基于級配優化的AC-16瀝青混合料設計及性能驗證

李 洪 陳 竹

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

礦料的級配組成結構對瀝青混合料的性能起著決定性的作用[1-2]，瀝青混合料高溫抗車轍能力有60%依賴于礦料級配的嵌擠作用，而瀝青結合料的黏結力僅有40%的貢獻[3]。具有較高的密實度且顆粒之間嵌擠良好的瀝青混合料具有良好的高溫穩定性、水穩定性和耐久性，因此，在瀝青混合料級配設計中，提高礦料級配的抗剪切性能和密實度很有必要[4]。

本文分別采用振動密實級配設計方法[5]和多級嵌擠抗剪級配設計方法[6-7]來設計AC-16瀝青混合料礦料級配，并對采用2種級配的AC-16瀝青混合料的路用性能進行對比分析，分析礦料級配對瀝青混合料路用性能的影響。

1 不同級配AC-16瀝青混合料配合比設計

1.1 原材料

瀝青采用殼牌SBSI-C型改性瀝青，主要技術指標見表1，粗集料主要技術指標見表2。

表1 SBS改性瀝青技術指標

表2 粗集料技術指標

細集料由石灰巖碎石加工而成，其中表觀相對密度為2.731，毛體積相對密度為2.614，采用水洗法測得的<0.075 mm顆粒含量為11.4%，指標均符合規范要求；礦粉由5～10 mm石灰巖碎石加工而成，含水率為0.2%，密度為2.683 g/cm3，指標均符合規范要求。

1.2 振動密實級配設計

先將粗集料分別篩為單粒徑，即：2.36，4.75，9.5，13.2，16 mm 5檔顆粒。

1) 13.2 mm填充16 mm。各填充比例下振實密度變化情況見圖1。

圖1 13.2 mm填充16 mm混合料關系圖

由圖1可見，隨著填充比例的增加，振實密度整體呈增加趨勢變化，根據粒子干涉理論可知，13.2 mm大于16 mm檔顆粒的空隙，形成粒子干涉，13.2 mm顆粒會將16 mm顆粒形成的骨架擠開，填充比越大越不利，所以振實密度隨13.2 mm的填充比增大而增大，因此兩者沒有最佳填充比值。在級配設計中，為了防止混合料離析，一般公稱最大粒徑檔顆粒的通過率不小于95%。根據規范中值取m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶11=2.2∶1。

2) 9.5 mm填充m(13.2 mm)∶m(16 mm)=2.2∶1的混合料。各填充比例下振實密度變化情況見圖2。

圖2 9.5 mm填充13.2 mm+16 mm混合料關系圖

由圖2可見，9.5 mm與13.2 mm+16 mm顆粒的振實密度隨集料填充質量比的增大而增大，同時，變化曲線存在3個明顯的波峰。當填充比逐漸增大到20%時，振實密度為3.163 g/cm3，出現第一次波峰；集料填充比為90%時，振實密度為3.321 g/cm3，出現第二次波峰；集料填充比為160%時，振實密度為3.283 g/cm3，出現第三次波峰，因此，此時振實密度達到最大狀態，填充比例為90%，所以9.5 mm檔料的最佳填充質量比為90%，即m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=0.9∶1。

3) 4.75 mm填充m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=0.9∶1的混合料。各填充比例下振實密度變化情況見圖3。

圖3 4.75 mm填充9.5 mm+13.2 mm+16 mm的混合料關系圖

由圖3可見，振實密度隨填充比例的增加整體呈先增加后減小的趨勢變化。當填充比逐漸增大到70%時出現第一個波峰，此時振實密度為3.363 g/cm3；當填充比為160%時出現第二個波峰，此時振實密度為3.342 g/cm3，所以4.75 mm的最佳填充質量比例為70%，即m(4.75 mm)：m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.7∶1。

4) 2.36 mm填充m(4.75 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.7∶1的混合料。各填充比例下振實密度變化情況見圖4。

圖4 2.36 mm填充4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm的混合料關系圖

由圖4可見，振實密度隨填充比例的增加整體呈先增加后減小的趨勢變化。當填充比逐漸增大到40%時出現第一個波峰，此時振實密度為3.412 g/cm3；當填充比為100%時出現第二個波峰，此時振實密度為3.388 g/cm3，此后隨填充比增大，混合料振實密度趨于穩定，所以2.36 mm的最佳填充質量比例為40%，即m(2.36 mm)∶m(4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.4∶1。

綜上可知：m(2.36 mm)∶m(4.75 mm)∶m(9.5 mm)∶m(13.2 mm)∶m(16 mm)=18∶22∶14∶11∶5，各級篩孔通過質量分數比例應為16 mm∶13.2 mm∶9.5 mm∶4.75 mm∶2.36 mm=100∶95∶84∶70∶48∶32，通過微調得到AC-16瀝青混合料合成級配見表3。

表3 AC-16瀝青混合料振動密實級配

1.3 多級嵌鎖抗剪級配設計

同樣先將粗集料分別篩為5檔單粒徑顆粒。

1) 13.2 mm集料填充16 mm。在級配設計中，為防止混合料離析，一般公稱最大粒徑檔顆粒的通過率不小于95%。根據規范中值取m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶9。

2) 9.5 mm集料填充m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶9組成的混合料。不同摻配比例下混合料抗剪模量系數見圖5。

圖5 9.5 mm填充13.2 mm+16 mm時抗剪模量系數圖

由圖5可見，混合料抗剪模量系數隨摻配比例的增加呈先增加后減小的趨勢變化，取m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=4∶6。

3) 4.75 mm集料填充m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=4∶6的混合料。不同摻配比例下混合料抗剪模量系數見圖6。

圖6 4.75 mm填充9.5 mm+13.2 mm+16 mm時抗剪模量系數圖

由圖6可見，取m(4.75 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=5∶5。

4) 2.36 mm集料填充m(2.36 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=5∶5的混合料。不同摻配比例下混合料抗剪模量系數見圖7。

圖7 2.36 mm填充4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm時抗剪模量系數圖

由圖7可知，取m(2.36 mm)∶m(4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=2∶8。

綜上可知，各檔集料的質量比例為：2.36 mm∶4.75 mm∶9.5 mm∶13.2 mm∶16 mm=15∶28∶14∶7∶4，由體積法得出細集料各檔比例，通過微調得到多級嵌擠AC-16瀝青混合料合成級配見表4。

表4 AC-16瀝青混合料多級嵌鎖抗剪級配

對比2個級配可知，振動密實級配與多級嵌鎖抗剪級配的主要差別在于前者2.36～4.75 mm檔料質量比例明顯大于后者，而大量研究成果表明，由于2.36～4.75 mm檔料易將混合料骨架結構撐開，因此該檔料是造成礦料不能形成骨架嵌擠結構的關鍵。

1.4 最佳瀝青用量的確定

依據工程經驗，初步確定5個油石比分別為：3.8%，4.3%，4.8%，5.3%，5.8%，對采用2種級配的AC-16瀝青混合料進行馬歇爾試驗，測定各項指標。設計空隙率為4.0%，空隙率范圍為4%～5%。最終確定采用振動密實級配的AC-16瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.8%，采用多級嵌鎖抗剪級配的AC-16瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.7%。

2 路用性能驗證

2.1 高溫穩定性

采用車轍試驗和直接剪切試驗評價AC-16瀝青混合料的高溫穩定性，車轍試驗采用JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》規定的標準試驗方法；直接剪切試驗在60 ℃條件下進行，加載速率取為50 mm/min，試驗結果見表5。

表5 AC-16瀝青混合料車轍試驗和直接剪切試驗結果

由表5可見，采用多級嵌鎖抗剪級配的AC-16瀝青混合料的動穩定度和抗剪強度分別為6 344次/mm和1.173 MPa，較采用振動密實級配的AC-16瀝青混合料的5 236次/mm和1.017 MPa分別增加了21%和15%，說明采用多級嵌擠抗剪級配的AC-16瀝青混合料具有更好的高溫穩定性，究其原因在于多級嵌鎖抗剪級配可以使得礦料之間形成更好的嵌擠作用，而振動密實級配則更強調瀝青混合料的密實性。

2.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性采用低溫彎曲試驗來評價，實驗按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》 規定的標準試驗方法。由試驗結果可知，采用振動密實級配AC-16瀝青混合料的破壞應變為3 761 ×10-6，較采用多級嵌鎖抗剪級配AC-16瀝青混合料的3 218×10-6增加了17%，說明采用振動密實級配的AC-16瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性，這與采用振動密實級配的AC-16瀝青混合料擁有更好的密實度和更大的瀝青用量有關。

2.3 水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗來評價AC-16瀝青混合料的水穩定性，同樣按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》 規定的標準試驗方法進行試驗，結果表明，采用振動密實級配AC-16瀝青混合料的殘留穩定度為91.7%，較采用多級嵌鎖抗剪級配AC-16瀝青混合料的88.6%增加了3個百分點，這同樣與采用振動密實級配AC-16瀝青混合料具有更大的瀝青用量有關。

3 結語

本文分別采用振動密實級配設計法和多級嵌擠抗剪級配設計法進行了AC-16瀝青混合料礦料級配設計，并對采用2種級配的AC-16瀝青混合料的路用性能進行測試，結果表明，采用多級嵌擠抗剪級配的AC-16瀝青混合料具有更好的高溫穩定性，這與其礦料之間更好的嵌擠作用有關，而采用振動密實級配的AC-16瀝青混合料則擁有更好的低溫抗裂性和水穩定性，這與擁有更好的密實度和更大的瀝青用量有關。

[1] 譚憶秋,宋憲輝,紀倫,等.粗集料性能對瀝青混合料高溫性能的影響[J].中國公路學報,2009,22(1):29-33.

[2] 剛增軍.集料顆粒形態特征對瀝青混合料高溫性能的影響[J].筑路機械與施工機械化,2017,34(1):47-51.

[3] 張宜洛.長大縱坡路段瀝青路面行為和混合料設計研究[D].西安：長安大學,2012.

[4] 蔣凱. SBS改性瀝青混合料水穩定性和高溫穩定性試驗研究[D].蘭州：蘭州理工大學,2012.

[5] 王德強.濕熱地區橋面鋪裝動水行為及材料組成設計優化研究[D].西安：長安大學,2011.

[6] 李浩，許新權，劉鋒，等.耐久性瀝青路面結構疲勞壽命對比分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2017，41(6)：1051-1054.

[7] 杜順成,戴經梁.基于散體力學理論的多級抗剪密集配設計方法[J].中國公路學報,2008,21(1):35-37.