級(jí)配對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響的研究

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（海南省公路管理局，海南 海口 570125）

0 前言

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是影響瀝青路面抗水損能力的最根本的因素，影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的因素除了荷載、水分供給、壓實(shí)質(zhì)量等外在因素外，主要是礦料的性質(zhì)、瀝青的性質(zhì)及用量、瀝青與礦料之間的相互作用、瀝青混合料礦料的級(jí)配等。本文將通過(guò)瀝青混合料(試件) 的水穩(wěn)定性試驗(yàn)，研究分析礦料級(jí)配的變化對(duì)SBS 改性瀝青ACl3 瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，并在此基礎(chǔ)上提出礦料級(jí)配的選擇建議。

1 級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1 級(jí)配設(shè)計(jì)思路

對(duì)于瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，需要解決三個(gè)方面的問(wèn)題：粗集料的合理結(jié)構(gòu)組成；填充細(xì)集料的合理組成；粗細(xì)集料的合理比例。本文進(jìn)行研究時(shí)，粗集料的結(jié)構(gòu)組成采用堆積密度試驗(yàn)進(jìn)行逐級(jí)堆積，得到間隙率較小的礦料級(jí)配作為優(yōu)化后的粗集料合理結(jié)構(gòu)組成；通過(guò)選取典型級(jí)配重點(diǎn)研究填充細(xì)集料的合理組成以及粗細(xì)集料的合理比例。試驗(yàn)用瀝青采用SBS 改性瀝青，粗集料采用破碎卵石，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂。將集料分篩為單粒徑進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.2 堆積密度試驗(yàn)方案與結(jié)果

將各單粒徑粗集料按不同比例1:1、1:2、1:3、2:1、3:1 等不同比例混合后，按T0309-2005 方法進(jìn)行堆積密度試驗(yàn)。通過(guò)逐級(jí)堆積試驗(yàn)，得到破碎卵石的堆積特性。一階段堆積試驗(yàn)結(jié)果表明：13.2mm:9.5mm比例為1:2 時(shí)自然堆積間隙率和搗實(shí)堆積間隙率均為最小值，13.2mm:9.5mm 最佳比例為1:2。二階段堆積試驗(yàn)結(jié)果表明：(13.2mm～9.5mm):4.75mm 最佳比例為1:1，當(dāng)比例超過(guò)1:1 后即4.75mm 顆粒越多時(shí)，自然堆積間隙率與搗實(shí)堆積間隙率均均明顯呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。三階段堆積試驗(yàn)結(jié)果表明：(13.2mm～4.75mm):2.36mm 最佳比例為3:1，其自然堆積間隙率和搗實(shí)堆積間隙率均為最小；2.36mm 加入后，礦料的間隙率下降比較明顯，約下降了2%，反映出2.36mm 對(duì)混合料的填充作用明顯。由堆積密度試驗(yàn)得到破碎卵石13.2mm～2.36mm 的最佳比例為：13.2mm:9.5mm:4.75mm:2.36mm=1:2:3:2。

表1 試驗(yàn)級(jí)配

1.3 典型級(jí)配的選取

本文選取了13 條典型級(jí)配進(jìn)行研究，如表1 所示。1#～5# 級(jí)配代表5 種關(guān)鍵篩孔通過(guò)率即5 種不同粗細(xì)比例的礦料級(jí)配，其細(xì)集料部分粗細(xì)適中；6#～13# 級(jí)配代表8 種不同細(xì)集料形狀的礦料級(jí)配，其中6#～7# 和10#～11# 級(jí)配細(xì)集料上部偏少下部偏多，8#～9# 和12#～13#級(jí)配細(xì)集料上部偏多下部偏少；6#～9# 比10#～13# 級(jí)配偏細(xì)。

表2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果與分析

擬定五種油石比(3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%)，按規(guī)范方法成型馬歇爾試件，根據(jù)馬歇爾體積特征得到13 種級(jí)配的最佳油石比，如表2 所示。

不同級(jí)配對(duì)混合料的毛體積相對(duì)密度、空隙率、飽和度、穩(wěn)定度和流值均有一定的影響。所選13 種不同級(jí)配的最佳油石比介于4.2%～4.9%之間。由級(jí)配1#～5# 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著礦料級(jí)配關(guān)鍵篩孔通過(guò)率的降低，瀝青混合料最佳油石比逐漸減小；級(jí)配6#、7# 為細(xì)集料級(jí)配曲線(xiàn)上半部分用量相對(duì)較少而下半部分用量相對(duì)較多（級(jí)配6#、7# 細(xì)集料相對(duì)偏多），細(xì)集料整體偏細(xì)，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)達(dá)到最佳油石比時(shí)所需的瀝青多，最佳油石比偏高；級(jí)配8#、9# 兩種級(jí)配細(xì)集料級(jí)配曲線(xiàn)上半部分用量相對(duì)較多而下半部分用量相對(duì)較少，細(xì)集料整體偏粗，達(dá)到最佳油石比時(shí)所需的瀝青少，但其設(shè)計(jì)空隙率偏大。10#～13# 級(jí)配比6#～9# 級(jí)配偏粗，達(dá)到最佳油石比時(shí)所需的瀝青少。

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

瀝青混合料的水穩(wěn)定性可根據(jù)它在浸水條件下物理力學(xué)性能降低的程度來(lái)表征。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的方法是浸水馬歇爾試驗(yàn)、浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、浸水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、真空飽水凍融后劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、浸水車(chē)轍試驗(yàn)等。大量研究表明凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)比浸水馬歇爾試驗(yàn)更能反映瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

在最佳油石比OAC 條件下，按規(guī)范要求進(jìn)行的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖2 所示。

在最佳油石比的條件下，AC-13 凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 與2.36mm通過(guò)率的回歸關(guān)系式為y=0.382x+73.77，其相關(guān)系數(shù)0.89，相關(guān)性良好。2.36mm 通過(guò)率對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 的影響比較明顯；2.36mm 通過(guò)率在25%以上時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 較佳，瀝青混合料水穩(wěn)定性較好；2.36mm 通過(guò)率小于25%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR略低于80%，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖1 TSR 與2.36mm 通過(guò)率的關(guān)系

圖2 不同細(xì)集料形狀與TSR 的關(guān)系

在最佳油石比的條件下，AC-13不同細(xì)集料形狀的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 試驗(yàn)結(jié)果表明：細(xì)集料形狀對(duì)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 的影響較大；細(xì)集料曲線(xiàn)上半部分用量較多而下半部分用量較少，混合料因沒(méi)有足夠多的細(xì)料填充礦料間隙從而使混合料空隙較大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性較差；而級(jí)配3#、7# 細(xì)集料部分粗細(xì)搭配較為適宜，對(duì)應(yīng)的瀝青混合料水穩(wěn)定性能較優(yōu)。

瀝青混合料的體積參數(shù)對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 有著顯著影響。AC-13 各級(jí)配在最佳油石比OAC±0.3%條件下各試件的空隙率、瀝青飽和度與凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 的關(guān)系如圖3～圖4 所示。

圖3 AC-13 凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 與空隙率VV 的關(guān)系

圖4 AC-13 凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 與瀝青飽和度VFA 的關(guān)系

由圖3、圖4 可知：凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 隨著空隙率的增加而降低，隨著瀝青飽和度VFA 的增加而增加。VV 的減小以及VFA 的增加能夠有效避免水進(jìn)入到混合料內(nèi)部，提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性，這與實(shí)際路面使用性能一致。對(duì)AC-13 凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 與空隙率VV 或飽和度VFA 進(jìn)行回歸分析，其相關(guān)系數(shù)r 大于0.80，線(xiàn)性相關(guān)性良好。

2.3 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果的分形分析

級(jí)配粗細(xì)比例變化時(shí)，其相應(yīng)的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 與級(jí)配分維數(shù)D 如表3 所示。

表3 級(jí)配粗細(xì)比例變化凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表可表3 可知，當(dāng)級(jí)配的粗細(xì)比例發(fā)生變化時(shí)，隨著油石比與級(jí)配分維數(shù)D 的增加，凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比TSR 呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)椋瑸r青用量增多，使得混合料中的空隙率減小，聯(lián)通空隙形成的機(jī)率也變小，集料表面增厚的瀝青膜增強(qiáng)了混合料抵抗水的侵害作用，水穩(wěn)定性自然增強(qiáng)。對(duì)凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR 與集料的級(jí)配分維維數(shù)D 進(jìn)行線(xiàn)性回歸如圖5。

圖5 AC-13 級(jí)配分維數(shù)D 與TSR（%）關(guān)系

級(jí)配分維數(shù)D 增大，集料結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，集料空間填充能力就越強(qiáng)，相應(yīng)的混合料空隙率減小，使得混合料的水密性增強(qiáng)，混合料水穩(wěn)定性提高。由已知的線(xiàn)性回歸公式可知，要滿(mǎn)足瀝青混合料要滿(mǎn)足瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 大于75%的要求，集料AC-13 的級(jí)配分維數(shù)D 的取值范圍為：D≥2.465，由圖5 線(xiàn)性關(guān)系可知，其相應(yīng)的關(guān)鍵篩孔2.36mm 的通過(guò)率應(yīng)大于24%。

當(dāng)粗集料用量恒定，粗細(xì)比例一致，細(xì)集料級(jí)配根據(jù)n 值變化，且礦粉用量也相應(yīng)變化時(shí)，其相應(yīng)的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 與級(jí)配分維數(shù)D 如表4 所示。

表4 級(jí)配細(xì)集料形狀變化凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表可表6 可知，當(dāng)粗集料用量恒定，粗細(xì)比例一致，細(xì)集料變化時(shí)，隨著油石比與礦粉含量的增加，凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比TSR 呈增加趨勢(shì)。對(duì)凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR 與集料的級(jí)配分維維數(shù)D 進(jìn)行線(xiàn)性回歸，如圖6。

圖6 AC-13 級(jí)配分維數(shù)D 與TSR（%）關(guān)系

級(jí)配分維數(shù)D 增大，礦粉含量增多，集料的比表面積增大，隨著瀝青用量的增加，包裹細(xì)料的瀝青膜增厚，空隙率明顯減少，水穩(wěn)定性良好。由已知的線(xiàn)性回歸公式可知，要滿(mǎn)足瀝青混合料要滿(mǎn)足瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 大于75%的要求，集料AC-13 的級(jí)配分維數(shù)D 的取值范圍為：D≥2.432。

綜合細(xì)集料的合理組成以及粗細(xì)集料的合理比例兩個(gè)方面，為了獲得優(yōu)良的水穩(wěn)定性，密集配混合料AC-13 的級(jí)配分維數(shù)對(duì)應(yīng)凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 的分維數(shù)D≥2.465。

2.4 工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

綜合粗集料堆積密度試驗(yàn)結(jié)果、13 種不同級(jí)配的AC-13 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合潮濕多雨地區(qū)實(shí)際情況，提出的適用于潮濕多雨氣候特點(diǎn)地區(qū)抗水損害的AC-13 瀝青混合料礦料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍見(jiàn)表5。推薦的AC-13 工程級(jí)配分維數(shù)D 取值范圍2.3772～2.5519。

表5 推薦的多雨地區(qū)AC-13 瀝青混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

3 結(jié)論

（1）堆積密度試驗(yàn)表明AC-13 用礦料13.2mm～2.36mm 的最佳比例為：13.2mm:9.5mm:4.75mm:2.36mm=1:2:3:2。

（2）最佳油石比時(shí)，AC-13 瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 隨關(guān)鍵篩孔通過(guò)率的減少而減小；級(jí)配對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 有較大影響，5#、9#、13# 級(jí)配的瀝青混合料空隙較大，水穩(wěn)定性較差；2#、6#、10# 級(jí)配的瀝青混合料水穩(wěn)定性能較優(yōu)；

（3）密集配混合料AC-13 的級(jí)配分維數(shù)對(duì)應(yīng)凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 的分維數(shù)D≥2.465。

（4）推薦了適合海南潮濕多雨氣候抗水損害的AC-13 瀝青混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍。

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