細集料含量對AC-25C瀝青路面路用性能影響分析

姑麗比婭·艾斯卡爾

(新疆維吾爾自治區(qū)交通運輸工程質量監(jiān)督局， 新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

細集料增多或者減少是施工中一種常見現象，屬于級配離析。級配離析比溫度離析和瀝青離析對瀝青混合料的影響時間更長，級配離析可能發(fā)生在瀝青路面施工的整個過程，級配離析可能造成瀝青路面的質量缺陷，從而導致瀝青路面出現早期病害[1-2]。

國內外對瀝青混合料的級配離析研究較多，研究內容多集中于離析的判斷方法、施工經驗與預防離析病害的措施、離析的機理等，但對離析的成因、離析的控制標準、離析對瀝青混合料的路用性能影響等方面研究深入度不足。目前瀝青混合料施工控制標準中并未將離析作為一項驗收指標。盡管有一些學者將施工中的材料變異作為一項驗收內容，但大多是從視覺的角度對材料離析加以判斷，少有定量分析。定量分析的做法一般是進行室內離析配比設計，如對材料的含量進行改變來研究離析程度對瀝青混合料的影響程度，有人得到了一些研究成果[3-4]。為此，本文從定量分析的角度，以G3012喀葉墨高速中的AC-25C瀝青混合料為研究對象，設計幾種細集料含量來模擬離析程度，進行瀝青混合料不同細集料含量下的路用性能研究，為AC-25C瀝青混合料的施工過程控制提供理論依據。

1 原材料及級配

以G3012喀葉墨高速為例，試驗路段選在K140+450～K140+050左幅，全長400m，距離拌和站4.5km。瀝青下面層設計為AC-25C混合料，厚度為7cm，腰部寬度為12.00m，采用集中廠拌、機械攤鋪。

1.1 原材料

1.1.1粗、細集料

粗、細集料均采用新疆匯利德有限責任公司生產的碎石，粒組規(guī)格分別為0～3、3～5、5～10、10～15、15～20、20～25mm。下面層所用集料具有良好的顆粒形狀，具有足夠的強度和耐磨性，石質堅硬、清潔、干燥，近立方體顆粒，表面粗糙。粗、細集料各項性能指標均滿足相關規(guī)定的要求，具體結果見表1。

表1 集料主要技術性能檢測項目表觀相對密度/(g·cm-3)針片狀含量/%壓碎值/%含泥量/%吸水率/%砂當量/%洛杉磯磨耗損失/%堅固性/%軟弱顆粒含量/%10～30 mm碎石2.7173.7—0.50.46—16.54.72.610～20 mm碎石2.7145.420.40.40.59—18.74.32.45～10 mm碎石2.7207.1—0.30.6—18.75.21.53～5 mm碎石2.726——0.80.55—16.6——0～3 mm機制砂2.658——1.3— 66———技術要求≥2.5≤20≤28≤1≤3≥60≤30≤12≤5

1.1.2填料

礦粉采用生產單位自產的石灰石礦粉，基本物理指標均滿足規(guī)范要求。具體結果見表2。

表2 礦粉質量試驗結果類別含水量/%親水系數表觀相對密度/(g·cm-3)試驗結果0.30.62.667技術要求≤1<1≥2.5

1.1.3瀝青

采用克拉瑪依90#A級道路石油瀝青，瀝青技術指標均滿足要求，見表3。

表3 克拉瑪依90#A級石油瀝青主要技術性能類別針入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1mm)軟化點/℃15 ℃延度/cm試驗結果88.848.8>100技術要求80～100≥45≥10015 ℃密度/(g·cm-3)集料與石油粘附性(級別)TFOT短期老化質量變化/%殘留針入度比/%1.002 5級-0.360664—>4級±0.8≥57

1.2 級配

瀝青混合料配比中一般只有一檔細集料，而粗集料的粒徑檔較多。為方便分析，將基準級配下的細集料含量作為基準含量，以增加或者減少細集料的含量來改變級配，從而使基準瀝青混合料產生級配離析[5]。

AC-25C瀝青混合料不同細集料含量下的級配設置步驟如下：

1) 以基準配比下的細集料占比為基準含量，分別增加或減少6%、12%的細集料；

2)增加或減少了細集料含量則應對應減少或增加相應各個檔次的粗集料含量；

3) 分析不同細集料含量下的級配與基準級配偏差值；

4) 調整偏差值，使之達到臨界值。若偏差值未達到臨界值，則相應地增加或者減少細集料含量，不斷地重復以上3個步驟，直至偏差值達到目標臨界值。

AC-25C的基準級配為0～3 mm∶3～5 mm∶5～10 mm∶10～15 mm∶15～20 mm∶20～25 mm∶礦粉=25∶14∶14∶11∶14∶18∶4。基準級配中的細集料僅占25%，不易出現嚴重離析現象，但可能會有輕度或中度離析。本文采用的AC-25C基準級配及不同顆粒各篩孔通過率見表4。

表4 AC-25C不同細集料下的級配設計離析程度級配編號不同粒徑材料(mm)的配合比/%0～33～55～1010～1515～2020～25礦粉無基準配比2514141114184輕度離析級配11915151215204級配23113131013164中度離析級配31316161316224級配4371212912144 注:級配1、級配3為細集料分別減少6%、12%,級配2、級配4為細集料分別增加6%、12%。

2 細集料含量對瀝青混合料路用性能的影響研究

2.1 高溫性能受細集料含量變化影響分析

制作尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板，在60 ℃溫度下進行車轍試驗，其中輪壓為0.7 MPa，分別記錄45、60 min下的車轍變形，計算動穩(wěn)定度。AC-25C混合料的動穩(wěn)定度見表5。

表5 AC-25C離析混合料的動穩(wěn)定度次/mm基準配比級配1級配2級配3級配414 78210 6814 7327 9633 975

由表5可知，不同細集料含量的AC-25C混合料的動穩(wěn)定度差異較大，細集料含量與基準配比相差越大，動穩(wěn)定度降低幅度越大?？梢?，AC-25C瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性受細集料含量的影響較大，并且增加細集料含量比減少細集料造成的動穩(wěn)定度下降幅度更大。

AC-25C混合料動穩(wěn)定度的規(guī)范要求為3000次/mm以上，5種離析配比均滿足要求，但細集料含量變化后的混合料容易產生早期破壞，若用動穩(wěn)定度衡量很難選擇合理的級配，需要提高對動穩(wěn)定度指標的要求。

分析其原因：當細集料的含量增加時，混合料的比表面積及瀝青含量均增大，內部缺少粗、細集料鑲嵌形成的密實骨架結構，從而導致動穩(wěn)定度極大降低，并且細集料含量越多，動穩(wěn)定度值越??；當減少細集料含量時，混合料的內部雖然含有的骨架結構增多，但缺少細集料的填充導致粘結力過小，從而造成混合料的內部結構失穩(wěn)，導致動穩(wěn)定度降低。

2.2 低溫抗裂性能受細集料含量變化影響分析

制作直徑為101.6 mm、高為(6.35±1.3)mm的馬歇爾試件，在(-10±0.5)℃恒溫環(huán)境下保存6 h，在馬歇爾試驗儀上進行低溫劈裂抗拉強度試驗，計算其低溫劈裂抗拉強度。

5種級配的AC-25C瀝青混合料低溫抗裂性能試驗結果見表6。

表6 不同離析級配AC-25C的低溫劈裂抗拉強度MPa基準配比級配1級配2級配3級配41.931.850.971.660.91

由表6可知，改變細集料含量使混合料的低溫劈裂抗拉強度降低，細集料含量變化越大，混合料低溫劈裂抗拉強度降低幅度越大。增加細集料含量比減少細集料含量的低溫劈裂抗拉強度值降低幅度更大。

分析其原因：當細集料含量增大時，混合料的比表面積及瀝青含量均增大。瀝青的收縮系數較細集料的收縮系數高出2個數量級。低溫下，瀝青收縮變形遠高于集料，從而導致瀝青從集料表面脫落，使混合料的低溫抗裂性能降低。當減少細集料含量時，相當于增大了粗集料含量，降低了瀝青含量，此時的混合料應力松弛能力降低，從而降低了混合料的低溫抗裂性能，但降低幅度較增多細集料小。

2.3 水穩(wěn)定性能受細集料含量變化影響分析

制作直徑101.6mm、高(6.35±1.3)mm的馬歇爾試件，進行瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。AC-25C離析混合料的水穩(wěn)定性能檢測結果見表7。

表7 AC-25C離析混合料的水穩(wěn)定性能檢測結果級配浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂比/%基準配比92.187.7級配190.163.3級配2121.788.9級配382.351.2級配4103.289.5

由表7可知，細集料含量影響了AC-25C混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比。細集料減少時，AC-25C混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比均小于基準配比；細集料增多時，AC-25C混合料的路面水穩(wěn)定性反而得到了提高。

分析其原因：當細集料增多時，AC-25C混合料的比表面積大，空隙率小，外部水很難進入混合料內部，從而提高了混合料浸水48 h后的穩(wěn)定度，使得浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度超過100%，同時凍融劈裂比也得到了提高。當細集料減小時，AC-25C混合料的比表面積減少，空隙率增大，外部水更容易浸入到混合料內部，從而降低了混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比，尤其是凍融劈裂比降低較為明顯。

2.4 抗疲勞性能受細集料含量變化影響分析

制作400mm×300mm×75mm的車轍板，切成380mm×63mm×50mm的小梁試件，進行4點彎曲疲勞試驗，試驗溫度為15℃，采用500με應變水平，荷載頻率為10Hz。小梁見圖1，AC-25C瀝青混合料的4點彎曲疲勞試驗結果見表8。

圖1 小梁實物圖

表8 瀝青混合料初始勁度模量及疲勞試驗結果級配初始勁度模量/MPa達到疲勞壽命時荷載作用次數/次基準配比4 783138 297級配15 378109 822級配24 211158 227級配35 68262 982級配43 989237 651

由表8可知，細集料含量變化影響了混合料的初始勁度模量，隨著細集料含量的減少，混合料的初始勁度模量增大。細集料減少6%的級配1的初始勁度模量比基準級配增大了595MPa，而細集料增大6%的級配2初始勁度模量比基準配比的降低了572MPa。5種級配的初始勁度模量從大到小依次為：級配3、級配1、基準級配、級配2、級配4，即：細集料減少級配、基礎級配、細集料增多級配。

混合料的疲勞壽命展現了與初始勁度模量受離析程度相反的變化趨勢，即5種級配的疲勞壽命由大到小依次為：級配4、級配2、基準級配、級配1、級配3，即：細集料減少級配、基礎級配、細集料增多級配。

分析其原因：當細集料增多時，AC-25C混合料的比表面積大，空隙率小，內聚力大，外力荷載需克服較大的內聚力才能使試件發(fā)生疲勞破壞，故而疲勞壽命較基準配比的混合料疲勞壽命高；反之，當細集料減少時，AC-25C混合料的內聚力降低，外力荷載需克服的內聚力變小，從而降低了試件的疲勞壽命。

2.5 永久變形性能受細集料含量變化影響分析

制作直徑150mm、高172mm的圓柱體試件，鉆芯取直徑為100mm的芯樣，制作成高為(150±2)mm的試件，在UTM-100多功能材料試驗機上反復加載，試驗溫度為15℃，偏應力水平為0.7MPa，采用半正弦波形，以荷載作用次數超過100000次或試件的永久變形量超過5%為試驗停止條件。永久變形試驗試件見圖2，5種AC-25C瀝青混合料的三軸壓縮試驗結果見圖3。

圖2 永久變形試驗試件

圖3 5種級配下荷載作用次數-永久變形量曲線

由圖3可知，在荷載作用次數小于500時，基準級配的永久變形量最大，達到1%左右；隨著荷載作用次數的增多，永久變形緩慢增大，逐漸趨于穩(wěn)定，在荷載作用次數為10000時，永久變形量接近2%。級配1、級配3的永久變形量在荷載作用下變化急劇，荷載作用4000次時其永久變形量就超過了4%，級配3比級配1的變化更顯著。級配2、級配4在荷載作用次數小于7000次時，永久變形量比基準級配永久變形量?。坏S著荷載次數增大，級配2、級配4的永久變形量急劇增大，在10000次荷載作用次數后，永久變形量超過4%。

分析其原因：瀝青混合料永久變形可分為3個階段：壓密階段、流動變形階段、剪切破壞階段。當細集料增多時，AC-25C混合料的比表面積大，空隙率小，粘聚力大，因此在混合料壓密階段永久變形增長迅速，當荷載次數超過一定次數后(本試驗為1000次左右)，AC-25C混合料中的粘結力失效，由于粗集料的骨架咬合力減少，處于流動變形階段時的變形量增速較大。基準配比下的混合料由于級配良好，存在恰當的粘聚力和骨架結構，故而在壓密初始階段的永久變形量增速較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定。當細集料減少時，混合料的內聚力變小，空隙率變大，反復荷載作用下混合料內部的集料發(fā)生移位落入到空隙中，從而使得試件的永久變形急劇增大。因此，實際施工中應控制AC-25C瀝青混合料的級配離析，避免產生過大的永久變形。

3 結語

1) 細集料含量變化后的AC-25C混合料的動穩(wěn)定度發(fā)生較大變化，細集料含量變化越大，動穩(wěn)定度降低幅度越大，并且增加細集料比減少細集料更能影響動穩(wěn)定度。但細集料含量變化后的混合料容易產生早期破壞，如若用動穩(wěn)定度衡量很難選擇合理的級配，需提高現有標準對動穩(wěn)定度指標的要求。

2) 細集料含量變化后混合料的低溫劈裂抗拉強度降低，細集料含量變化程度越大，混合料低溫劈裂抗拉強度降低幅度越大。增加細集料比減少細集料更能降低低溫劈裂抗拉強度。

3) 細集料含量變化影響了AC-25C混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比。細集料減少降低了AC-25C混合料的路面水穩(wěn)定性；細集料增多時，AC-25C混合料路面的水穩(wěn)定性能反而得到了提高。

4) 隨著級配變粗，混合料的初始勁度模量增大，排序為：細集料減少級配>基礎級配>細集料增多級配；隨著級配變粗，混合料的疲勞壽命減少，排序為：細集料減少級配>基礎級配>細集料增多級配。

5)細集料含量變化降低了瀝青混合料的抗變形能力，且與基礎瀝青混合料相比較，細集料減少比細集料增多更能降低瀝青混合料的抗變形能力。