逐級嵌擠型瀝青混合料設(shè)計及性能驗證

朱慧芳 周旋燁 張素敏

摘要 文章以集料承載比為評價指標(biāo)，提出基于多級嵌擠理論和強度最優(yōu)原則的瀝青混合料級配優(yōu)化設(shè)計方法，對逐級嵌擠型瀝青混合料中的集料級配進(jìn)行逐級填充試驗，確定不同粒徑集料的最優(yōu)摻配比例，并依據(jù)現(xiàn)有方法確定目標(biāo)級配下最佳瀝青用量。結(jié)合黃衢南高速公路路面養(yǎng)護(hù)工程的應(yīng)用實例，并對高溫穩(wěn)定、疲勞抗裂、抗滑等路用性能進(jìn)行驗證和對比分析。

關(guān)鍵詞 逐級嵌擠；級配設(shè)計；集料承載比；性能驗證

中圖分類號 U414文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0044-03

0 引言

黃（黃山）衢（衢州）南（南平）高速公路即京臺（G3）高速公路浙江段，是浙江、安徽和福建三省的省際重要通道。由于通車年限較久，路面功能性指標(biāo)存在較為明顯的衰減，亟須實施針對性的薄層加鋪，維持路況水平和延長路面使用壽命。

研究表明，嵌擠密實型級配結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，各項性能較為均衡，能夠顯著增強路面的耐久性和路表功能[1]。因此，該研究項目在開展逐級嵌擠型瀝青混合料配合比設(shè)計和研究的基礎(chǔ)上，將該混合料應(yīng)用于黃衢南高速公路的路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中，并對實施后路用性能進(jìn)行跟蹤評價和對比分析。

1 基于強度最優(yōu)原則的級配設(shè)計

1.1 粗集料級配設(shè)計

在瀝青混合料組成中，作為骨架的粗集料能否形成較為穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，對整體性能的優(yōu)劣有著至關(guān)重要的影響[2]。根據(jù)不同粒徑粗集料的逐級填充試驗結(jié)果，得出不同填充比例下的承載比值曲線變化規(guī)律，進(jìn)行粗集料級配設(shè)計。

1.1.1 粗集料一級填充

將7.2～9.5 mm和4.75～7.2 mm兩檔粗集料按九種不同摻配比例，分別取料，拌和均勻，搗實后進(jìn)行承載比試驗。不同摻配比例下試驗結(jié)果見圖1。

隨著7.2～9.5 mm摻配比例的變化，承載比CBR出現(xiàn)較大的波動，表明級配組成對礦料整體強度影響較大。

承載比CBR變化曲線出現(xiàn)兩處峰值，第一處峰值在7.2～9.5 mm比例為70%，承載力主要由含量較多的7.2～

9.5 mm集料提供，4.75～7.2 mm集料主要起填充效果。隨著7.2～9.5 mm比例的下降，兩檔粗集料發(fā)生干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致承載比下降，集料間干涉強度達(dá)到最大值出現(xiàn)在7.2～9.5 mm比例為50%時。當(dāng)7.2～9.5 mm比例進(jìn)一步下降，干涉現(xiàn)象消失，承載比在7.2～9.5 mm比例為70%時出現(xiàn)第二處峰值，此時4.75～7.2 mm集料代替7.2～9.5 mm

集料，成為承載力主體。

根據(jù)粗集料一級填充曲線變化規(guī)律，7.2～9.5 mm集料比例為30%和70%為最優(yōu)摻配比例。

1.1.2 粗集料二級填充

根據(jù)粗集料一級填充試驗結(jié)果，將7.2～9.5 mm和4.75～7.2 mm兩檔集料分別按6∶4和3∶7的比例，配制出兩種4.75～9.5 mm集料與2.36～4.75 mm集料再進(jìn)行填充試驗，作為粗集料的二級填充試驗，試驗結(jié)果見圖2。

隨著4.75～9.5 mm摻配比例的變化，與一級填充下變化曲線相似，當(dāng)摻配比例為80%時，承載比出現(xiàn)峰值，表明此時粗集料的骨架結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。

進(jìn)一步對比兩種4.75～9.5 mm集料的承載比的峰值大小，7.2～9.5 mm∶4.75～7.2 mm為6∶4的承載比峰值達(dá)到了28，遠(yuǎn)高于7∶3時的峰值，表明按6∶4摻配出的4.75～9.5 mm集料更優(yōu)。

綜上所述，以集料承載比為評價指標(biāo)，根據(jù)不同粒徑粗集料逐級填充試驗結(jié)果，各檔粗集料最優(yōu)摻配比例為7.2～9.5 mm∶4.75～7.2 mm∶2.36～4.75 mm=48∶32∶20。

1.2 細(xì)集料及填料配比設(shè)計

在瀝青混合料礦料級配中，細(xì)集料主要用于填充至粗集料骨架中，提高混合料的密實程度，從而增強整體穩(wěn)定性[3]。

細(xì)集料采用體積法進(jìn)行填充設(shè)計，按公式（1）和（2）計算細(xì)集料的填充體積及質(zhì)量：

按公式（3）計算細(xì)集料的間隙率VXA2：

在確定細(xì)集料參數(shù)的基礎(chǔ)上，按公式（4）和（5）計算填料的體積及質(zhì)量：

2 最佳油石比的確定

以承載比試驗結(jié)果得出粗、細(xì)集料和填料的摻配比例為基礎(chǔ)，綜合考慮實際集料加工工藝和組成特點，得出的級配范圍見表1。

在目標(biāo)級配下，對油石比為4.5%、5%、5.5%、6%和6.5%的混合料進(jìn)行馬歇爾試驗，試驗結(jié)果見圖3。

根據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果，在目標(biāo)級配下，逐級嵌擠型瀝青混合料最佳油石比為5.7%，最大理論相對密度為2.487，毛體積相對密度為2.39，空隙率為3.9%。

3 路用性能驗證及對比分析

對逐級嵌擠型瀝青混合料路用性能進(jìn)行性能驗證及對比分析，包括高溫穩(wěn)定性能、疲勞抗裂性能、降噪性能以及抗滑性能。

3.1 高溫穩(wěn)定性能驗證及對比分析

在車輛荷載的反復(fù)作用下瀝青路面會產(chǎn)生永久變形，尤其是在混合料高溫穩(wěn)定性不足時尤為明顯。各級配類型瀝青混合料高溫穩(wěn)定性（動穩(wěn)定度）試驗結(jié)果見圖4。

在試驗溫度為60 ℃時，逐級嵌擠型瀝青混合料動穩(wěn)定度超過10 000次/mm，試驗溫度70 ℃也能達(dá)到8 000次/mm，優(yōu)良高溫穩(wěn)定性突出，在70 ℃條件下的動穩(wěn)定度與60 ℃條件下的SMA型相當(dāng)。

3.2 疲勞抗裂性能驗證及對比分析

橫、縱疲勞裂縫類病害是瀝青路面最主要的損壞類型，因為疲勞抗裂性能是衡量瀝青路面耐久性能的重要指標(biāo)之一。各級配類型瀝青混合料疲勞抗裂性能（彎曲疲勞次數(shù)）試驗結(jié)果見圖5。

在一般應(yīng)變水平下，逐級嵌擠型瀝青混合料疲勞次數(shù)達(dá)到了26萬次，在較高應(yīng)變水平疲勞次數(shù)也能達(dá)到了5萬次以上。逐級嵌擠型瀝青混合料疲勞次數(shù)在各應(yīng)變水平下均高于其他級配類型瀝青混合料，尤其是在高應(yīng)變水平下。

3.3 降噪性能驗證及對比分析

車內(nèi)噪聲按聲源主要有車輛動力系統(tǒng)或車輛自身振動產(chǎn)生的噪聲和輪胎－路面噪聲兩種[4]。各級配類型瀝青混合料車內(nèi)噪聲測試結(jié)果見圖6。

在100～120 km/h的行駛速度下，逐級嵌擠型瀝青混合料車內(nèi)噪聲65～70 dB，車內(nèi)噪聲雖高于具有吸聲效果的升級配OGFC型瀝青混合料，但在行駛過程中車輛自身振動較小，車內(nèi)噪聲較SMA型和AC型降低了5～7 dB。

3.4 抗滑性能驗證及對比分析

采用灌砂法測定構(gòu)造深度，用以評價抗滑性能[5]。各級配類型瀝青混合料構(gòu)造深度檢測結(jié)果見圖7。

逐級嵌擠型瀝青混合料施工完成時，測定構(gòu)造深度值為0.83 mm，與SMA型構(gòu)造深度相當(dāng)，優(yōu)于AC型構(gòu)造深度。從通車運營3個月后的構(gòu)造深度檢測結(jié)果來看，逐級嵌擠型瀝青混合料相較其他類型級配混合料，整體結(jié)構(gòu)被壓密和磨耗得更嚴(yán)重。

4 結(jié)論

該文基于集料嵌擠理論，以承載比為評價指標(biāo)，進(jìn)行級配優(yōu)化設(shè)計，得出一種耐久型逐級嵌擠型瀝青混合料，相比于其他級配類型，具有更優(yōu)耐久性能和路表功能，社會和經(jīng)濟(jì)效益突出。

（1）三檔粗集料2.36～4.75 mm、4.75～7.2 mm和7.2～9.5 mm最優(yōu)摻配比例為20∶32∶48。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)集料及填料配比設(shè)計，得出逐級嵌擠型瀝青混合料目標(biāo)級配。

（2）在目標(biāo)級配下，根據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果，確定了逐級嵌擠型瀝青混合料的最佳油石比為5.7%。

（3）對路用性能進(jìn)行性能驗證及對比分析，逐級嵌擠型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定和疲勞抗裂性能優(yōu)于其他級配類型瀝青混合料，同時降噪和抗滑性能也較好。

參考文獻(xiàn)

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