基于GTM的AC-16型瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化研究

□文/滕川 李源淵

基于GTM的AC-16型瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化研究

□文/滕川 李源淵

為探究基于GTM設(shè)計(jì)方法下的最優(yōu)級(jí)配設(shè)計(jì)，以便更好地指導(dǎo)控制瀝青混合的綜合性能，保障瀝青路面的質(zhì)量和使用功能，根據(jù)4.75 mm篩孔通過率的不同（分別為50%、45%、40%、35%、30%）設(shè)計(jì)7種AC-16型瀝青混合料級(jí)配并系統(tǒng)研究不同級(jí)配下瀝青混合料的體積參數(shù)及路用性能。研究結(jié)果表明，最佳瀝青用量、體積參數(shù)、GTM旋轉(zhuǎn)密度下的混合料路用性能與級(jí)配有很大關(guān)系，基于上述關(guān)鍵因素協(xié)調(diào)性較好原則，提出了AC-16型瀝青混合料優(yōu)化級(jí)配范圍。

道路；GTM；級(jí)配設(shè)計(jì)；AC-16型；瀝青混合料；路用性能；優(yōu)化

瀝青混合料類型選擇和配合比設(shè)計(jì)是保證瀝青路面質(zhì)量和使用功能的關(guān)鍵[1]。級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)作為配合比設(shè)計(jì)的重要組成部分，決定著瀝青混合料綜合性能的優(yōu)劣，然而基于不同瀝青混合料設(shè)計(jì)方法下的級(jí)配不能擇一通用。因此，本文基于GTM的設(shè)計(jì)方法選擇4.75 mm篩孔通過率不同的7種級(jí)配對AC-16型瀝青混合料系統(tǒng)進(jìn)行了級(jí)配優(yōu)化對比研究，最終依據(jù)所研究級(jí)配在最佳瀝青用量、GTM旋轉(zhuǎn)密度下的混合料路用性能協(xié)調(diào)性較好原則，提出了AC-16型瀝青混合料優(yōu)化級(jí)配范圍，指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。

1　原材料分析

遷安產(chǎn)石灰?guī)r粗、細(xì)集料及礦粉；瀝青為唐山交達(dá)產(chǎn)70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青。原材料符合規(guī)范要求技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2～3]，具體指標(biāo)見表1-表4。

表1　SBS改性瀝青檢測結(jié)果

表2　粗集料技術(shù)性質(zhì)

表3　細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

表4　礦粉技術(shù)性質(zhì)

混合料由各級(jí)集料逐級(jí)篩分后回配而得，集料有效相對密度見表5。

表5　集料有效相對密度

2　級(jí)配設(shè)計(jì)

級(jí)配曲線的完整信息可以由各篩孔通過率來描述。進(jìn)行級(jí)配研究時(shí)如能夠?qū)⒏骱Y孔通過率作為研究對象考慮并最終建立在特定條件下（考慮瀝青性質(zhì)、集料表面性質(zhì)），各級(jí)集料含量與混合料體積參數(shù)、路用性能等的聯(lián)系，當(dāng)然是最理想的結(jié)果。但由于瀝青混合料路用性能影響因素多，以此方式進(jìn)行研究，工作量過大。因此研究中需抓住級(jí)配曲線的主要特征，用較少的參數(shù)控制級(jí)配曲線的走向，抓住主要矛盾，才能夠達(dá)到用較少的試驗(yàn)工作獲得接近于最優(yōu)結(jié)果的級(jí)配優(yōu)化結(jié)果。

級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)固定0.075 mm通過率5%，設(shè)定AC-16型瀝青混合料粗細(xì)集料分界點(diǎn)為4.75 mm，因此根據(jù)4.75mm通過率的不同（分別為50%、45%、40%、35%、30%），將研究所用級(jí)配曲線設(shè)計(jì)為連接0.075 mm通過率、4.75mm通過率及最大粒徑通過率的折線。如此，5種級(jí)配（級(jí)配1、2、3、4、5）實(shí)際上其級(jí)配特征參數(shù)均由4.75 mm通過率來控制。貝雷法中CA比定義為粗集料中的細(xì)集料與粗集料中粗集料的比值，對本研究所用的5種級(jí)配，CA比均相等。而細(xì)集料組成參數(shù)Fac、Faf比值實(shí)際上也由4.75mm通過率控制。

為研究粗集料組成對瀝青混合料路用性能影響，設(shè)計(jì)的級(jí)配3-1、3-2是在細(xì)集料組成與級(jí)配3相同的條件下調(diào)整粗集料級(jí)配，分別得到CA比較大和較小的級(jí)配。供研究的7種級(jí)配見表6。

表6　AC-16級(jí)配

3　最佳油石比確定

采用GTM方法進(jìn)行試驗(yàn)，垂直壓力0.7MPa；試件成型到極限平衡狀態(tài)；成型溫度140～145℃。

選擇3.9%、4.2%、4.5%、4.8%、5.1%等5組油石比分別進(jìn)行拌和，在上述條件下成型GTM試件。瀝青混合料密度為表干法測定的試件毛體積相對密度。考慮到礦料對瀝青膠結(jié)料的吸收特點(diǎn)，瀝青混合料最大理論密度根據(jù)集料有效密度計(jì)算并據(jù)此計(jì)算空隙率、間隙率、飽和度等體積參數(shù)。

由圖1和圖2可以看出，級(jí)配1～5及級(jí)配3-1、3-2最大油石比分別確定為4.5%、4.5%、4.6%、4.7%、4.8%、4.8%、4.5%。

圖1　GSI隨油石比變化

圖2　GSF隨油石比變化

4　不同級(jí)配混合料體積參數(shù)比較分析

4.1GTM旋轉(zhuǎn)試件密度

不同級(jí)配、不同油石比下GTM旋轉(zhuǎn)試件密度見圖3。

圖3　GTM旋轉(zhuǎn)試件毛體積密度

由圖3可以看出，7種級(jí)配相同油石比下混合料試件密度由大到小分別為級(jí)配3-1、4、3、2、5、1、3-2。試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著細(xì)集料的增加，混合料密度沒有峰值出現(xiàn)。與4.75mm通過率對混合料密度影響相比，粗集料組成對混合料密度影響更大，表現(xiàn)為CA比越大，混合料密度越小。這主要是由于CA比大，4.75～9.5 mm含量多，對粒徑更大的粗集料形成強(qiáng)烈的撐持作用，使得混合料空隙增加，因此混合料密度較小。而CA比小時(shí)，混合料級(jí)配幾乎為斷級(jí)配，細(xì)集料能夠充分填充粗集料形成的空隙，因此密度較大。

4.2GTM旋轉(zhuǎn)試件體積參數(shù)

不同級(jí)配、不同油石比下GTM旋轉(zhuǎn)試件VMA見圖4和表7。

圖4　AC-16不同級(jí)配GTM旋轉(zhuǎn)試件VMA

表7　AC-16不同級(jí)配GTM旋轉(zhuǎn)試件VMA%

由圖4可知，對于粗細(xì)集料自身組成相差不大的級(jí)配1～5，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，相同油石比下，隨著細(xì)集料含量的減少，VMA增加。但對VMA變化趨勢進(jìn)一步分析則可發(fā)現(xiàn)，不同油石比下4.75 mm通過率為35%的點(diǎn)均為VMA的突變點(diǎn)。當(dāng)4.75mm通過率＞35%時(shí)，隨著細(xì)集料含量的減少，其VMA增加并不明顯，但當(dāng)4.75 mm通過率＜35%后，隨著細(xì)集料含量的減少，VMA急劇增加。此規(guī)律表明，對于所研究的對象，當(dāng)粗集料含量較少（＜75%）時(shí)，集料間隙率由細(xì)集料組成控制，此范圍內(nèi)，粗細(xì)集料比例變化對集料間隙率影響不大，可認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)為懸浮結(jié)構(gòu)，當(dāng)粗集料含量達(dá)到一定值時(shí)（75%），細(xì)集料恰好填充粗集料空隙，而粗集料也恰好達(dá)到嵌擠結(jié)構(gòu)，此時(shí)如粗集料含量繼續(xù)增加，VMA將急劇增大，表明細(xì)集料含量太少，其體積已不足以填充粗集料骨架間隙，因此粗集料含量對VMA影響很大，這時(shí)混合料結(jié)構(gòu)為骨架空隙結(jié)構(gòu)。而4.75mm通過率為35%的級(jí)配應(yīng)定義為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。但骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的判據(jù)應(yīng)該是路用性能，因此此理論還有待于路用性能進(jìn)行驗(yàn)證。

由表7可知，級(jí)配3-1在4.2%、4.5%油石比下VMA最大，而級(jí)配3-2的VMA最小，說明增加粗集料中的細(xì)集料含量，可使瀝青混合料VMA增加。如減小粗集料中的細(xì)集料含量（即CA比減小），可使混合料中的VMA減小。

4.3逐級(jí)填充試驗(yàn)

由粒子干涉理論，在兩級(jí)集料粒徑倍數(shù)≤2的條件下，較小粒徑的集料以一定比例摻入較大粒徑的集料后，必將對較大粒徑的集料同時(shí)產(chǎn)生撐持及填充，撐持體現(xiàn)在混合料中上一檔集料的間隙率增加，而填充則體現(xiàn)在混合料總的空隙率減小。為探究各級(jí)集料的撐持與填充狀況，對級(jí)配3進(jìn)行了逐級(jí)填充試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下：

1）取16～19mm的集料分別進(jìn)行松裝、插搗、振動(dòng)及預(yù)估瀝青含量下的GTM旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，計(jì)算各種不同成型方式下集料間隙率VV16；

2）取13.2～16mm的集料按比例摻入16～19mm的集料中并分別進(jìn)行松裝、插搗、振動(dòng)及預(yù)估瀝青含量下的GTM旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，計(jì)算各成型方式下混合料的集料空隙率VV13.2；

3）取9.5～13.2mm的集料按照步驟2進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算各成型方式下的集料空隙率VV9.5；

4）依次進(jìn)行填充試驗(yàn)，直至填充至礦粉并計(jì)算空隙率VV0。

試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8　不同作用方式下集料分級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果

無論何種作用方式，對于最大粒徑為16～19 mm的集料，當(dāng)摻入13.2～16 mm及9.5～13.2 mm的集料后混合料VV變化不大。表明13.2mm及9.5mm的集料對上一檔集料主要起撐持作用，而填充作用較弱。當(dāng)填入4.75 mm及以下集料時(shí)，填充作用明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)在從VV9.5開始，不同粒徑的集料填入后，VV持續(xù)減小，直至VV0。表明無論何種成型方式，填充與撐持作用有相同的規(guī)律，即1/2D的集料對上一檔集料有明顯的填充作用。

未加瀝青時(shí)，混合集料的松裝、插搗及GTM旋轉(zhuǎn)的VV有基本相同的變化趨勢。表明對于未加瀝青的混合料，不同成型方式下混合料VV有系統(tǒng)差。但加入瀝青后，在GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)作用下，隨著各檔集料的加入，VV下降速率明顯大于未加入瀝青的混和集料在各種成型方式下的VV且隨著粒徑較小的集料的逐級(jí)加入，VV差值也越大。

對于瀝青混合料這種散粒體材料，在膠結(jié)料性質(zhì)相同的條件下，集料的空間排列狀態(tài)無疑成為影響其力學(xué)性質(zhì)的決定性因素。而VV的大小及其變化規(guī)律則可以間接反映集料空間排列狀態(tài)（至少可以直觀反映集料排列緊密程度）。由VV變化規(guī)律可知，加入瀝青后混合料的集料空間結(jié)構(gòu)與未加瀝青的混和集料的空間結(jié)構(gòu)有很大差異。因此如用未加瀝青的混和集料的某種體積參數(shù)或力學(xué)指標(biāo)（如CBR等）為判據(jù)優(yōu)化瀝青混合料級(jí)配，那么根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，加入瀝青后，混合料中的集料空間結(jié)構(gòu)與優(yōu)化的混和集料的空間結(jié)構(gòu)是不同的，而此時(shí)混合料的空間結(jié)構(gòu)是否最優(yōu)確實(shí)應(yīng)繼續(xù)探討。

5　不同級(jí)配瀝青混合料路用性能

5.1高溫抗車轍能力

最佳油石比、GTM密度下60℃車轍試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9　不同級(jí)配車轍試驗(yàn)結(jié)果

1）粗集料含量的影響。細(xì)集料含量與瀝青混合料高溫抗車轍能力呈二次曲線相關(guān)且車轍深度與動(dòng)穩(wěn)定度也有較好的相關(guān)性，即車轍深度越小的級(jí)配動(dòng)穩(wěn)定度越高。因此對于瀝青混合料，存在一個(gè)適度的粗集料用量。粗集料含量過多，混合料中的細(xì)集料難以緊密填充粗集料骨架空隙從而導(dǎo)致混合料空隙率過大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小；粗集料含量過少，混合料難以形成嵌擠結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)變小。對于本次研究對象，當(dāng)4.75 mm通過率為40%，即粗集料含量為60%時(shí)，混合料抗車轍能力最強(qiáng)。因此只有粗細(xì)集料比例合理，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，才能獲得較高的動(dòng)穩(wěn)定度。

2）粗集料級(jí)配的影響。粗集料含量及細(xì)集料級(jí)配一定，粗集料級(jí)配對瀝青混合料高溫抗車轍能力有顯著影響，表現(xiàn)為粗集料中的細(xì)集料含量過多或過少均對抗車轍能力產(chǎn)生不利影響。

5.2水穩(wěn)定性

通過凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10　不同級(jí)配凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

對于本次研究對象，劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比與細(xì)集料含量及空隙率大小存在良好的相關(guān)性，細(xì)集料含量增大，空隙率降低，劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比增加。這是因?yàn)閮鋈谂言囼?yàn)實(shí)際上是反映試件的抗凍能力。只要試件的空隙率小且不連通，水難以進(jìn)入試件內(nèi)部通過凍融循環(huán)對強(qiáng)度造成破壞，混合料的凍融殘留強(qiáng)度比就大。而細(xì)集料含量的大小對凍融劈裂殘留強(qiáng)度比的影響同樣是通過空隙率反映出來的，而空隙率卻是密度的導(dǎo)出值，因此在配合比設(shè)計(jì)合理的前提下，提高或保證路面的壓實(shí)度是提高路面耐久性的有效途徑，那種認(rèn)為瀝青混合料應(yīng)該具有一定空隙率（比如4%）的觀點(diǎn)顯然缺乏理論依據(jù)和科學(xué)試驗(yàn)的驗(yàn)證。

5.3抗滑能力

表面層直接接受交通荷載作用，由于車速高，因此表面層在綜合考慮高溫抗車轍及抗水破壞能力的前提下應(yīng)考慮抗滑性能。

不同級(jí)配車轍試件的構(gòu)造深度及擺值，見表11。

表11　不同級(jí)配抗滑能力

試驗(yàn)結(jié)果表明，細(xì)集料含量與抗滑能力有顯著相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為細(xì)集料含量越多，構(gòu)造深度與擺值越小，瀝青混合料抗滑能力越小。

6　AC-16型瀝青混合料優(yōu)化級(jí)配范圍

根據(jù)所研究級(jí)配在最佳瀝青用量、GTM旋轉(zhuǎn)密度下的混合料路用檢測結(jié)果：級(jí)配3具有較好的高溫抗車轍能力、較好的抗水破壞能力及抗滑性能，據(jù)此提出各種路用性能協(xié)調(diào)性較好的AC-16型瀝青混合料優(yōu)化級(jí)配范圍見表12。

表12　AC-16型瀝青混合料的優(yōu)化級(jí)配范圍mm

7　結(jié)論

1）與4.75mm通過率對混合料密度影響相比，粗集料組成對混合料密度影響更大，表現(xiàn)為CA比越大，混合料密度越小。

2）增加粗集料中的細(xì)集料含量，可使瀝青混合料VMA增加。如減小粗集料中的細(xì)集料含量（即CA比減小），可使混合料中的VMA減小。

3）逐級(jí)填充試驗(yàn)表明：無論何種成型方式，填充與撐持作用有相同的規(guī)律，即1/2D的集料對上一檔集料有明顯的填充作用；未加瀝青時(shí)，混合集料的松裝、插搗及GTM旋轉(zhuǎn)的VV有基本相同的變化趨勢，三條曲線基本平行，表明對于未加瀝青的混合料，不同成型方式下混合料VMA有系統(tǒng)差。但加入瀝青后，在GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)作用下，隨著各檔集料的加入，VV下降速率明顯大于未加入瀝青的混和集料在各種成型方式下的VV且隨著粒徑較小的集料的逐級(jí)加入，VV差值也越大。

4）對于本次研究對象，當(dāng)4.75 mm通過率為40%，即粗集料含量為60%時(shí)，混合料抗車轍能力最強(qiáng)，粗集料中的細(xì)集料含量過多或過少均對抗車轍能力產(chǎn)生不利影響；劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比與細(xì)集料含量及空隙率大小存在良好的相關(guān)性，細(xì)集料含量增大，空隙率降低，劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比增加；細(xì)集料含量與抗滑能力有顯著相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為細(xì)集料含量越多，構(gòu)造深度與擺值越小，瀝青混合料抗滑能力越小。

[1]周衛(wèi)峰.基于GTM的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

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[3]JTGE 20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.019

□李源淵/天津市市政工程研究院。

□U414

□C

□1008-3197（2015）02-49-05

□2015-01-15

□滕川/女，1962年出生，高級(jí)工程師，天津市市政工程研究院，從事工程技術(shù)管理工作。