硬質(zhì)瀝青混合料路用性能研究

張曉星侯永剛曹夢翔李曉明

1.寧夏公路管理中心 寧夏銀川 750002；2.寧夏公路勘察設計院有限責任公司 寧夏銀川 750004

硬質(zhì)瀝青混合料具有高模量、抗高溫車轍能力強以及向下層傳遞荷載的能力，硬質(zhì)瀝青和骨料也具有良好的粘結性能，可有效提高瀝青混合料粘結性、抗水損害性和抗疲勞性。此外，硬質(zhì)瀝青可以降低施工成本，緩解施工困難[1,2]。

基于此，本研究通過選取不同標號的硬質(zhì)瀝青，利用硬質(zhì)瀝青的高粘度和混合料的高強度和模量特性，通過水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性對混合料進行路用性能評價，探究瀝青路面存在的高溫穩(wěn)定性、抗水損害和車轍問題。

1 原材料與試驗方法

1.1 原料

采用的瀝青分別為克煉30#（K1)、克煉50#（K2）硬質(zhì)瀝青，各項技術要求見表1。所用粗、細集料技術要求見表2、表3。所用礦粉質(zhì)量技術要求見表4。

表1 硬質(zhì)瀝青性能指標

表2 粗集料質(zhì)量技術表

表3 細集料質(zhì)量技術表

表4 瀝青中面層用礦粉質(zhì)量技術要求表

1.2 配合比設計

常用的典型級配的瀝青混合料中，密實性細粒式瀝青混合料（AC- 13）適用于表面層，密集配瀝青穩(wěn)定碎石（ATB- 25）適應于下面層。為了評價硬質(zhì)瀝青混合料的性能，本文對AC- 13 和ATB- 25 兩種級配類型進行研究。

1.2.1 AC- 13 結構

為探究AC- 13 級配硬質(zhì)瀝青混合料在上面層的路用性能，選用AC- 13 級配設計如圖1，確定AC- 13 硬質(zhì)瀝青混合料油石比為4.8%。

圖1 AC- 13 瀝青混合料礦料級配曲線圖

1.2.2 ATB- 25 結構

瀝青路面下面層在重復作用下易產(chǎn)生疲勞裂縫，為探究ATB- 25 級配硬質(zhì)瀝青在下面層的路用性能，采用ATB- 25 級配設計如圖2 所示，確定ATB- 25 硬質(zhì)瀝青混合料油石比為3.8%。

圖2 ATB- 25 瀝青混合料礦料級配曲線圖

1.3 試驗方法

參照規(guī)范（JTG E20- 2011）中相關試驗方法，對硬質(zhì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能各項性能開展相關研究。

2 結果與討論

2.1 水穩(wěn)性能

本研究首先采用浸水馬歇爾試驗對硬質(zhì)瀝青混合料性能進行評價。通過測定浸水后殘留穩(wěn)定度評價不同瀝青種類、結構瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。圖3 是測得的K1 硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定度分布箱形圖，其中箱型圖的下邊緣表示浸水后馬歇爾穩(wěn)定度的下限，上邊緣表示浸水后馬歇爾穩(wěn)定度的上限；箱體的上下限分別為序列中10%、90%的數(shù)值。箱體中間的橫線表示測得的馬歇爾穩(wěn)定度平均值。

通過比較圖3（a）、（b）可以看出，兩種硬質(zhì)瀝青浸水后馬歇爾穩(wěn)定度有所不同。在采用級配中值的情況下，K2硬質(zhì)瀝青混合料浸水后的馬歇爾穩(wěn)定度比K1 硬質(zhì)瀝青混合料更大，水穩(wěn)定性能更好。對于相同標號瀝青，AC- 13 結構瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定服優(yōu)于ATB- 25 結構。從箱形圖測得的上下邊緣可以看出：同組試驗中，浸水馬歇爾穩(wěn)定度的數(shù)值存在一定范圍的波動，整體來看ATB- 25 結構波動更小。結合表5 可知，兩種硬質(zhì)瀝青混合料在AC- 13 結構與ATB- 25 結構下的穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，且達到較高水平，體現(xiàn)了硬質(zhì)瀝青混合料良好的水穩(wěn)定性。這主要是由于硬質(zhì)瀝青的粘性成分較多且含有大量的極性組分，有效防止水對瀝青礦物界面的破壞?？傮w而言，浸水馬歇爾試驗表明K2 硬質(zhì)瀝青混合料的抗水損害能力優(yōu)于K1 硬質(zhì)瀝青。

圖3 硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定度分布箱型圖

表5 硬質(zhì)瀝青殘留穩(wěn)定度計算結果

為了進一步評判硬質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，采用更為苛刻的凍融劈裂試驗對兩種硬質(zhì)瀝青混合料進行評價，結果如圖4 所示。其中箱體的上下邊線分別代表著每組試件結果的四分位數(shù)。

圖4 硬質(zhì)瀝青凍融劈裂強度分布箱型圖

從凍融劈裂試驗可以看出，K2 硬質(zhì)瀝青混合料凍融劈裂強度大于K1 硬質(zhì)瀝青混合料，這與浸水馬歇爾試驗結果一致。對比各試件凍融后的劈裂強度值可以看出，AC- 13 (K2)劈裂強度最高，ATB- 25(K1)最差，表明結構設計是影響硬質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)性能的重要因素之一，推測其原因是AC 類級配瀝青含量大，細集料含量較多，且瀝青與集料之間黏附性較好，進而保證了凍融循環(huán)作用后瀝青混合料的強度；而ATB 類級配相反，瀝青含量較少，粗集料較多，集料間的骨架嵌擠結構提供強度，因而在凍融作用下易發(fā)生強度失效作用。硬質(zhì)瀝青的TSR如表6 所示，從表6 計算結果可以看出，ATB 類級配的TSR 更小，表明上述推測是合理的。兩種硬質(zhì)瀝青混合料在不同結構下均滿足規(guī)范要求，表明硬質(zhì)瀝青混合料經(jīng)過凍融循環(huán)后仍具有良好的水穩(wěn)定性。

表6 硬質(zhì)瀝青TSR計算結果

2.2 高溫性能

圖5（a）為硬質(zhì)瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結果柱狀圖，由圖可知，K1、K2 硬質(zhì)瀝青混合料的動穩(wěn)定度均滿足我國規(guī)范的技術要求。K1 硬質(zhì)瀝青的動穩(wěn)定度大于K2瀝青，表明K1 瀝青的抗車轍能力更好，這是由于K1 瀝青標號更低，粘度更高。ATB- 25 級配的硬質(zhì)瀝青混合料的動穩(wěn)定度大于AC- 13 級配，表明ATB 類級配優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性。硬質(zhì)瀝青混合料的總變形和相對變形率計算結果如圖5（b）、圖5（c），其分布規(guī)律與動穩(wěn)定度的規(guī)律一致，相對變形率越小，動穩(wěn)定度越大，硬質(zhì)瀝青混合料高溫性能越好。

圖5 硬質(zhì)瀝青車轍試驗結果

3 結論

（1）兩種硬質(zhì)瀝青混合料在AC- 13 結構與ATB- 25 結構下均具有良好的水穩(wěn)定性，其中K2 硬質(zhì)瀝青優(yōu)于K1 硬質(zhì)瀝青；與此同時，混合料結構對硬質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)性能有很大的影響。

（2）相同級配下，標號低的硬質(zhì)瀝青混合料抵抗永久變形能力優(yōu)于標號高的；ATB 級配瀝青混合料高溫穩(wěn)定性更佳；且相對變形率指標表現(xiàn)出的高溫抗變形規(guī)律與動穩(wěn)定度規(guī)律一致。