大粒徑透水性瀝青混合料瀝青用量確定方法研究

■傅偉 劉超群 黃禎敏 彭水根

（1.江西省高速公路投資集團有限責任公司撫州管理中心，撫州 330086；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司，南昌 330025；3.江西省交通科學研究院，南昌 330200）

大粒徑透水性瀝青混合料瀝青用量確定方法研究

■傅偉1 劉超群2 黃禎敏3 彭水根3

（1.江西省高速公路投資集團有限責任公司撫州管理中心，撫州 330086；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司，南昌 330025；3.江西省交通科學研究院，南昌 330200）

根據LSPM的使用功能和材料組成特點，利用美國AI提出的經驗公式及LSPM適宜的瀝青膜厚度初定瀝青用量，選用貝雷法確定礦料級配，采用旋轉壓實儀成型混合料試件，測定不同瀝青用量下的LSPM混合料體積參數，通過控制LSPM混合料空隙率確定其瀝青用量范圍為2.91%～3.32%，并通過飛散試驗和析漏試驗確定其瀝青用量范圍為3.14%～3.41%，從而綜合確定瀝青用量的合理范圍為3.14%～3.32%，取其中值3.23%作為LSPM的最佳瀝青用量，此時各設計指標均取得較優值。

大粒徑透水性瀝青混合料 最佳瀝青用量 瀝青膜厚度 空隙率 飛散試驗 析漏試驗

0 引言

大粒徑透水性瀝青混合料 （LSPM）使用最大公稱粒徑超過26.5mm的礦料，混合料中粗集料間相互嵌擠形成骨架結構，高粘度改性瀝青膠漿填充部分空隙，剩余空隙率一般為13%～18%。它具有較優的高溫抗車轍能力、抗反射裂縫能力、防滑、降噪和透水等功能[1-4]，因而在高等級公路養護大修中得到較廣泛應用[5]。

瀝青混合料的路用性能依賴于礦料級配和膠結料性能。LSPM中粗集料用量很大，細集料用量較少，礦粉用量偏大，空隙率大，宜選用高粘性瀝青膠結料。與其它類型瀝青混合料相比，高粘性瀝青完全裹覆細集料、礦粉所需膠結料用量較少，使用較少瀝青就能達到較厚的瀝青膜厚度。針對LSPM的級配組成和結構類型特點，如何選擇合適的試件成型方法，并選取合理的技術指標綜合確定LSPM的瀝青用量合理范圍及最佳瀝青用量，是保證LSPM混合料性能優良和經濟效益良好的關鍵。

1 原材料性能

1.1 SBS改性瀝青

根據LSPM的使用功能及應用層位，要求LSPM采用的膠結料具有優良的路用性能，尤其是高粘滯性。采用SBS改性瀝青作為LSPM的膠結料，其性能測試結果如表1所示。

1.2 集料

考慮LSPM應具有優良的防滑、降噪和排水等功能，要求其使用的粗集料堅硬、吸水率小、與膠結料的粘附性好。使用石灰巖集料，其性能檢測結果見表2及表3。

2 礦料級配

礦料由礦粉、0~5mm、5~10mm、10~20mm、20~ 40mm等五檔規格集料組成，同時，選用礦粉用量的30%生石灰粉代替礦粉，各檔集料篩分級配如表4所示。

表1 SBS改性瀝青性能檢測結果

表2 粗集料性能檢測結果

表3 細集料性能檢測結果

表4 不同規格集料的篩分級配

本文LSPM的礦料級配是利用美國以利諾州交通部RobertD.Bailey提出的貝雷法級配設計理論進行設計。國外大量研究和工程實踐表明，應用貝雷法級配設計理論確定的礦料級配能夠形成多級嵌擠骨架結構[6]，混合料具有較優的體積參數，能使LSPM具有優良的力學性能和路用性能，礦料級配設計結果如表5所示。

表5 礦料級配設計結果

由表 5可以看出：礦料最大粒徑超過 30mm，且19mm~26.5mm顆粒含量達到23.5%，大于4.75mm的粗料含量高達84.8%，礦粉含量在細集料中占有較大比例。各規格集料所占比例為形成粗集料石—石嵌擠接觸而細料部分填充的骨架空隙結構提供了條件。

3 最佳瀝青用量

3.1 成型方法

結合LSPM的級配組成特點，如果選用傳統的標準馬歇爾擊實法成型Φ101.6mm×h63.5mm試件，粗骨料易破碎，且離析嚴重，瀝青膜厚度不均勻，不利于混合料的壓實效應，增加了試驗誤差。若選用大型馬歇爾擊實法成型Φ152.4mm×h92.25mm試件，雖增大了粗骨料的活動空間，但由于大型馬歇爾儀擊實錘重、擊實功大，成型過程中易造成粗骨料破碎，從而改變礦料級配，并伴隨出現力學薄弱面—花白料。而superpave旋轉壓實儀成型的試件級配及密實度與現場較接近，故選用旋轉壓實儀成型LSPM混合料試件。

3.2 初定瀝青用量

LSPM初定瀝青用量可由裹覆集料的瀝青膜平均厚度來確定。瀝青膜厚度過薄，混合料的水穩性和耐久性較差；瀝青膜過厚，將產生較多的自由瀝青，易產生高溫流動變形，并增加了工程造價。LSPM的瀝青膜厚度應與其礦料級配相匹配，找到性能與經濟性的平衡點。利用美國AI提供的經驗公式 （1）估算出集料表面積2.007m2/kg。LSPM合適的瀝青膜平均厚度一般為 ，中值為14，實測SBS改性瀝青15℃密度為1.035g/cm3，可確定LSPM滿足瀝青膜厚度要求的最小瀝青用量為2.91%。

集料表面積=0.41+0.0041P4.75+0.0082P2.36+0.0164P1.18+ 0.0287P0.6+0.0614P0.3+0.1229P0.15+0.3277P0.075(1)

3.3 最佳瀝青用量

LSPM的級配組成和結構特征不同于AC、SMA、OGFC等混合料，試驗選用旋轉壓實儀成型試件，并參考滿足瀝青膜平均厚度要求的最小瀝青用量，預定2.9%、3.2%、3.5%和3.8%四個不同瀝青用量進行LSPM混合料體積指標試驗。

3.3.1 混合料體積指標

根據集料的表面積2.007m2/kg，SBS改性瀝青15℃密度為1.035g/cm3，可以估算出不同瀝青用量下混合料的瀝青膜平均厚度。利用superpave旋轉壓實儀成型足夠數量的不同瀝青用量的LSPM試件。根據 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTGE20-2011中T0707-2011d蠟封法測定LSPM壓實混合料的毛體積相對密度，并按照T0711-2011真空法測定LSPM混合料理論最大相對密度，計算出混合料空隙率VV和礦料間隙率VMA，試驗結果見表6及圖1至圖4。

表6 LSPM體積參數試驗結果

圖1 毛體積相對密度與瀝青用量曲線圖

圖2 空隙率與瀝青用量曲線圖

圖3 礦料間隙率與瀝青用量曲線圖

圖4 瀝青膜厚度與瀝青用量曲線圖

由表6及圖1至圖4可以看出：LSPM中瀝青膜平均厚度隨瀝青用量的增加呈線性增加，混合料VV因瀝青增加填充而快速減小，VMA及γf增幅相對較小。考慮LSPM主要功能在于排水，而其排水能力主要依靠于有效的連通空隙，故取LSPM空隙率為中值15.5%以上，按線性內插法得到瀝青用量小于3.32%，此時瀝青膜最大平均厚度為 15.9μm,毛體積相對密度約為2.2395g/cm3，礦料間隙率約為22.75%，符合相關技術要求，由此確定的瀝青用量范圍為2.91%～3.32%。

3.3.2 飛散試驗和析漏試驗

LSPM常選用飛散試驗來確定混合料獲得足夠粘結力不使集料嚴重飛散時的最小瀝青用量，用析漏試驗來確定混合料滿足高溫穩定性要求不使瀝青流淌時的最大瀝青用量，試驗結果見表7及圖5、圖6。

表7 飛散和析漏試驗結果

圖5 飛散質量損失率與瀝青用量曲線圖

圖6 析漏質量損失率與瀝青用量曲線圖

SMA是典型的骨架密實結構混合料，裹覆礦粉和細料填充骨架空隙所需瀝青用量較大，要求SMA析漏試驗試件質量損失率小于0.3%。而LSPM為典型的骨架空隙結構混合料，礦料總比表面積較小，要求其析漏損失率不超過0.2%，結合圖6得到滿足析漏試驗要求的瀝青用量不超過3.41%。LSPM飛散試驗要求試件質量損失率小于25%，結合圖5得到最小瀝青用量為3.14%，由此確定的瀝青用量范圍為3.14%~3.41%。

3.3.3 最佳瀝青用量

LSPM中瀝青用量最主要用于滿足排水功能和高溫穩定性能要求，即要求LSPM具有一定保證率的有效連通空隙，并滿足析漏試驗允許量。由此綜合確定滿足性能要求的瀝青用量合理范圍為3.14%~3.32%，并取其中值3.23%作為LSPM的最佳瀝青用量。

4 結語

利用貝雷法設計的礦料級配能形成良好的骨架嵌擠空隙結構，膠結料采用SBS改性瀝青，并選用模擬效果較好的旋轉壓實儀成型試件。根據集料表面積與瀝青膜平均厚度關系得到LSPM初定瀝青用量為2.91%，并以增幅0.3%選擇2.9%、3.2%、3.5%和3.8%四個瀝青用量進行試驗。分別用蠟封法和真空法實測LSPM在不同瀝青用量下的毛體積相對密度和理論最大相對密度，并計算出混合料的空隙率和礦料間隙率與瀝青用量的關系，從而確定出滿足LSPM空隙率中值以上的瀝青用量范圍為2.91%~3.32%。通過飛散試驗和析漏試驗確定LSPM瀝青用量范圍為3.14%~3.41%，由此得到瀝青用量合理范圍為3.14%~3.32%，并取其中值 3.23%作為LSPM的最佳瀝青用量，此時各設計指標均取得較優值。

[1]房建果，郭忠印，王松根.大粒徑透水性瀝青混合料水穩定性能對比研究[J].建筑材料學報，2009,12（4）：493-496.

[2]鄧星鶴，佘滿漢.透水性瀝青混合料全程水穩定性規律研究[J].公路工程，2013,38（2）：202-205.

[3]曹夢醒，梁偉，廖陳林.大粒徑透水性瀝青混合料在公路養護中的應用[J].公路與汽運，2007（2）：86-88.

[4]關彥斌，孔永健.關于透水性瀝青混合料的透水性與空隙率的關系[J].公路交通科技，2005（4）：52-54.

[5]竇汝良.大粒徑透水性瀝青混合料柔性基層在高等級公路養護大修中的應用[J].公路，2007（9）：205-208.

[6]陳忠達，袁萬杰，高春海.多級嵌擠密實級配設計方法研究[J].中國公路學報，2006,19（1）：32-37.

項目來源：江西省交通運輸廳重點科研項目 （項目編號：2015C0023）