ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石在高溫多雨地區(qū)的配合比優(yōu)化設(shè)計研究①

王余鵬, 韓 偉, 王 亮

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院交通工程系,福建 南平353000;2.中鐵二十四局集團有限公司,上海200092)

0 引 言

福建閩北地區(qū)常年高溫,整年雨水多,水對路面結(jié)構(gòu)的侵蝕嚴重,另一方面,路面基層的ATB瀝青穩(wěn)定碎石級配設(shè)計、瀝青用量確定方法、材料設(shè)計及施工過程難于控制,較易出現(xiàn)質(zhì)量問題。現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范(JTG F40-2004)給出的配合比范圍較為寬裕,其原因是對全國范圍內(nèi)的ATB設(shè)計而推薦的,在具體公路ATB設(shè)計時,需要綜合考慮當?shù)氐膶嶋H具體條件及路用性能尋求一個最優(yōu)解的問題。國內(nèi)眾多專家對瀝青混合料配合比進行試驗研究后認為,粗細集料的真實密實狀態(tài)并不是現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范給出的配合比范圍的中值。因此,應根據(jù)高溫多雨閩北山區(qū)的具體條件和路用功能要求,進行ATB的配合比優(yōu)化研究。根據(jù)閩北山區(qū)公路易產(chǎn)生車轍、水損害以及低溫開裂等,對路面的空隙率、流值、穩(wěn)定度性能要求較高,采用分形理論,結(jié)合正交試驗設(shè)計結(jié)果,分析ATB-25集料級配分維數(shù)值與馬氏試驗指標的相關(guān)性,得出分維數(shù)值的范圍。根據(jù)不同礦料級配曲線的分維數(shù)與擬合程度,選取礦料級配范圍及目標級配,對瀝青混合料的級配設(shè)計試驗方法進行優(yōu)化,提出適合于炎熱多雨地區(qū)的ATB的配合比方案。

1 目標配合比設(shè)計優(yōu)化

主要針對的是優(yōu)化在多雨高溫和重型高速公路下層使用的ATB-25等級。過去,道路技術(shù)人員認為,下面層是不產(chǎn)生車轍的主要層次,因為炎熱季節(jié)中,下層溫度相對較低,混合物的粒徑相對較粗。但是,研究和分析表明,在我國的高速公路中,特別是在南部炎熱多雨的地區(qū),超載和重載非常嚴重,較低的車轍是不容忽視的。因此,瀝青混合料的基本性能要求是:(1)高密度和不滲透性;(2)較強的高溫穩(wěn)定性。其次,從瀝青混合料的骨料級配的角度來看,如果瀝青混合料是致密且不可滲透的,則骨料間隙率不應太大。通過使用更多的瀝青可以使較大的骨料清除率更致密,但這種方法不經(jīng)濟,還降低瀝青混合物的高溫穩(wěn)定性。

1.1 礦料級配的確定

根據(jù)JTGF40-2004技 術(shù) 規(guī) 范,ATB-25的礦物材料級配粗細分界以4.75mm篩孔通過率劃分。具體如下:

若集料之間接觸的松裝間隙率為V C A,即

假設(shè)合成瀝青混合料中的細料質(zhì)量分數(shù)為P(即4.75mm通過率),則粗料質(zhì)量分數(shù)為1-P,可得礦料間隙率VMA A為:

假設(shè)粗料剛好達到骨架密實型級配時,其集料間隙率為VMA0即:

將式(3)代入式(2),可得

由式(4)可知:可通過粗、細料的兩個間隙率參數(shù),以及兩個密度參數(shù)計算得到骨架密實型結(jié)構(gòu)的細料質(zhì)量分數(shù)P0。

據(jù)此可計算得到骨架密實級配曲線。三條級配的通過率分別為:級配1為36.4%,級配2為30.9%,級配3為25.9%,見圖1、表1。

表1 三組不同的礦料級配表

1.2 合理級配的選擇

對于選定的三組試驗樣品,按預期油石3.8%-4.0%之間制作φ101.5尺寸的馬氏試件,其擊實成型溫度為145℃,雙面各擊實75次,相關(guān)試驗結(jié)果詳見表2。

表2 不同級配馬歇爾試驗結(jié)果

(1)級配1與級配2方案的方案比較

級配1與級配2的ATB-25關(guān)鍵控制篩孔4.75mm通過率分別為36.4%和30.9%。

1)水穩(wěn)性:由表2中馬氏試驗結(jié)果可知,級配1與級配2的殘留穩(wěn)定度分別為:10.14k N和11.15k N,方案2的水穩(wěn)性較好。

2)高溫穩(wěn)定性:根據(jù)表中車轍試驗結(jié)果,級配1與級配2的60℃的動穩(wěn)定度分別為1018次/mm和1214次/mm,均能滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求;而級配2的動穩(wěn)定度較級配1提高了19.3%,由此可知級配2的粗骨料之間形成嵌擠結(jié)構(gòu),更有利于提高其耐高溫性能,為此抗高溫車轍能力更好。

(2)級配2與級配3方案的方案比較

級配2與級配3的ATB-25關(guān)鍵控制篩孔4.75mm通過率分別為30.9%和25.9%。

1)水穩(wěn)性:由表2中馬氏試驗結(jié)果可知,級配2與級配3的殘留穩(wěn)定度分別為:11.15k N和11.78k N,由此得出級配3的水穩(wěn)性較好。

2)高溫穩(wěn)定性:根據(jù)表中車轍試驗結(jié)果,級配2與級配3的60℃的動穩(wěn)定度分別為1214次/mm和1148次/mm,均能滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求;而級配2的動穩(wěn)定度較級配3提高了5.75%,由此可知級配2的抗高溫車轍效果好。

綜合分析,級配1的飽和度已經(jīng)超過規(guī)范上限,致使ATB-25熱穩(wěn)定性較差;級配3粗集料的含量稍高,ATB-25會產(chǎn)生較大的分離,可能發(fā)生滲水,所以采取級配2的方案。

1.3 最佳瀝青用量

(1)選用級配2,進行間隔為0.3%的3.3、3.6、3.9、4.2、4.5多組油石比,分別制成馬氏試件(結(jié)果見表3)。根據(jù)表3中的各組油石比定為橫軸、其它性能指標為縱軸,描制成馬氏試驗目標確定圖,進行馬氏試驗,最終得出試驗室最佳油石比為3.852%,為此選取鄰近最佳油石比的油石比(3.9%),進行馬氏試驗及配合比設(shè)計檢驗,結(jié)果為表4、表5。

表3 ATB-25馬氏試驗結(jié)果

表4 油石比3.9配合比馬氏試驗結(jié)果

表5 配合比設(shè)計檢驗

2 ATB-25優(yōu)化后配合比性能檢測

ATB-25的目標配合比設(shè)計方案推薦使用級配2集料比例、油石比和集料合成級配如表6所列。為了查驗調(diào)整后的ATB-25混合料配合比路用性能,需對ATB-25的壓實度、高溫抗車轍、骨架接觸度等進行檢驗。如下:

表6 ATB-25目標配合比級配組成

(1)壓實度檢驗

壓實度基本上在95%～96%,其加權(quán)平均為95.4%(以最大理論相對密度為標準);殘留空隙率基本在4%～5%,其加權(quán)平均為4.6%,滿足技術(shù)規(guī)范要求。

(2)高溫抗車轍能力檢驗

將ATB-25制成300mm×300mm×100mm的試件進行高溫車轍動穩(wěn)定檢驗,數(shù)據(jù)結(jié)果為4102次,滿足規(guī)范要求的1000次,表明優(yōu)化后的ATB-25具備較高的高溫穩(wěn)定性。

(3)骨架接觸度檢測

骨架接觸是指大粒徑混合料中粗集料之間的密實接觸程度,比例數(shù)值越大說明集料之間的骨架特性和接觸密度越好,ATB-25的骨架接觸度為95.1,滿足規(guī)范要求的90%。其檢測結(jié)果如表7。

表7 骨架接觸度檢測表

3 工程應用

使用該配合比生產(chǎn)ATB-25與福建南平某路面工程進行對比試驗。通過鉆芯法測定ATB-25面層施工壓實度對比;通過耗氣量得出每生產(chǎn)1t的ATB-25燃氣成本與有害氣體的排放量,進行經(jīng)濟和環(huán)境效益分析(試驗結(jié)果如表8)。配合比優(yōu)化后的ATB-25混合料壓實度提高了1.61%;每生產(chǎn)1t瀝青混合料的燃氣成本節(jié)省4.917元,成本降低14.2%,其經(jīng)濟指標較高;有害氣體的排放量也有大幅下降,實現(xiàn)了ATB-25的低碳 制造,環(huán)境效益顯著。

表8 工程應用對比試驗表

4 結(jié) 論

1)通過室內(nèi)試驗方法對ATB-25基層三階段設(shè)計方案的路面性能進行了測試,并對ATB-25基層的路面性能及其指標進行了分析。包括高溫穩(wěn)定性,水穩(wěn)定性和滲透性等路用指標,測試結(jié)果表明優(yōu)化后的配合比方案能夠滿足炎熱多雨的南方公路路面結(jié)構(gòu)的要求。

2)根據(jù)正交試驗設(shè)計法分析得出,ATB-25粗集料的級配變化對動穩(wěn)定度的影響較大,通過試驗論證其目標空隙率定為4.0%～4.5%比較合理。與此對應的油石比大約在3.7～4.1之間。在最佳油石比3.9的路用試驗對比情況下,每生產(chǎn)1t的ATB-25燃氣成本節(jié)省4.917元,成本降低14.2%;有害氣體的SO2排放量下降10.74%,CO2排放量下降5.62%,NOX排放量下降11.51%,具有較高的經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢。

3)根據(jù)比較,分級方案2的總體高溫穩(wěn)定性,水穩(wěn)定性和滲透性優(yōu)于其他兩個ATB-25梯度,同時優(yōu)化后的配合比ATB-25混合料方案的壓實度提高了1.61%,并兼有柔性基層和透水透氣性,大大提高了ATB-25路面的耐久性,具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性,耐低溫裂紋性能,充分體現(xiàn)了優(yōu)化后的配合比的優(yōu)越性。