低標(biāo)號(hào)瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)與性能研究

黨江濤，程 愿，弓 雷

（中鐵一局集團(tuán)第三工程分公司，陜西 寶雞 721006）

0 引言

受我國復(fù)雜的氣候特性的影響，高、低標(biāo)號(hào)的瀝青以及改性瀝青在我國公路建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。根據(jù)低標(biāo)號(hào)瀝青軟化點(diǎn)高、針入度小、延度小、勁度和黏稠度大等特點(diǎn)，其拌和而成的瀝青混合料具有較優(yōu)的高溫性能，但通常會(huì)伴隨著較強(qiáng)的溫度敏感性[4]。考慮到新疆地區(qū)干燥少雨、光照時(shí)間長、晝夜溫差大、極端自然現(xiàn)象頻繁等氣候特點(diǎn)，低標(biāo)號(hào)瀝青的性能特點(diǎn)使其在新疆地區(qū)得到應(yīng)用。

考察國內(nèi)外關(guān)于低標(biāo)號(hào)瀝青的應(yīng)用進(jìn)程，20世紀(jì)80年代低標(biāo)號(hào)瀝青在法國公路領(lǐng)域得到應(yīng)用，并在1999年鋪筑了第一條低標(biāo)號(hào)瀝青試驗(yàn)路段，發(fā)現(xiàn)低標(biāo)號(hào)瀝青混合料具有較好的抗高溫性能。國內(nèi)對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青的研究起步較晚，且受到低標(biāo)號(hào)瀝青低溫抗裂性能不足的影響，極大限制了其在我國公路建設(shè)中的應(yīng)用[5]。鄒桂蓮等[6]研究了低標(biāo)號(hào)瀝青的膠漿的流變性能，發(fā)現(xiàn)粉油比對(duì)瀝青低溫性能的影響與降低瀝青標(biāo)號(hào)大致相當(dāng)，瀝青膠漿的低溫性能與粉油比成反比，與瀝青標(biāo)號(hào)成正比。此外，進(jìn)一步研究低標(biāo)號(hào)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)與性能發(fā)現(xiàn)，為保障低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的設(shè)計(jì)質(zhì)量，不應(yīng)單純強(qiáng)調(diào)低標(biāo)號(hào)瀝青含量低的抗高溫性能，并建議限定低標(biāo)號(hào)瀝青的最小瀝青含量[7-8]。楊琳[9]研究了低標(biāo)號(hào)瀝青與巖瀝青摻配技術(shù)的高模量瀝青混合料，并從耐久性角度提出了適宜的巖瀝青摻量為30%～40%。劉闖等[10]分析了低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變性能，發(fā)現(xiàn)瀝青標(biāo)號(hào)越低其抗高溫的性能越好。蔡俊華等[11]在把低標(biāo)號(hào)瀝青混合料用于福建省的瀝青路面的研究中也得出了同樣的結(jié)論?？傮w來說，低標(biāo)號(hào)瀝青的應(yīng)用在我國已經(jīng)初具規(guī)模，為進(jìn)一步推廣低標(biāo)號(hào)瀝青在道路建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究不同低標(biāo)號(hào)瀝青的材料組成設(shè)計(jì)，分析性能的差異性。

為評(píng)估不同低標(biāo)號(hào)瀝青混合料之間的差異，本研究主要分析了2種類型的低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的材料組成與性能差異。研究成果可指導(dǎo)工程中低標(biāo)號(hào)瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)與低標(biāo)號(hào)瀝青的選擇，可進(jìn)一步推廣其在新疆等高溫、干燥區(qū)域中的應(yīng)用。

1 原材料檢測

設(shè)計(jì)低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的原材料主要包括新疆地區(qū)的當(dāng)?shù)氐V石、30#與50#低標(biāo)號(hào)瀝青、礦粉。礦石是瀝青混合料重要組成部分之一，良好性能的礦石有利于保障瀝青與礦料之間的黏附性。因此，選擇新疆地區(qū)四種不同的礦料進(jìn)行X射線衍射儀試驗(yàn)（X-ray diffraction，XRD），分析其組分，并根據(jù)礦料組分的差異判斷酸堿性，為礦料的選擇提供依據(jù)。四種礦料的組分分析結(jié)果見表1。

表1 礦料組分結(jié)果Tab.1 Mineral content results

由表1可知，礦料A、B為堿性集料，礦料C為酸性集料，礦料D基本呈中性。因此，考慮瀝青與集料之間的黏附特性，選擇礦料A作為低標(biāo)號(hào)瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)。

將礦料A采用破碎篩分的方法分為0～3 mm（6#）、3～6 mm（5#）、6～11 mm（4#）、11～16 mm（3#）、16～21 mm（2#）、21～26 mm（1#）五檔用于低標(biāo)號(hào)瀝青混合料設(shè)計(jì)，各檔材料的基本性能見表2，礦料級(jí)配如圖1所示。此外，為觀察不同規(guī)格礦料的表面紋理特性，采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察礦料表面紋理，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，礦料A表面較為粗糙，可以提供更多的表面積與瀝青之間相互黏結(jié)。兩種類型的低標(biāo)號(hào)瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 礦料技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Performance index of mineral aggregate

表3 瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Performance index of asphalt

圖1 礦料級(jí)配Fig.1 Mineral grading

圖2 礦料A表面形態(tài)Fig.2 Surface morphology of mineral aggregate A

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)AC-25型低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的級(jí)配，如圖3所示。根據(jù)圖3設(shè)計(jì)級(jí)配，得到不同規(guī)格礦料的使用比例分別為1#（21～26 mm）∶2#（16～21 mm） ∶ 3#（11～16 mm） ∶ 4#（6～11 mm）∶5 #（3～6mm）∶6#（0～3mm）∶礦粉=18∶11∶12∶20∶9∶27∶3。根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配，采用馬歇爾試驗(yàn)方法制備試件確定不同低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的最佳瀝青含量。

圖3 設(shè)計(jì)級(jí)配曲線Fig.3 Design grading curve

2.2 最佳瀝青含量確定

根據(jù)瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)瀝青混合料的瀝青含量分別為3.3%、3.8%、4.3%進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，并制備不同低標(biāo)號(hào)類型的瀝青混合料，測試瀝青混合料的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值指標(biāo)，并建立其與瀝青含量之間的關(guān)系曲線，結(jié)合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中最佳瀝青含量確定要求得到不同低標(biāo)號(hào)瀝青下瀝青混合料的最佳瀝青含量。

2.3 試驗(yàn)方法

（1）混合料制備

根據(jù)設(shè)計(jì)瀝青混合料礦料級(jí)配，分別計(jì)算不同材料用量。首先將礦料烘干至恒重，在金屬盤中混合均勻，礦粉單獨(dú)加熱，加熱溫度為 165 ℃，把30#和50#瀝青試樣用恒溫烘箱加熱至拌和溫度；其次將試模、套筒及擊實(shí)座以100 ℃加熱1個(gè)小時(shí)，拌和機(jī)預(yù)熱至165 ℃；然后將加熱后的試件集料倒入拌和機(jī)中，加入設(shè)計(jì)重量的瀝青（瀝青含量為3.3%、3.8%、4.3%的三組），拌和60～90 s后暫停拌和，加入礦粉后繼續(xù)拌和180 s；最后按照155 ℃成型溫度成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。

（2）混合料試驗(yàn)

按照規(guī)程要求分別進(jìn)行壓實(shí)瀝青混合料密度試驗(yàn)、瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)等，測試瀝青混合料的馬歇爾指標(biāo)、動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青混合料性能。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 最佳瀝青含量分析

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)測試得到30#與50#低標(biāo)號(hào)瀝青混合料在瀝青含量分別為3.3%、3.8%、4.3%時(shí)的毛體積密度（ST）、空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、有效瀝青飽和度（VFA）、穩(wěn)定度（MS）、流值（FL）指標(biāo)，結(jié)果分別見表4、表5。根據(jù)表4、表5可知，30#隨著瀝青含量的增加，瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度先增加后降低，均符合標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青含量為3.9%時(shí)達(dá)到最大值；空隙率逐漸減小，但均符合標(biāo)準(zhǔn)；礦料間隙率先降低后增加，均符合標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青含量為3.8%時(shí)達(dá)到最小值；有效瀝青飽和度逐漸增加，但瀝青含量小于3.6%時(shí)不達(dá)標(biāo)；穩(wěn)定度先增加后降低，均符合標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青含量為3.9%時(shí)達(dá)到最大值；流值先降低后增加，均符合標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青含量為3.8%時(shí)達(dá)到最小值。而50#隨著瀝青含量的增加，瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度逐漸降低，但均符合標(biāo)準(zhǔn)；空隙率逐漸減小，瀝青含量大于4.1%時(shí)不達(dá)標(biāo)；礦料間隙率先增加后降低，均符合標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青含量為3.9%時(shí)達(dá)到最大值；有效瀝青飽和度逐漸增加，但瀝青含量低于3.8%時(shí)不達(dá)標(biāo)；穩(wěn)定度先降低后增加，均符合標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青含量為3.7%時(shí)達(dá)到最小值；流值逐漸增加，但瀝青含量低于3.8%時(shí)不達(dá)標(biāo)。因此，分別確定30#與50#低標(biāo)號(hào)瀝青混合料最佳瀝青含量分別為4.07%、4.10%。

表4 30#低標(biāo)號(hào)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Marshall test results of 30# asphalt mixture

表5 50#低標(biāo)號(hào)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Marshall test results of 50# asphalt mixture

3.2 不同標(biāo)號(hào)瀝青馬歇爾指標(biāo)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)瀝青混合料的最佳瀝青含量，分別測得不同標(biāo)號(hào)的瀝青混合料馬歇爾指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Marshall test results

由表6可知，在相同設(shè)計(jì)級(jí)配情況下，30#瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、流值指標(biāo)較50#瀝青混合料低，而毛體積密度、有效瀝青飽和度、穩(wěn)定度指標(biāo)則反之。由此可見，較低標(biāo)號(hào)瀝青的使用將會(huì)使瀝青混合料保持更低的空隙率與較高的穩(wěn)定度，有利于瀝青混合料的高溫抗變形能力。此外，較低的空隙率也可減緩水分滲透至瀝青混合料內(nèi)部的速率，有利于瀝青混合料保持較高的抗水損能力。

3.3 高溫穩(wěn)定性分析

不同標(biāo)號(hào)瀝青混合料的抗車轍性能試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，30#與50#瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為3 623次/mm，1 712次/mm。50#瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)低于30#瀝青混合料，說明30#瀝青具有更高的抗高溫性能。此外，根據(jù)《新疆公路瀝青路面設(shè)計(jì)指導(dǎo)細(xì)則》中對(duì)Ⅳ區(qū)普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度要求，30#與50#瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足不低于1 000次/mm的設(shè)計(jì)要求。

圖4 動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果Fig.4 Dynamic stability results

4 結(jié)論

（1）相同地域不同位置的礦料組分具有差異性，應(yīng)根據(jù)礦料組成篩選更符合瀝青與礦料之間黏結(jié)需求的礦料設(shè)計(jì)瀝青混合料。

（2）相同設(shè)計(jì)級(jí)配情況下，30#與50#瀝青的最佳瀝青含量分別為4.07%、4.10%。最佳瀝青含量下，瀝青標(biāo)號(hào)越低的瀝青混合料具有更小的空隙率與更高的穩(wěn)定度。

（3）30#瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度較50#瀝青混合料高111.6%，瀝青標(biāo)號(hào)越低的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性越好。