瀝青路面表面層混合料的級配組成研究

杜順成，韓 雪

（西安工業大學建筑工程學院，陜西西安 710021）

道路工程

瀝青路面表面層混合料的級配組成研究

杜順成，韓 雪

（西安工業大學建筑工程學院，陜西西安 710021）

試驗通過Superpave的級配設計，運用體積設計法，來試驗出一種具有較高水損害抗剝落性和抗高溫抗車轍能力的級配組成。

瀝青路面表面層；瀝青混合料；體積法；級配組成

1 瀝青混合料體積特性分析

集料組成及其排列情況會使體積特性不同。在SMA中，對粗集料達到骨架結構的要求是混合料的最小間隙率應不大于粗集料的干搗間隙率。同時，對粗骨料間的填料瀝青膠凝漿（礦粉、瀝青、以及細集料）也有一定要求，首先這些間隙填料要具有良好的粘聚力，其次間隙料在對粗骨料不產生干涉的同時能夠充分填充粗集料間的空隙。滿足這些條件的間隙料才能確保混合料具有一定的密實度，才不會對混合料的抗水害、耐久性以及抗疲勞等使用性能產生副作用。

體積設計法的公式是

式中：Mp、Mc、Mf：表示質量百分數，分別為礦粉、粗集料、細集料的質量百分數，%；ρ、ρtf、ρtp：表示密度，分別為粗集料的干搗密度、細集料、礦粉的表觀密度，g／cm3；VCADRC：粗集料的間隙率，%；Ma：油石比，%；ρa：瀝青密度，g／cm3；VV：設計空隙率，%。

將體積設計法運用到瀝青路面表面層的級配組成設計中一方面能使骨架間空隙得到很好的填充；另一方面，充分利用了細集料的粘結特性，發揮了瀝青路面的表面性能。

2 瀝青礦料級配組成設計

2.1 粗骨料級配組成

通過控制變量均勻調節變量差值，對AC-16型的礦料各級粗集料對骨架產生的影響進行對比分析。通過圖表數據分析試驗數據，對比選擇出VCADRC達到嵌擠時粗集料含量。

設計結果見表1和圖1。

表1 各級用量對粗集料間隙率VCADRC的試驗結果

續表1

圖1 粗集料的VCADRC與四種粒徑粗集料相關性分析圖

從圖1中所擬合曲線的相關性可看出：

（1）粒徑為4.75 mm的和VCADRC的曲線最吻合，R2高達0.763 3，將近達高度相關性。當粒徑含量所占百分比達到33.03%時，VCADRC最小，為41.02%；

（2）粒徑為9.5 mm的和VCADRC的曲線吻合度次之，其值為0.340 2，為低度相關。并且隨粒徑含量增量與VCADRC值成正相關性。

（3）16 mm和VCADRC相關性不是很明顯，R2只有0.184 1；

（4）13.2 mm和VCADRC幾乎沒有什么相關性。

根據據粗集料的VCADRC與四種粒徑粗集料相關性分析圖可得知，4.75 mm的含量為33%時，AC-16的級配處于嵌擠狀態。粗集料的級配采用表1中序號3和序號7。

2.2 細集料級配組成

粗細集料的用量計算可采用體積設計法。對于JP1，Mp值取4.4%，Ma值取4.4%，粉膠比值取1.0。對于JP2，Mp值取5.0%，Ma值取4.4%，粉膠比為0.8。對于粗集料選取，JP1取上表2-1中序號3，JP2取表1中序號7的級配組成，并對其進行了微調。設計空隙率VV均取為4。合成級配見表2。

表2 JP1和JP2的合成級配

除此之外，另設計了3種級配JP3、JP4和JP5。其中：

（1）JP3選取superpave-19曲線圖中禁區上線和控制區上限所形成區域的中間值，粗集料所占百分比37.2%；

（2）JP5選取Superpave-19曲線圖中禁區下線和控制區下限所形成區域的中間值，粗集料占百分比54.7%；

（3）JP4選取位于JP3和JP5之間的級配曲線，約占百分比45.5%；細集料部分基本和JP3相同。

5種級配組成見表3和圖2。

表3 5種級配的級配組成

圖2 5種級配曲線圖

3 路用性能對比分析

3.1 最佳瀝青用量的確定

采用《公路工程瀝及瀝青青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中“T 0709-2011瀝青混合料馬歇爾穩定度試驗”的要求進行瀝青混合料的配合比設計。試驗結果見表4。

表4 各級配的物理力學指標

從圖表數據中得知，（1）隨著粗集料含量的降低，最佳油石比大致呈上升趨勢，其原因是因為當粗集料顆粒半徑較大，其表面積與體積比小，同體積的總表面積隨之變小導致附著在表面的瀝青膜也變小；（2）JP1和JP2中，VCAMIX≤VCADRA，說明瀝青路面表面層混合料形成了骨架緊密結構；（3）瀝青混合料JP3級配組成的粗集料大多鑲嵌在瀝青膠漿和細集料中，形成了緊密的懸浮結構。

3.2 水穩定性對比分析

（1）浸水馬歇爾試驗結果見表5。

表5 5種級配馬歇爾殘留穩定度測試結果

（2）試驗結果分析

由表知，對于前兩種設計的級配殘留度，JP1要稍大于JP2；對后三種根據superpave曲線選取的級配，JP5最高，JP4最低。

圖3 殘留穩定度比較

3.3 高溫穩定性對比分析

表6 5種級配的車轍試驗結果

由圖表6數據結果得知，（1）JP1、JP2的動穩定度高于后三種，即抗高溫性能要高。（2）JP3和JP4中，JP4的粗集料含量大于JP3，而JP4的動穩定度要小于JP3。（3）后三種級配動穩定度值中，JP4低于JP3和JP5，能進一步說明S型級配曲線在高溫穩定性方面有缺陷。（4）對相對變形指標數據進行分析可知，其與粗集料含量的關系等同動穩定度與粗集料含量的關系。JP1和JP2的相對變形較低，表明混合料已達到嵌擠狀態。

3.4 抗滑性能對比分析

（1）構造深度

試驗結果見表7。

由表7數據結果得知，①對JP1和JP2進行比較分析，JP2構造深度略小于JP1的，粗集料含量JP2也略小于JP1；②JP3、JP4和JP5相比，構造深度從大到小依次為JP5、JP4、JP3。③JP1、JP2的構造深度明顯大于后者，說明由JP1、JP2級配有較好的表面層抗滑性。

表7 瀝青混合料表面構造深度試驗結果

圖4 構造深度與粗集料含量關系圖

另由圖3數據結果中可得知，構造深度與粗集料含量呈線性關系，相關系數較高。

（2）摩擦系數

試驗結果可見表8。

表8 各級配瀝青混合料摩擦系數測定結果

由表8知，五種級配的摩擦系數差別并不是很大，所以不宜作為區分抗滑性能的依據。由此可推斷出用規程中擺式儀的方法測得數據并不能很好的作為區分不同級配的抗滑性能的指標。此外摩擦系數指標和粗集料含量從表格中也看不出具有一定的相關性。

4 結 論

通過對5種級配進行室內路用性能試驗，主要得到以下結論：

（1）在水穩定性方面，瀝青混合料JP1和JP2均表現較好性能，此外由JP1級配組成的表面層的抗滑性和高溫穩定性能要明顯好于JP2，但由JP2級配組成的表面層的水損害抗剝落性能要高于JP1。因此JP1適合用于溫度較高的地區，如我國的南部；JP2則適合用于較大的氣候范圍。

（2）設計的瀝青混合料JP1和JP2級配組成所形成的表面層路用性能高于其他三種。

（3）粗集料的含量和構造深度存在內在聯系，兩者基本呈線性正相關。

［1］ 許學民，朱浮聲.采用Superpave級配瀝青混合料的路用性能研究［A］.中外公路，2009，（3）：183-186.

［2］ 王端宜，張肖寧，王紹懷.級配對瀝青混合料體積特性的影響［A］.華南理工大學學報，2002，（3）：53-56.

［3］ 李艷春，馮西祿.SMA瀝青混合料級配組成設計理論初探［A］.河北工業大學學報，2003，（3）：72-77.

Study of the gradation design on the top durface layer of asphalt pavement

DU Shun-cheng，HAN Xue
（Architectural Engineering College of xi’an University of Technology，xi’an 710021，China）

And the asphaltmixture gradation composition of the surface layer is one of the important factorswhich influence the performance of road.By drawing the Superpave gradation design method，we use the volume design method to design a graded composition that has the performance of resisting the water damage and the fatigue.

the top durface layer of asphalt pavement；asphalt；volumemethod；Gradation Composition

U414

C

1008-3383（2017）01-0001-03

2016-03-11

杜順成（1978-），男，河南駐馬店人，副教授，博士，研究方向：路基路面工程。