不同CA 值合成級配的AC-25瀝青混合料性能研究

裴大軍,肖作凱,林振華

(1.湖北武穴長江公路大橋有限公司,武漢430050；2.湖北省路橋集團有限公司,武漢430056；3.武漢理工大學硅酸鹽材料工程研究中心,武漢430070)

瀝青路面以其優良的使用性能在不同等級的道路建設中逐漸占主導地位,但是瀝青路面在鋪筑使用后容易出現車轍、泛油、松散、坑槽等早期損害,嚴重影響公路通行能力、行車安全和投資效益,同時也造成了不良社會影響。引起瀝青路面早期損害的原因眾多,但與瀝青混合料的路用性能密不可分。在瀝青混合料設計階段,瀝青路面的路用性能與瀝青混合料的級配、礦粉用量、瀝青用量以及設計方法等有著直接的關系,因此開展瀝青混合料的配合比優化設計,對提高瀝青混合料的路用性能和使用耐久性有相當重要的意義。當前瀝青路面下面層多采用粗粒徑AC-25瀝青混合料,其施工離析、滲水問題最為突出,嚴重影響瀝青路面施工質量[1,2]。論文將采用貝雷法開展AC-25瀝青混合料合成級配設計,其主要設計思路是利用CA 值優化粗集料組合的最大密實度和骨架嵌擠效果,使瀝青混合料具有良好的抗離析性能和施工和易性,容易壓實,以減少施工離析造成的局部嚴重滲水問題[3-6]。

1 原材料與級配設計

試驗采用AC-25C級配設計,所用原材料如AH-70瀝青、輝綠巖骨料和填料均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的相關技術要求[7]。根據輝綠巖骨料特性和以往類似材料設計經驗,在固定細料用量的情況下選取三個CA 值進行級配優選和對比試驗,分別為級配1的CA 值為0.7,級配2的CA 值為0.78和級配3的CA 值為0.85,具體合成級配見表1。CA 值即粗集料中細料部分含量與粗料部分含量的比,其可對瀝青混合料中粗集料的離析現象與壓實不穩定問題進行約束。CA 比計算公式如下[5]

式中,PD/2為粒徑D/2(D 為最大公稱粒徑)的通過率,%；PPCS為第一控制篩孔(PCS 最大公稱粒徑0.22倍)的通過率,%。對于AC-25瀝青混合料,D=25 mm,故D/2取13.2 mm,PCS 取4.75 mm。

表1 不同CA 值的合成級配曲線 /%

2 瀝青混合料的性能試驗對比研究

2.1 旋轉壓實混合料體積性能

表2給出了不同CA 值的瀝青混合料旋轉壓實體積性能的試驗結果。試驗結果表明不同CA 值的合成級配要達到相同的空隙率,油石比有一定差別,其級配2(CA 值0.78)的油石比為4.2,而級配3(CA 值0.85)的油石比卻達到4.5。比較礦料間隙率VMA 發現級配級3最大,其次為級配1,級配2最小；瀝青飽和度VFA 剛好與礦料間隙率VMA 相反,其中級配2最大,級配1最小,產生上述體積性能的變化主要與輝綠巖自身的特性、壓實和級配離最大理論密度線的遠近有關,CA 值越小,粗骨料的骨架作用越強。

表2 不同CA 值級配的旋轉壓實混合料體積性能

2.2 瀝青混合料的構造深度

針對AC-25C級配施工過程中容易產生離析的難題,在級配設計時采用模擬現場成型試件進行構造深度測試,為優選抗離析的級配提供有力的參考數據,不同CA 值合成級配的構造深度值見表3。

表3 不同CA 值合成級配的表面構造深度

雖然現行規范對瀝青路面下面層AC-25的構造深度沒有作具體要求,但是表面構造深度作為是否產生離析具有很好的參考性。一般表面構造深度大的AC 型瀝青混合料,其骨料多,抗離析性能較差,易滲水。對比不同CA 值的三個合成級配,構造深度值最大為級配1(CA 值為0.7),構造深度值最小為級配3(CA 值為0.85),級配2次之。級配1從車轍試件的表面看出有少許離析,級配2和級配3的試件表面很均勻,這與構造深度相吻吻合,表明CA 值越大構造深度越小,越不容易離析,CA 值越小構造深度越大,越易離析[6]。

2.3 瀝青混合料的水穩定性性能

為了評價瀝青混合料的水穩定性,分別采用了馬歇爾殘留穩定度試驗(JTJ 052—2000 T0709)和凍融劈裂試驗(JTJ 052—2000 T0729)兩種試驗方法進行檢測。在標準凍融劈裂試驗的基礎上開展了多次凍融循環下的凍融劈裂強度比試驗,即在-18℃下冰凍16 h和60℃下水浴保溫24 h組成一個循環,共進行4個循環。不同CA 值的瀝青混合料的馬歇爾殘留穩定度試驗結果如圖1所示,三種級配下混合料的殘留馬歇爾穩定度都滿足規范的技術要求,其中級配2(CA 值0.78)時的殘留馬歇爾穩定度值最大,級配1(CA 值0.7)時的殘留馬歇爾穩定度值最小,級配3次之。CA 值不同殘留穩定度有差別,級配1與級配2相比差5.3%。

由圖2可見,不同CA 值三種合成級配的馬歇爾試件劈裂強度比為級配2＞級配3＞級配1,級配2的劈裂強度比為88.6%,而級配1的劈裂強度比只有81.5%,相差7.1%,表明選用合適的級配能夠提高劈裂強度比。

多次的凍融劈裂強度比試驗結果見圖3,不同CA 值的合成級配的瀝青混合料在反復的凍融循環下,凍融試驗的劈裂強度比均有下降的趨勢,但是下降的幅度不同。在第二次凍融循環后,級配1(CA=0.7)、級配3(CA=0.85)的劈裂強度比已不能滿足技術規范要求的不小于75%,其值分別為73.2%、74.1%。從第三次循環開始后,三種級配的試驗結果均低于75%。但比較每次的循環結果,從劈裂強度比數據來看,三種級配的提高效果依次為:級配2＞級配3＞級配1。不同CA 值的三種級配在前兩次循環中級配2(CA值=0.78)的劈裂強度比降低幅度最慢,級配1降低幅度最大,級配3次之,綜上所述,三種級配的輝綠巖瀝青混合料CA=0.78的水穩定性能最好。

2.4 瀝青混合料的高溫穩定性性能

為了更好地評價三種不同CA 值合成級配輝綠巖瀝青混合料的高溫抗車轍性能,開展了常規車轍與浸水車轍試驗,試驗結果如圖4和圖5所示。在常規車轍試驗的對比數據中,動穩定度值的大小排列:級配2(CA 值=0.78)＞級配1(CA 值=0.7)＞級配3(CA 值=0.7)。分析其原因主要是因為級配1有局部離析,雖然嵌擠比較好,但還是影響了動穩定度值；級配3表面均勻,但是粗集料嵌擠不太穩定,45 min后的變形量與其它兩個級配相比要大,從而動穩定度要小。在進行浸水車轍的對比數據中,動穩定度值的大小排列:級配2(CA 值=0.78)＞級配1(CA 值=0.7)＞級配3(CA 值=0.7),變化總趨勢與常規車轍試驗相同,但與常規車轍試驗相比,每種級配的動穩定度值都有不同程度的降低,一般降低300次/mm 左右,說明在有水的條件下輝綠巖的高溫穩定性會變差。

2.5 瀝青混合料的低溫性能

按照瀝青混合料彎曲試驗規程進行,將輪轍成型的試件切割成30 mm×35 mm×250 mm 的小梁,跨徑為200 mm,試驗溫度為-10℃,加載速率為50 mm/min,在UTM 材料萬能試驗機上進行試驗,其試驗結果見圖6。不同CA 值的輝綠巖瀝青混合料的最大彎拉應變大小排列:級配3(CA 值=0.85)＞級配2(CA 值=0.78)＞級配1(CA 值=0.7),最大彎拉應變越大,表明該混合料的低溫性能越好,級配3級配最細,彎拉應變值也最大,級配3在達到相同的空隙率時需要的瀝青用量要大,其對低溫性能貢獻大。

3 結 論

通過貝雷法的CA 值開展了AC-25瀝青混合料的合成級配優化設計,利用旋轉壓實試驗、表面構造深度試驗、水穩定性試驗、車轍試驗和低溫彎曲試驗檢驗不同混合料的相關性能,試驗結果證實貝雷法的CA值可為瀝青混合料提供合理的設計參數,以保證瀝青混合料的嵌擠密實結構和施工和易性。經綜合對比分析,AC-25瀝青混合料的CA 值取0.78時,其各項綜合性能最優,可用于指導施工生產配合比設計。