基于性能平衡原則的巖瀝青混合料設(shè)計(jì)

董英運(yùn)，潘艷珠，王振忠，曾衛(wèi)平

(1.佛山市公路工程質(zhì)量檢測有限責(zé)任公司，廣東 佛山 528313；2.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510630)

0 概述

截至2020年底，廣東省通車公路總里程已達(dá)22.4萬km[1]，其中大部分為國省公路和農(nóng)村公路。低成本養(yǎng)護(hù)，是道路行業(yè)面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。另一方面，厚度小于等于4cm的瀝青薄加鋪層是公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和功能恢復(fù)的主要手段。不同于新建道路的瀝青面層，由于已有舊瀝青路面存在裂縫，因此要求瀝青加鋪層混合料不僅能夠抵抗車轍，而且應(yīng)具備抗裂的能力，抵抗反射裂縫。

Mark Blow[2]解釋了瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)理念提出的背景，認(rèn)為自Superpave提出以來，瀝青混合料設(shè)計(jì)取得了長足進(jìn)步，同時(shí)也由于廣泛使用改性瀝青，瀝青路面的車轍問題已經(jīng)不具備普遍性，而裂縫的問題依然沒有解決，用于長壽命路面的瀝青混合料設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮車轍和裂縫問題。Fujie Zhou[3]等開發(fā)了一種兼顧車轍和反射裂縫要求的瀝青加鋪層設(shè)計(jì)方法,該研究采用漢堡車轍儀( Hamburg Wheel Tracking Test，HWTT)和加鋪層檢測儀(Overlay Tester，OT)分別評價(jià)了不同瀝青混合料的抗車轍和抗裂性能,結(jié)果表明，按Superpave方法設(shè)計(jì)的密級配瀝青混合料具有良好的抗車轍性能，但一般不具有抗裂性,然而和密級配瀝青混合料相比較，評價(jià)的三種SMA混合料均表現(xiàn)出良好的抗車轍和抗裂性;檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，瀝青膠結(jié)料的PG等級、有效瀝青體積含量(VBE)、瀝青膜厚度(FT)和集料比表面積(SA)對混合料的抗裂性有顯著影響;對瀝青混合料抗車轍性能有顯著影響的因素為：瀝青膠結(jié)料的PG等級、礦料間隙率(VMA)、瀝青膜厚度(FT)、集料比表面積(SA)和空隙率(Va)等。鄒桂蓮[4]等針對舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的反射裂縫問題，提出富瀝青含量瀝青混合料的概念(FAC)和設(shè)計(jì)方法(CAVF)，體現(xiàn)出瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)的思想，并取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。石立萬[5]等通過離散元數(shù)值分析的方法，分析了瀝青混合料骨架構(gòu)成的原則、設(shè)計(jì)與評價(jià)方法，可以有效提高瀝青混合料抗車轍的能力。梁何浩[6]通過虛擬試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)粗集料含量和集料顆粒的比表面積是影響瀝青混合料抗裂性能的主要因素之一，并提出了抗裂功能型瀝青混合料的概念及其設(shè)計(jì)方法。

本文試圖通過性能平衡的原則，嘗試設(shè)計(jì)一種成本相對低廉的瀝青加鋪層混合料，用于國省公路和農(nóng)村公路瀝青路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，以及路面功能的恢復(fù)、改善和提升?；旌狭掀胶庠O(shè)計(jì)的基本策略框架為：(1)純巖瀝青價(jià)格基本與基質(zhì)瀝青相當(dāng)，摻配巖瀝青的混合料不會(huì)大幅增加成本，通過不同摻量的巖瀝青調(diào)正瀝青膠結(jié)料的PG等級，以滿足混合料使用環(huán)境的氣溫和交通量要求[7]；(2)采用不同粒徑的集料分級摻配的方法設(shè)計(jì)適宜的骨架級配和VMA[4，8]；(3)采用馬歇爾方法確定最佳瀝青用量(雙面各擊實(shí)50次)；(4)采用車轍試驗(yàn)評價(jià)混合料的抗車轍性能、浸水馬歇爾或凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)混合料的水穩(wěn)定性、小梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和斷裂韌性指標(biāo)評價(jià)混合料抵抗反射裂縫的能力[9-10]?？蚣苤?，(1)和(2)基于抵抗車轍的考慮、(3)傾向于抗裂的考慮。根據(jù)上述混合料的特征，本文將混合料命名為“RAC”，其中R代表巖瀝青和高瀝青含量。

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)用原材料

本文試驗(yàn)用的基質(zhì)瀝青為茂名石化70#瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求[11]。巖瀝青為廣東某公司提供的布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt，BRA)，技術(shù)指標(biāo)見表1。粗集料(粒徑10～15mm和5～10mm)和細(xì)集料(3～5mm)為廣東清遠(yuǎn)產(chǎn)的花崗巖，細(xì)集料(0～3mm)為廣西產(chǎn)的輝綠巖，礦粉為廣東地產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。粗細(xì)集料和礦粉的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 布敦巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

按文獻(xiàn)[7]推薦的方法確定巖瀝青改性瀝青中巖瀝青的摻加比例為25%(提純巖瀝青質(zhì)量比)，對應(yīng)的PG分級等級為PG76-10。

1.2 瀝青混合料級配

本文以分級摻配方法確定瀝青混合料骨架型級配的基本步驟為：

(1)檢測No1集料(粒徑10～15mm)的毛體積密度，計(jì)算空隙率。

(2)按一定的摻配比例間隔(10%、20%、30%等)將No2集料(粒徑5～10mm)摻入No1集料中，分別檢測不同摻配比例混合集料的毛體積密度和空隙率，以空隙率最小值對應(yīng)的摻配比例作為適宜摻配比例。

(3)按步驟(2)相同的方法確定No3集料(3～5mm)和No4集料(0～3mm)的適宜摻配比例。

(4)按一定的摻配比例間隔(10%、20%、30%等)將No3和No4混合集料摻入No1、No2的混合集料中，分別檢測不同摻配比例混合料的毛體積密度和空隙率。

(5)確定No3、No4混合料(細(xì)集料)摻入No1、No2混合料(粗集料)的合適比例。

確定粗集料和細(xì)集料合適的摻配比例遵循兩個(gè)原則：(1)骨架原則，可通過式(1)驗(yàn)算；(2)滿足最小VMA的要求(例如VMAAC-13>14%)，可通過摻配比例和空隙率關(guān)系曲線得到。

(1)

式中：qC和qf分別為粗集料和細(xì)集料的摻配比例(%)；ρsc和ρtf分別為粗集料和細(xì)集料的密度；Vc為粗集料的空隙率。

由上述步驟確定的瀝青混合料(AC-13)設(shè)計(jì)級配見表2。

表2 瀝青混合料(AC-13)設(shè)計(jì)級配(通過百分率%)

1.3 確定瀝青混合料最佳油石比

本文采用馬歇爾方法確定瀝青混合料的最佳油石比，相關(guān)技術(shù)要求見表3[11]。

表3 瀝青混合料AC-13技術(shù)要求

由文獻(xiàn)[7]可知，70#基質(zhì)瀝青+25%巖瀝青(提純)的改性瀝青膠結(jié)料對應(yīng)的路面溫度為80℃，PG高溫等級指標(biāo)為76℃，基本可以涵蓋廣東省瀝青路面的極端高溫。因此，可以認(rèn)為是一個(gè)通用摻配比例。根據(jù)AC-13型瀝青混合料配比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇5個(gè)油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，以確定所選擇級配對應(yīng)的最佳瀝青用量。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 基質(zhì)瀝青+25%巖瀝青混合料AC-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果繪制密度、空隙率、穩(wěn)定度、流值、礦料間隙率、飽和度與油石比的關(guān)系曲線，并根據(jù)規(guī)范推薦的最佳油石比計(jì)算公式，計(jì)算出最佳油石比為5.5%。

2 瀝青混合料路用性能評價(jià)

2.1 水穩(wěn)定性

針對廣東的濕熱環(huán)境，本文進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)，用于評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表5。作為對比，表5中同時(shí)列出了基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料AC-13的試驗(yàn)結(jié)果。

表5 瀝青混合料AC-13浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，與SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性基本相當(dāng)。

2.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。雖然規(guī)范對低交通量道路瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性沒有硬性規(guī)定[10]，作為對比，表6中同時(shí)列出了基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料AC-13的試驗(yàn)結(jié)果。

表6 瀝青混合料AC-13車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出，巖瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，適當(dāng)增加壓實(shí)功的話，其高溫穩(wěn)定性可以接近SBS改性瀝青混合料。

2.3 中溫抗裂性能

我國現(xiàn)行公路瀝青路面施工規(guī)范采用小梁彎曲試驗(yàn)(-10℃，破壞強(qiáng)度、破壞應(yīng)變、破壞勁度模量)綜合評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能[11],然而對于廣東的瀝青路面來說，幾乎沒有負(fù)溫度的工作狀態(tài)。研究表明，瀝青混合料在中溫范圍(5℃～20℃)所表現(xiàn)出的抗裂性能與低溫條件完全不同[9]，因此，評價(jià)瀝青混合料中溫抗裂性對于實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的平衡設(shè)計(jì)可能是有意義的。Hamza Alkuime認(rèn)為，完整描述瀝青混合料開裂和發(fā)展的全過程對于評價(jià)瀝青混合料的中溫抗裂性是重要的，并推薦采用基于斷裂能的評價(jià)指標(biāo)[9]。瀝青混合料的斷裂能可通過圖1來示意，圖中陰影面積定義為斷裂功(Wf)，單位斷裂面積對應(yīng)的斷裂功定義為斷裂能。由于瀝青混合料含有空隙，如何確定“有效的斷裂面積”，目前還沒有統(tǒng)一的方法。鑒于此，本文嘗試采用斷裂功(Wf)來評價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，斷裂功(Wf)越大，表明瀝青混合料的抗裂性能越好。

圖1 由載荷-位移曲線定義的開裂功[10]

對于瀝青混合料斷裂能試驗(yàn)，通常可以采用半圓彎曲試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和間接拉伸(劈裂)試驗(yàn)?？紤]到圓形試件現(xiàn)有的試驗(yàn)方法均采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，而多數(shù)工地試驗(yàn)室缺少旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備，故本文采用小梁彎曲試驗(yàn)檢測不同瀝青混合料的斷裂能。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定的體積指標(biāo)和油石比，制作車轍板，并切割成小梁試件，在5℃、10℃和15℃三個(gè)溫度下，以及加載速率 500mm/min 的條件下進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 瀝青混合料在不同溫度下的開裂功(Wf)

從表7可見，所有瀝青混合料的斷裂功均隨著試驗(yàn)溫度的降低而減小，抗裂性能變差；巖瀝青混合料的抗裂性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，且接近SBS改性瀝青混合料，可以理解為主要源于高瀝青含量的作用。

3 結(jié)語

針對國省公路和農(nóng)村公路養(yǎng)護(hù)的需求，以及薄加鋪層瀝青混合料對抗車轍和抗裂縫的雙重要求，本文遵循性能平衡的原則，采用巖瀝青+分級摻配骨架結(jié)構(gòu)+高瀝青膠結(jié)料含量的策略框架，探討設(shè)計(jì)一種低成本薄瀝青加鋪層混合料(RAC)用于低交通道路。經(jīng)性能檢測，RAC性能良好，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖。