(huán)境箱中保溫5 h，采用MTS對圓柱體試件進行無側(cè)限抗壓試驗和單軸貫入試驗，從而計算高溫條件下混合料的抗剪強度及黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ值。

無側(cè)限抗壓試驗加載速率為2 mm/min；單軸貫入試驗壓頭尺寸為直徑28.5 mm、高50 mm，加載速率為1 mm/min。整個試驗過程均在60 ℃環(huán)境箱內(nèi)完成。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 馬歇爾試驗結(jié)果

對3種礦料級配采用馬歇爾方法確定的最佳油石比均為4.5%，最佳油石比下3種AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果如表3所示。

表3 3種AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

3.2 礦料級配的骨架結(jié)構(gòu)表征

采用骨架接觸度SSC、骨架穩(wěn)定度S兩個指標來表征混合料中礦料的骨架結(jié)構(gòu)特征，其計算公式如下：

SSC=100γcm/γ

(1)

式中：SSC為瀝青混合料中礦料骨架接觸度(%)；γcm為瀝青混合料中粗集料毛體積相對密度；γ為粗集料干搗實狀態(tài)下的毛體積相對密度。

(2)

式中：γmb為瀝青混合料的毛體積相對密度；Pa為瀝青混合料的油石比(%)；PCA為瀝青混合料中粗集料的質(zhì)量占比(%)。

S=100γcm/γma

(3)

式中：S為瀝青混合料中礦料骨架穩(wěn)定度(%)；γma為粗集料松裝毛體積相對密度。

3種瀝青混合料的骨架接觸度SSC及骨架穩(wěn)定度S計算結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：從級配Ⅰ到級配Ⅱ，粗集料含量增加2.8%，骨架接觸度提高了4.2%，骨架穩(wěn)定度提高了5.9%；從級配Ⅱ到級配Ⅲ，粗集料含量增加了4.2%，骨架接觸度提高了5.9%，骨架穩(wěn)定度提高了4.6%。隨著粗集料含量的增加，骨架接觸度SSC和骨架穩(wěn)定度S均逐漸增大?？梢?，骨架接觸度SSC和骨架穩(wěn)定度S兩個指標可以較敏感地反映礦料骨架結(jié)構(gòu)的變化情況。

表4 3種級配的礦料骨架結(jié)構(gòu)特征

3.3 車轍試驗結(jié)果及分析

3種AC-13瀝青混合料在60℃條件下的試驗結(jié)果如表5及圖1所示。

表5 車轍試驗結(jié)果

圖1 3種瀝青混合料永久變形與動穩(wěn)定度關(guān)系

從表5可以看出：從級配Ⅰ到級配Ⅱ，粗集料含量增加了2.8%，動穩(wěn)定度提高了75.7%，從級配Ⅱ到級配Ⅲ，粗集料含量增加了4.2%，動穩(wěn)定度僅提高了5%。3種礦料級配隨著粗集料含量增大，動穩(wěn)定度增大，但增加速率逐漸減小。表明當粗集料含量達到一定比例時，繼續(xù)增加粗集料含量對高溫穩(wěn)定性貢獻不大。

從表5和圖1可以看出：① 無論是從每種級配的瀝青混合料平行試驗結(jié)果來看，還是從3種級配的瀝青混合料對比結(jié)果來看，永久變形越小動穩(wěn)定度并不一定就高，車轍試驗的永久變形與動穩(wěn)定度結(jié)果并不一致；② 從級配Ⅱ和級配Ⅲ動穩(wěn)定度試驗結(jié)果可以看出：級配Ⅱ和級配Ⅲ瀝青混合料平行試驗結(jié)果的標準偏差甚至超過了兩種瀝青混合料動穩(wěn)定度結(jié)果的差值，這表明當兩種類型瀝青混合料高溫性能相差不大時，采用動穩(wěn)定度評價其高溫性能的區(qū)分度不高，可靠性相對較低，此種情況下采用動穩(wěn)定度指標評價其高溫性能可能造成評價結(jié)果與實際情況不符。

3.4 單軸貫入試驗結(jié)果及分析

無側(cè)限抗壓及單軸貫入試驗結(jié)果如表6所示。

表6 無側(cè)限抗壓及單軸貫入試驗結(jié)果

參考孫立軍采用三維有限元進行力學分析得到的貫入強度為1 MPa 、泊松比為0.35時的強度參數(shù),該文以此為基礎(chǔ)利用單軸抗壓試驗和單軸貫入試驗得到混合料抗剪強度τmax、黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ，結(jié)果如表7所示。

表7 3種AC-13瀝青混合料抗剪強度結(jié)果

從表7可以看出：隨著混合料中粗集料含量增加，混合料抗剪強度逐漸增大，瀝青膠漿的黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大。從級配Ⅰ到級配Ⅱ，粗集料含量增加2.8%，抗剪強度提高了24.2%，內(nèi)摩阻角增大了8.4%，黏聚力降低了13%；從級配Ⅱ到級配Ⅲ，粗集料含量增加了4.2%，抗剪強度僅提高了0.7%，內(nèi)摩擦角僅增大0.9%，黏聚力降低了3.8%。結(jié)合表4可知：當粗集料含量小于65%時，隨著粗集料含量的增加，礦料骨架嵌鎖程度增強，抗剪強度也有較大幅度的提升，當粗集料含量超過65%時，繼續(xù)增加粗集料含量依然能較明顯地提升礦料骨架嵌鎖程度，但對抗剪強度的提升作用不明顯。這也表明并非礦料骨架結(jié)構(gòu)嵌鎖程度越高，混合料的抗剪強度就越好。分析原因認為：隨著粗集料的增加，細集料含量減少，礦料比表面積減小，相同油石比下瀝青膜厚度減小，結(jié)構(gòu)瀝青含量降低，造成瀝青膠漿的黏聚力減小，這種減小的幅度相對于抗剪強度來說影響很小。但由于粗集料形成的骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)需要瀝青膠漿的黏聚力進行約束和穩(wěn)定，當粗集料含量過多時，細集料和瀝青形成的瀝青砂漿體系的黏聚力降低，對粗集料骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)的約束作用減弱，從而削弱了粗集料的骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)對混合料抗剪強度的貢獻；另一方面，細集料含量減少導致粗集料形成的礦料骨架空隙缺少足夠的瀝青砂漿進行填充，從而影響混合料的密實性。雖然瀝青砂漿的黏聚力相對于抗剪強度的貢獻率較小，但在混合料結(jié)構(gòu)體系中，礦料骨架結(jié)構(gòu)與瀝青砂漿相互作用、相互制約，共同形成混合料的強度。因此當粗集料含量增加到一定比例后繼續(xù)增加時，混合料的密實度降低，抗剪強度提升幅度很小甚至可能降低。對瀝青混合料進行設(shè)計時，在保障混合料密實度前提下可通過提高礦料骨架嵌鎖程度來有效提升混合料的抗剪強度。

3.5 各指標與抗剪強度相關(guān)性分析

骨架接觸度SSC、骨架穩(wěn)定度S及車轍試驗的永久變形、動穩(wěn)定度與混合料抗剪強度關(guān)系如圖2～4所示。

由圖2可以看出：骨架接觸度SSC、骨架穩(wěn)定度S與混合料抗剪強度具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別達到0.676、0.834。因此在對瀝青混合料進行設(shè)計時可以采用骨架接觸度和骨架穩(wěn)定度對混合料中礦料骨架結(jié)構(gòu)進行初步評價，實現(xiàn)對混合料高溫穩(wěn)定性設(shè)計的初期控制，而無需等到高溫性能驗證時才能得知結(jié)果，一旦不合格又得從頭開始。既避免了初期設(shè)計的不確定性和盲目性，降低反復嘗試的工作量，又可以實現(xiàn)初期對礦料級配的優(yōu)化，提高混合料高溫性能設(shè)計的可靠度。

圖2 礦料骨架特征與抗剪強度關(guān)系

圖3 永久變形與抗剪強度關(guān)系

圖4 動穩(wěn)定度與抗剪強度關(guān)系

由圖3可以看出：永久變形與抗剪強度相關(guān)性很差，這也表明采用車轍試驗的永久變形評價混合料的高溫穩(wěn)定性并不合理。這主要是因為室內(nèi)車轍試驗次數(shù)較少，永久變形僅反映了初期的壓密變形。而在實際工程項目中，很多工程項目瀝青路面的現(xiàn)場壓實度已遠超過現(xiàn)行JTG F40-2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的93%的控制標準，開放交通后壓密變形的空間較小，主要的車轍病害是高溫重載下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所致，此時的路面變形包括前期的壓密變形和瀝青混合料失穩(wěn)后的剪切流動變形兩部分，而初期壓密變形占比較小，可見，室內(nèi)車轍永久變形并不能真實反映路面實際的車轍變形情況，因此不適合用來直接評價混合料的高溫穩(wěn)定性。

由圖4可以看出：動穩(wěn)定度與抗剪強度具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達0.996，這也表明采用動穩(wěn)定度評價混合料的高溫穩(wěn)定性在一定程度上是合理的。但由于動穩(wěn)定度結(jié)果離散性很大，當兩種瀝青混合料的高溫性能相差不大時，采用動穩(wěn)定度指標來評價高溫穩(wěn)定性時敏感性和區(qū)分度均較低，可靠性不足。

4 結(jié)論

通過引入骨架接觸度和骨架穩(wěn)定度指標，對不同礦料級配下的瀝青混合料的粗集料骨架結(jié)構(gòu)特征進行量化，從而建立了礦料骨架結(jié)構(gòu)特征與混合料抗剪強度的相關(guān)關(guān)系，分析了常規(guī)高溫性能評價指標即車轍試驗的永久變形和動穩(wěn)定度與抗剪強度的相關(guān)性，得到以下結(jié)論：

(1) 骨架接觸度SSC和骨架穩(wěn)定度S與混合料的抗剪強度正相關(guān)，可采用這兩個指標對混合料的高溫穩(wěn)定性進行初期設(shè)計，指導礦料級配的優(yōu)化，避免礦料級配設(shè)計的不確定性和盲目性，從而提高混合料高溫性能設(shè)計的可靠度。

(2) 車轍試驗的永久變形與抗剪強度相關(guān)性較差，不適合用來直接評價混合料的高溫穩(wěn)定性。

(3) 動穩(wěn)定度指標在評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的總體趨勢上與抗剪強度結(jié)果一致，且具有很好的相關(guān)性，但在評價兩種高溫性能相差不大的混合料時，動穩(wěn)定度指標并不合適，此種情況下建議增加抗剪強度評價指標。

(4) 由于該文研究的礦料級配類型較少，粗集料變化的范圍也較窄，樣本數(shù)量有限，研究成果的適用性還需大量后續(xù)試驗驗證。如粗集料含量不變時，粗集料級配、細集料級配對礦料骨架結(jié)構(gòu)特征及抗剪強度的影響如何；繼續(xù)增加粗集料含量時，骨架接觸度、骨架穩(wěn)定度與抗剪強度還是否正相關(guān)等。