基于路用性能的瀝青混合料粉膠比確定方法

曾京松

摘要：為了確定瀝青混合料的最佳粉膠比，文章選定AC-16級(jí)配混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并采用7個(gè)不同粉膠比水平混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性等路用性能指標(biāo)試驗(yàn)，分別根據(jù)粉膠比對(duì)各性能指標(biāo)的影響，確定滿足路用性能指標(biāo)的最佳粉膠比范圍。

關(guān)鍵詞：道路工程;粉膠比;路用性能;瀝青混合料

中圖分類號(hào)：U416.217A050164

0 引言

瀝青混凝土路面由于直接與行車荷載、外界水、溫環(huán)境等直接接觸，其路用性能的優(yōu)劣直接決定著面層各結(jié)構(gòu)層使用壽命。作為典型的粘彈性材料，瀝青膠漿具有較礦物級(jí)配不同的力學(xué)特性[1，2]。粉膠比作為瀝青膠漿的重要表征指標(biāo)，表示礦粉與瀝青之間的相對(duì)比例，其在混合料三級(jí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散體系中起到重要作用。近年來(lái)已有較多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究，但大部分研究均偏向于粉膠比對(duì)瀝青膠漿性能影響[3-10]。而由于混合料研究因素的復(fù)雜性，上述研究均未能較好地將粉膠比對(duì)膠漿性能與混合料路用性能影響進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，為此本文直接將粉膠比與混合料路用性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，以期望能闡明粉膠比對(duì)路用性能的影響規(guī)律，為混合料配合比設(shè)計(jì)提供有效參考。

首先選定某級(jí)配混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，然后擬采用7個(gè)不同粉膠比水平混合料進(jìn)行各項(xiàng)路用性能指標(biāo)試驗(yàn)，分別根據(jù)粉膠比對(duì)各性能指標(biāo)影響確定最佳粉膠比，最后綜合分析確定滿足路用性能指標(biāo)的最佳粉膠比范圍。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

比較瀝青路面各結(jié)構(gòu)層級(jí)配類型，目前高等級(jí)公路上面層一般采用SMA類級(jí)配，中下面層一般采用AC類級(jí)配。考慮SMA類級(jí)配具有礦粉摻量大的特點(diǎn)，若選取SMA類級(jí)配進(jìn)行研究不具備普適性，因此應(yīng)選取中下面層常用的AC類級(jí)配為研究對(duì)象。又由于下面層路用性能要求相對(duì)較低，為此選取中面層常用中粒式密級(jí)配瀝青混合料AC-16進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。然后采用不同水平粉膠比分別進(jìn)行各項(xiàng)路用性能試驗(yàn)，依據(jù)粉膠比對(duì)各性能指標(biāo)的影響規(guī)律確定適宜于瀝青混合料的最佳粉膠比摻量，進(jìn)而為道路工作者配合比設(shè)計(jì)工作提供理論參考。

其中，上述不同水平粉膠比為：0.8～1.4、摻量間隔為0.1，共7個(gè)摻量水平。為減小混合料級(jí)配對(duì)路用性能的影響，進(jìn)行粉膠比摻量變化時(shí)，適當(dāng)調(diào)整各檔集料比例，以保證混合料級(jí)配尤其是0.075 mm通過(guò)率不發(fā)生較大改變。

1.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)配合比精準(zhǔn)控制及便于保證不同粉膠比下級(jí)配一致性的調(diào)整需要，采用單檔集料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)。其中，粗集料采用4.75～19.0 mm各單檔石灰?guī)r粗集料，細(xì)集料采用粒徑規(guī)格為0～2.36 mm、2.36～4.75 mm優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉采用石灰?guī)r研磨礦粉。瀝青采用東海牌AH-70#基質(zhì)瀝青。各原材料均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，混合料配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

1.2 最佳油石比計(jì)算

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

最佳油石比計(jì)算如下：

根據(jù)規(guī)范確定：OAC1=4.675%;根據(jù)規(guī)范規(guī)定各指標(biāo)范圍確定OACmin=4.3%，OACmax=4.8%，計(jì)算得到OAC2=4.55%;故最佳油石比取均值計(jì)算為4.6%。

2 路用性能分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

選取上述7個(gè)水平粉膠比制備瀝青混合料車轍試件，采用標(biāo)準(zhǔn)車轍試件（300 mm×300 mm×50 mm）進(jìn)行60 ℃高溫車轍試驗(yàn)，每組粉膠比混合料進(jìn)行2個(gè)車轍試驗(yàn)取均值。試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

對(duì)圖1～2分析可知：

隨著粉膠比增大，動(dòng)穩(wěn)定度與車轍深度分別呈現(xiàn)明顯“凸型”與“凹形”變化規(guī)律：車轍試件動(dòng)穩(wěn)定度先增大后減小、車轍深度先減小后增大，即混合料高溫穩(wěn)定性先增強(qiáng)再逐漸減弱。其中，當(dāng)粉膠比為1.2時(shí)高溫穩(wěn)定性達(dá)到最佳。這是由于在混合料級(jí)配未發(fā)生變化條件下，混合料高溫穩(wěn)定性主要受瀝青膠漿性能影響。在粉膠比較低時(shí)，瀝青膠漿中自由瀝青與同礦粉混合的結(jié)構(gòu)瀝青同時(shí)存在，礦粉的加入使得結(jié)構(gòu)瀝青較自由瀝青具有一定的“加筋”作用，使得瀝青膠漿粘聚性增強(qiáng)，因而具有較好的抗高溫變形性能。隨著粉膠比摻量繼續(xù)增加，瀝青膠漿中瀝青已不足以完全裹覆礦粉全部形成結(jié)構(gòu)瀝青，導(dǎo)致多余礦粉“游離”于瀝青膠漿內(nèi)部，降低了膠漿粘聚性，進(jìn)而引起高溫穩(wěn)定性逐漸下降。因此配合比設(shè)計(jì)時(shí)，一定范圍內(nèi)可通過(guò)增加礦粉用量提高粉膠比進(jìn)而提高混合料高溫穩(wěn)定性，但不能通過(guò)單獨(dú)增加礦粉用量持續(xù)增強(qiáng)混合料高溫穩(wěn)定性。因此在油石比一定條件下，宜控制0.075 mm通過(guò)率在一定限制范圍內(nèi)。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，粉膠比在1.1～1.3范圍之外時(shí)，混合料動(dòng)穩(wěn)定度接近規(guī)范最小限值1 000次/min，存在不滿足要求風(fēng)險(xiǎn)。因此為保證混合料高溫穩(wěn)定性，粉膠比宜控制在1.1～1.3。

2.2 低溫穩(wěn)定性

選取上述7個(gè)水平粉膠比制備標(biāo)準(zhǔn)小梁試件，將試件于-10 ℃環(huán)境中低溫處理45 min后進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，加載速率選取50 mm/min每組粉膠比小梁進(jìn)行2個(gè)小梁彎曲試驗(yàn)取均值。試驗(yàn)結(jié)果如圖3～5所示。

對(duì)圖3～4分析可知：

（1）隨著粉膠比增大，小梁試件-10 ℃抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉應(yīng)變均呈現(xiàn)“凸型”變化，表明在粉膠比增大初期，混合料低溫穩(wěn)定性逐漸加強(qiáng);粉膠比繼續(xù)增大，-10 ℃抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉應(yīng)變逐漸下降，且抗彎拉應(yīng)變相較抗彎拉強(qiáng)度減小幅度更加顯著。不同的是，抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉應(yīng)變最大值分別出現(xiàn)在粉膠比為1.1和1.0時(shí)。這是由于隨著粉膠比增大，礦粉與瀝青組合成瀝青膠漿體系，密集的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了瀝青的低溫力學(xué)穩(wěn)定性，提高了混合料低溫穩(wěn)定性。粉膠比繼續(xù)增大，礦粉不足以全部被瀝青裹覆形成有效的瀝青膠漿，多余的礦粉并不具備較好的力學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致混合料低溫穩(wěn)定性降低。