粗細集料比對ATB瀝青混合料性能的影響

魏建國，徐敬道，吳 琪，付其林，嚴 鑫，徐 倩

隨著交通事業的快速發展，車輛軸載加大，瀝青路面的損害較為嚴重。為了提高瀝青路面的承載能力，ATB瀝青混合料得到了廣泛的應用。目前，學者們對ATB瀝青混合料的性能、設計方法及應用技術等方面進行了較多的研究［1－5］。研究發現：ATB瀝青混合料具備良好的路用性能，能承受重載交通，抵抗較大的剪切變形與塑性變形。在設計過程中，只要能保證形成骨架密實結構，就能很大程度地提高其路用性能［6］。但對ATB瀝青混合料級配的研究較少，特別是對其粗細集料比研究不足，粗集料在混合料中的作用是形成結構與骨架，細集料的作用是填充空隙，因此合理的粗細集料比對ATB瀝青混合料的性能尤為重要［7］。作者擬采用5種粗細集料比，分別研究其高溫穩定性、低溫穩定性及水穩定性在不同粗細集料比下的變化規律，為ATB瀝青混合料的組成設計提供參考依據。

1 材料與級配

1.1 原材料

試驗所用粗細集料及礦粉均為石灰巖，瀝青采用70號基質瀝青，礦料與瀝青均按照試驗規程進行主要性質試驗，結果均符合規范［8］要求，分別見表1，2。

表1 集料的物理性能指標試驗結果Table 1 Physical properties of aggregates

表2 瀝青技術指標Table 2 The asphalt specifications

1.2 級配組成

根據施工規范提出的ATB25的級配范圍確定粗集料與細集料之間的比例，分別按60／40，65／35，70／30，75／25及80／20變化粗細集料之間的比例得到5種級配（見表3）。試驗時，對所有礦料進行嚴格篩分，然后采用逐級回歸的方法配置混合料。5種粗細集料比采用的油石比見表4。

表3 不同粗細集料比的集料級配Table 3 The gradation in different coarse and fine ratios

表4 不同粗細集料比的最佳油石比Table 4 The optimal asphalt content in different coarse and fine ratios

2 馬歇爾試驗結果分析

本試驗采用標準馬歇爾試件，成型尺寸為φ101.6mm×63.5mm，雙面擊實各75次，集料拌合溫度為160℃，擊實溫度控制在145℃左右，每種級配成型4個試件，取其平均值，其結果分別如圖1～4所示。

圖1 不同粗細集料比的毛體積相對密度Fig.1 The gross volume relative density in different coarse and fine ratios

圖2 不同粗細集料比的空隙率Fig.2 The void ratio in different coarse and fine ratio

圖3 不同粗細集料比的穩定度Fig.3 The stability in different coarse and fine ratio

圖4 不同粗細集料比的流值Fig.4 The flow value in different coarse and fine ratio

從圖1中可以看出，隨著粗細集料比的增大，毛體積相對密度呈下降趨勢。粗細集料比從60／40到65／35時，下降幅度較小。粗細集料比從65／35到80／20時，下降幅度較大。

從圖2中可以看出，隨著粗細集料比的增大，空隙率呈增大趨勢，空隙率增大的幅度接近一致。當粗細集料比為75／25時，空隙率已超過混合料空隙率設計范圍。其原因是粗集料過多，填充粗集料形成的骨架空隙的細集料較少。

從圖3中可以看出，隨著粗細集料比的增大，穩定度呈先增大再減小的趨勢。粗細集料比從60／40到65／35，穩定度增大。其原因是粗細集料比為60／40時，細集料過多，不足以形成骨架密實結構。粗細集料比從65／35到80／20時，穩定度呈下降趨勢。并且當粗細集料比為80／20時，穩定度小于7.5kN。其原因是隨著粗集料的增加，細集料的減少，粗集料形成的骨架沒有足夠的細集料進行填充，使其結構不穩定。試驗結果表明，選擇合適的粗細集料比對提高混合料穩定度有顯著的影響。

從圖4中可以看出，隨著粗細集料比的增大，流值呈下降趨勢。當粗細集料比從60／40到65／35時，流值下降幅度較大。當粗細集料比從65／35到80／20時，流值的下降幅度較小。這說明當粗細集料比較小時，粗細集料比的變化對流值的影響顯著。

3 凍融劈裂試驗結果分析

將成型標準的馬歇爾試件進行凍融劈裂試驗。雙面擊實各50次，在試驗溫度25℃、加載速度50mm／min條件下，采用凍融劈裂強度比對瀝青混合料的水穩定性進行評價。試驗結果如圖5所示。

圖5 不同粗細集料比凍融劈裂強度比Fig.5 The freeze－thaw cleavage strength in different coarse and fine ratio

從圖5中可以看出，凍融劈裂強度比隨著粗細集料體積比的增大呈現下降趨勢。粗細集料比為60／40時，凍融劈裂強度比接近90%，說明其具有良好的水穩定性。粗細集料比為80／20時，凍融劈裂強度比低于75%，說明其水穩定性較差。并且粗細集料比75／25～80／20時，凍融劈裂強度比的下降幅度最大。由此表明，粗細集料比對ATB瀝青混合料的水穩定性有顯著的影響。其原因是水分會阻斷集料與瀝青間的粘附，粗細集料比過大，導致空隙率過大，致使更多的水分進入到空隙中，水分使得瀝青穩定碎石的強度降低。試驗結果表明，適當采用較小的粗細集料比的集料級配，降低其空隙率，對提高ATB瀝青混合料的抗水損壞能力有顯著作用。

4 車轍試驗結果分析

本試驗成型的車轍試件尺寸為300mm×300mm×100mm，車轍試驗溫度為60℃。試驗結果如圖6所示。

圖6 不同粗細集料比的動穩定度Fig.6 The dynamic stability in different coarse and fine ratio

從圖6中可以看出，粗細集料比從60／40到65／35時，動穩定度隨之增大。其原因是當粗細集料比為60／40時，粗集料較少，使之沒有形成穩定的骨架結構。粗細集料比從65／35到80／20時，動穩定度呈減小趨勢。粗細集料比從75／25到80／20時，動穩定度已低于2 000次／mm。這說明粗細集料比對ATB瀝青混合料的高溫性能有顯著的影響。其原因是隨著粗細集料比的增大，粗集料過多，不易形成良好的骨架密實結構，輪壓將骨料間的間隙拉大，使得骨料發生滑移，致使車轍深度加大，導致其高溫穩定性降低。試驗結果表明，選擇合理的粗細集料比對提高混合料的高溫性能有顯著的影響，ATB瀝青混合料的高溫穩定性不僅與集料骨架有關，骨架的密實程度對其也有很大的影響。

5 小梁低溫彎曲試驗結果分析

低溫彎曲試驗采用小梁試件，小梁試件是由車轍試件切割而成的。其尺寸為250mm×30mm×35mm，跨徑為200mm。為了避免小梁試件在車轍板中所處的位置不同而給試驗結果帶來較大的誤差，取切自同一車轍板的6根小梁編為一組，在－10℃溫度、加載速率為50mm／min的條件下，進行低溫彎曲試驗，獲得試件破壞時的最大荷載和跨中撓度。根據公式計算出的彎曲梁的抗彎拉強度和最大彎拉應變分別如圖7，8所示。

圖7 不同粗細集料比的抗彎拉強度Fig.7 The flexural strength in different coarse and fine ratio

圖8 不同粗細集料比的最大彎拉應變Fig.8 The maximum bending strain in different coarse and fine ratio

從圖7中可以看出，隨著粗細集料比的增大，抗彎拉強度呈減小的趨勢，在粗細集料比為80／20時最小，粗細集料比的變化導致抗彎拉強度降低的幅度接近一致。這說明粗細集料比對ATB瀝青混合料的抗彎拉強度有顯著的影響。其原因是粗細集料比的增大會導致混合料的強度不足，抵抗彎拉作用的能力降低。從圖8中可以看出，各粗細集料比的最大彎拉應變也隨著粗細集料比的增大呈現下降趨勢。當粗細集料比為75／25時，最大彎拉應變已低于2 000με。其原因是隨著粗細集料比的增大，粗集料的增多降低了ATB瀝青混合料的變形能力，使得混合料的低溫穩定性能隨之降低。由此可見，粗細集料比對ATB瀝青混合料的低溫抗裂性有顯著的影響，較小的粗細集料比對提高ATB瀝青混合料的低溫穩定性能有顯著的作用。

6 結論

1）隨著粗細集料比的增大，ATB瀝青混合料的毛體積相對密度呈減小趨勢，空隙率隨之增大，穩定度呈先增大后減小的趨勢。在粗細集料比為65／35時達到峰值，流值隨粗細集料比的增大而減小。

2）隨著粗細集料比的增大，ATB瀝青混合料的凍融劈裂強度比呈減小趨勢。水穩定性在粗細集料比為60／40時最好。在粗細集料比為80／20時，水穩定性較差。

3）粗細集料比對ATB瀝青混合料的高溫穩定性有顯著的影響。動穩定度隨著粗細集料比的增大呈先增大后減小趨勢。在粗細集料比為65／35時達到峰值。

4）粗細集料比對ATB瀝青混合料的低溫穩定性有顯著的影響。抗彎拉強度和最大彎應變都隨著粗細集料比的增大而減小，ATB瀝青混合料的低溫穩定性隨之而降低。

5）根據ATB瀝青混合料技術指標的要求：空隙率3%～6%，馬歇爾穩定度≥7.5kN，流值15～40（0.1mm），凍融劈裂強度比≥75%，動穩定度≥1 000次／mm，最大彎拉應變≥2 000με。綜合考慮各項技術指標，粗細集料比為65／35～75／25時，ATB瀝青混合料能夠全面滿足各項技術要求。因此，建議的ATB瀝青混合料粗細集料比的范圍為65／35～75／25。

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