擊實(shí)次數(shù)對(duì)雙層功能性瀝青混合料穩(wěn)定性的影響

張海濤，袁 夢

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

對(duì)于目前現(xiàn)有的功能性瀝青混合料來講，都是采用單一級(jí)配的大空隙率混合料(Va=15%～25%)，以滿足功能性指標(biāo)的要求，但這樣的大空隙率混合料密實(shí)度較差、易受水流沖刷，其結(jié)構(gòu)性指標(biāo)(強(qiáng)度)難以保證[1-2]。如何解決單一級(jí)配的大空隙率功能性瀝青混合料的功能性指標(biāo)好而結(jié)構(gòu)性指標(biāo)差的問題一直是研究的主要方向。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種雙層功能性瀝青混合料，以解決此問題。研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種上層具有功能性、下層可以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的雙層瀝青混合料，將單層大空隙率OGFC瀝青混合料的下半部分替換成密實(shí)型AC瀝青混合料，采用連續(xù)攤鋪方式施工，以保證瀝青混合料的層間連接強(qiáng)度[3-4]。

雙層功能性瀝青混合料設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)主要依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD 50—2017)[5]要求將傳統(tǒng)瀝青混凝土路面分為上面層、中面層、下面層三層，三層間斷攤鋪同時(shí)層間設(shè)置黏層。雙層功能性瀝青混合料設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上參考雙層排水路面將三層面層整合視為一層，模擬連續(xù)攤鋪方式，不設(shè)黏層，層間連接效果較好。設(shè)計(jì)是基于雙層排水瀝青混合料的基礎(chǔ)上，較傳統(tǒng)瀝青路面的組合排列上有一定的創(chuàng)新，將大空隙率的OGFC(open graded friction course)瀝青混合料置于上層，將空隙率較小的AC(asphalt concrete)瀝青混合料置于下層，使雙層功能性瀝青混合料保留OGFC原有的功能特性，同時(shí)又具有較好的力學(xué)特性。

研究人員針對(duì)馬歇爾成型參數(shù)對(duì)材料特性、試驗(yàn)環(huán)境、級(jí)配、瀝青用量等做了大量的分析，如通過改變馬歇爾成型溫度適應(yīng)不同強(qiáng)度的集料，從而能夠得到穩(wěn)定的混合料內(nèi)部集料接觸結(jié)構(gòu)；成型溫度對(duì)普通瀝青、改性瀝青混合料的體積特性以及對(duì)混合料類型的影響；壓實(shí)過程中粗集料的堆移行為對(duì)瀝青混合料的影響，不同壓實(shí)方法對(duì)瀝青混合料性能的影響[6-8]。鄧乃銘[9]研究了試件制作過程中各因素對(duì)瀝青混合料空隙率的影響。在功能性瀝青混合料方面上，張炯[10]等針對(duì)透水瀝青混凝土滲透性能及堵塞行為進(jìn)行了研究；卓浩[11]、胡愛兵等[12]基于SWMM(storm water management Model)模型對(duì)LID(low impact development)設(shè)施布局的影響進(jìn)行分析?；谝陨蠁栴}，針對(duì)瀝青混合料馬歇爾試件擊實(shí)成型方法加以進(jìn)一步的研究，在OGFC/AC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在保證上下兩層層間連接強(qiáng)度的條件下，同時(shí)保證上層OGFC瀝青層的空隙率來確保其功能性，研究采用不同擊實(shí)次數(shù)組合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)的擊實(shí)形式[13-14]，分別在25、60 ℃條件下對(duì)不同擊實(shí)次數(shù)組合下的試件進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)。同時(shí)研究基于數(shù)據(jù)擬合分析對(duì)不同擊實(shí)次數(shù)組合下混合料的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

試驗(yàn)采用SBS改性瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE 20—2011)[15]中的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.2 集料

試驗(yàn)采用AC-13、AC-16、OGFC-13、OGFC-16級(jí)配。按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[16]中的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，集料的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

1.3 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的礦料級(jí)配參照級(jí)配范圍要求中值及結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，確定集料級(jí)配。根據(jù)研究結(jié)果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取AC-13、AC-16、OGFC-13(空隙率21%)、OGFC-16(空隙率21%)。四種混合料集料級(jí)配曲線如圖1所示。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)所確定的4種瀝青混合料的最佳油石比分別為5.4%、5%、4.3%、4.0%。

圖1 集料級(jí)配曲線

1.4 試件制備

試驗(yàn)仿照連續(xù)攤鋪施工工藝制備雙層功能性瀝青混合料馬歇爾試件，先拌合好下層瀝青混合料(AC-13或AC-16)，隨后拌和上層瀝青混合料(OGFC-13 或OGFC-16)。最后對(duì)整體進(jìn)行擊實(shí)得到雙層功能性瀝青混合料馬歇爾試件(圖2)。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[15]中的規(guī)定，單層OGFC瀝青混合料馬歇爾試件應(yīng)雙面擊實(shí)50次，單層AC瀝青混合料馬歇爾試件應(yīng)雙面擊實(shí)75次[8]。為了更好地研究擊實(shí)次數(shù)對(duì)雙層功能性瀝青混合料的影響，采用不同擊實(shí)次數(shù)組合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)進(jìn)行試件的擊實(shí)。

圖2 雙層功能性瀝青混合料馬歇爾試件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別在25、60 ℃條件下對(duì)不同擊實(shí)次數(shù)組合下的雙層功能性瀝青混合料試件進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)。將得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，無論哪種擊實(shí)次數(shù)組合，雙層功能性瀝青混合料滿足規(guī)范所規(guī)定的OGFC混合料技術(shù)的要求。且OGFC+AC組合的穩(wěn)定度、流值試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于單層OGFC瀝青層。

表3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出，在不同擊實(shí)次數(shù)組合下，密度、空隙率符合與擊實(shí)次數(shù)的一般規(guī)律，試件的密度隨著擊實(shí)次數(shù)的增加逐漸增大，試件的空隙率隨著擊實(shí)次數(shù)的增加逐漸減小。此外，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加雙層功能性瀝青混合料兩層間層間連接逐漸密實(shí)、層間連接效果更好，所測得的穩(wěn)定度隨著擊實(shí)次數(shù)的增加而逐漸增大且無論在25、60 ℃條件下穩(wěn)定度的峰值均出現(xiàn)在75×75擊實(shí)次數(shù)組合條件下。對(duì)比雙層功能性瀝青混合料在25、60 ℃條件下穩(wěn)定度，明顯觀察到雙層功能性瀝青混合料在 25 ℃ 條件下所測得的穩(wěn)定度大大優(yōu)于60 ℃條件下的穩(wěn)定度，25 ℃條件下的穩(wěn)定度平均約為60 ℃條件下穩(wěn)定度的4.34倍。其主要原因是在25 ℃條件下瀝青混合料受溫度影響較小，瀝青與集料之間的黏結(jié)力受到的水和溫度影響較小，試件整體仍處于一個(gè)密實(shí)、黏結(jié)性較強(qiáng)的狀態(tài)。

圖3 密度、空隙率、穩(wěn)定度、流值與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系

2.2 數(shù)據(jù)擬合分析

圖4 25、60 ℃條件下穩(wěn)定度對(duì)比

為了進(jìn)一步確定擊實(shí)次數(shù)對(duì)雙層功能性瀝青混合料穩(wěn)定性的影響，將25、60 ℃條件下穩(wěn)定度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，研究分析穩(wěn)定度與擊實(shí)次數(shù)之間的關(guān)系。為明確表達(dá)擊實(shí)次數(shù)的影響，將不同擊實(shí)次數(shù)組合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)以擊實(shí)次數(shù)之和的方式記錄，分別為100、120、150、125、135。

由圖5可知，擊實(shí)次數(shù)對(duì)于雙層功能性瀝青混合料有較大的影響，雙層功能性瀝青混合料穩(wěn)定度隨著擊實(shí)次數(shù)的遞增而逐漸增加，有明顯變化。由表4中的回歸方程以及R2來看，OGFC-13+AC-13與OGFC-16+AC-16級(jí)配組合在25、60 ℃條件下穩(wěn)定度與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系與多項(xiàng)式函數(shù)擬合較好。

圖5 25、60 ℃條件下穩(wěn)定度數(shù)據(jù)擬合分析

表4 回歸方程與R2

3 結(jié)論

(1)在采用SBS改性瀝青的條件下，雙層功能性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度明顯優(yōu)于單層OGFC 性能。且試驗(yàn)所測得的25 ℃條件下的馬歇爾穩(wěn)定度平均約為60 ℃條件下馬歇爾穩(wěn)定度的4.34倍。

(2)不同擊實(shí)次數(shù)組合下的馬歇爾試件的密度、空隙率的變化都符合一般規(guī)律。僅針對(duì)瀝青混合料的穩(wěn)定性而言，OGFC/AC的結(jié)構(gòu)組成的穩(wěn)定度明顯較單一層有很大的提高，其可能原因是上層OGFC混合料與下層AC混合料相互結(jié)合形成良好的層間連接，但實(shí)際情況仍需對(duì)雙層功能性瀝青混合料的層間連接情況進(jìn)行細(xì)觀研究。

(3)在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，當(dāng)擊實(shí)次數(shù)組合之和開始遞增，雙層功能性瀝青混合料的穩(wěn)定度也隨之遞增。兩種級(jí)配的雙層功能性瀝青混合料在25、60 ℃條件下與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系經(jīng)數(shù)據(jù)擬合滿足多項(xiàng)式關(guān)系，且擬合效果較好。