改進型薄層罩面AC-5瀝青混凝土性能室內試驗研究

李睿　傅琴

摘要：為了探討AC-5瀝青混凝土的路用性能，文章通過結合傳統馬歇爾試驗與肯塔堡飛散試驗、謝倫堡析漏試驗的改進型設計法來確定最佳油石比，并對其性能進行了室內試驗研究。結果表明：（1）以馬歇爾試驗為主，以肯塔堡飛散試驗、謝倫堡析漏試驗為輔的設計方法適用于改進型薄層罩面AC-5最佳油石比的確定及驗證;（2）通過改良的設計方法確定了改進型薄層罩面AC-5的最佳油石比為5.5%;（3）改進型薄層罩面AC-5不僅具有良好的高低溫性能和水穩定性能，而且還能夠提高路面的抗滑能力。

關鍵詞：道路工程;薄層罩面AC-5;改性瀝青混合料;室內試驗;路用性能

中國分類號：U416.03文章標識碼：A

0 引言

隨著國內絕大部分高速公路步入維養時期，越來越多的預防性養護方法應運而生[1-3]。其中，薄層罩面AC-5憑借其使用壽命長、全壽命周期費用低，能形成舒適平坦的行車路面，提供優質的行駛質量及不斷提高行車安全性，同時對原路面的結構也有一定補強作用等諸多優點，近年來受到了更多的關注[4-6]。但是，國內對薄層罩面AC-5的相關研究并不多，應用到實體工程中的成功案例也寥寥無幾[7-9]。同時，目前國內先行標準未對AC-5瀝青混凝土粗細集料的分界篩孔提出明確要求，且其對砂粒式AC-5的空隙率設計要求仍舊依據不同氣候分區籠統地采用3%～6%的選擇范圍[10-12]。而有研究表明空隙率為8%時，薄層罩面AC-5的高低溫性能均能滿足規范要求且具有不錯的抗滲能力[13]。因此，本文將綜合國內外的相關研究資料，優選出改進型薄層罩面AC-5的級配曲線，運用兩種不同的試驗方法確定最佳油石比，并對其路用性能開展室內試驗測試。

1 改進型薄層罩面AC-5瀝青混凝土設計

1.1 原材料

相對于傳統的密實型瀝青混合料，改進型薄層罩面AC-5的空隙率偏大，因此周圍環境中的各種因素譬如水、空氣、行車荷載等對其會產生較大的影響，從而導致用于拌制這種混合料的瀝青對集料要求有很強的粘附力和很好的包裹力，同時抗剝離性也必須滿足較高要求[14]。綜合以上各種因素，本次研究選用的是由中遠海運國際貿易有限公司提供的SBS改性瀝青（I-D）。遵照規范要求的試驗方法對其開展了技術指標測試，試驗結果如表1所示。

1.2 改進型薄層罩面AC-5礦料級配研究

通過收集整理國外薄層罩面AC-5的相關資料，將其與國內的AC-5規范要求進行對比，綜合擬定出改進型薄層罩面AC-5的體積參數范圍，如表5、下頁表6所示。

從表5的級配范圍可以看出，2.36～9.5 mm和0.075 mm篩孔是國外各地區關鍵的控制篩孔，但是國內卻對每級篩孔的通過率都做出了限制，這種做法對于薄層罩面AC-5在國內得以廣泛應用產生的阻礙作用是顯而易見的。因此，基于以上級配范圍的最大公共區域，借鑒連續級配的設計原理對其進行等分，求得優化的級配曲線[15]，如下頁表7所示。

有學者研究發現，連續型礦料級配在摻入改性瀝青當中進行拌制時的最佳油膜厚度為7.00～9.00 [WTBZ]μm[16]。本文采用8.00 [WTBZ]μm的油膜厚度對薄層罩面AC-5擬定級配進行初始瀝青用量的理論計算，然后按照計算得出的初始瀝青用量進行5個級配的馬歇爾試驗并測試其體積參數，試驗結果如下頁表8所示。

表8中的數據表明，級配4的各項指標均能滿足要求且空隙率最接近8%，級配5的空隙率和瀝青用量兩項指標都超出了要求范圍。所以，綜合對比兩種級配之后，對級配4進行微調得到級配6，如表9所示。

對級配6進行馬歇爾試驗并測試其體積參數，試驗結果如表10所示。

表10的數據顯示，級配6的各項體積參數的試驗結果均能滿足前文綜合擬定AC-5的參數范圍。因此，將級配6確定為改進型薄層罩面AC-5的礦料級配。

1.3 改進型薄層罩面AC-5最佳油石比確定方法的研究

瀝青混凝土的路用性能是隨著瀝青用量的多少而變化的，合適的瀝青用量不僅能最大程度地節約成本，而且可以將混合料的優質性能發揮到最大。一般情況下，瀝青混合料的最佳油石比是采用馬歇爾試驗方法來確定的，但是本文采用的改進型薄層罩面AC-5的空隙率達到8%，這已超出規范中規定的空隙率要求范圍，不再屬于傳統密級配瀝青混合料范疇。而大空隙開級配排水式瀝青混合料OGFC的最佳油石比確定方法，采用的是謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗相結合的方式，進行綜合計算得出。因此，本文將基于改進型薄層罩面AC-5的礦料級配，對兩種方法進行比較分析，從而探索出一種更適合改進型薄層罩面AC-5的最佳油石比確定方法。

1.3.1 馬歇爾試驗設計法

以改進后的級配為基礎，在油石比為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%的條件下制作馬歇爾試件。然后對其相關指標分別測試及計算，繪制出油石比與各項指標的關系圖，如圖1～7所示。

（1）按照規范要求，根據圖1～3和圖6中的數據，可得OAC1=（5.8+4.8+5.7+5.7）/4=5.5。

（2）取各項指標滿足要求的油石比最大值及最小值，由圖7可得OAC2=（4.8+6.1）/2=5.45。

（3）綜合OAC1和OAC2的取值，可得最佳油石比OAC=5.5。

因此，由馬歇爾試驗確定的最佳油石比為5.5%。

1.3.2 析漏-飛散試驗設計法

在交通荷載作用下，大空隙瀝青混合料由于瀝青用量或粘結性不足，路面表面集料會發生脫落而散失的情況。針對此類問題，國外研究者專門開發了肯塔堡飛散試驗和謝倫堡析漏試驗。本文研究的改進型薄層罩面AC-5目標設計空隙率8%已經超出我國傳統密級配3%～6%的空隙率范圍，所以借鑒以上兩種試驗來探索改進型薄層罩面AC-5的最佳油石比。以上文確定的礦料級配，按4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%的油石比進行兩項試驗，試驗結果如下頁圖8和圖9所示。

由圖8、圖9可以得到油石比上、下限值分別為5.7%和5.4%，然后取其平均值5.5%為最佳油石比。

由以上兩種設計方法得出的最佳油石比值一致可以看出，無論是比較普及的馬歇爾試驗設計法還是專門為大空隙瀝青混合料研究出的析漏-飛散試驗設計法，其用在改進型薄層罩面AC-5上的效果是殊途同歸的。由此可以看出，傳統密級配瀝青混凝土和大空隙瀝青混凝土的特點在改進型薄層罩面AC-5上都有所體現，所以才會得出最佳油石比一致的結果。然而，大空隙瀝青混凝土的空隙率一般>12%，相對而言8%的空隙率更加接近于密級配瀝青混凝土的空隙率范圍，同時改進型薄層罩面AC-5的礦料級配和體積參數均是基于密級配AC-5瀝青混合料的。所以，建議以馬歇爾試驗設計法為主來確定最佳油石比，以析漏-飛散試驗設計法為輔來驗證最佳油石比。

2 改進型薄層罩面AC-5室內性能試驗

按照5.5%的最佳油石比和前文選出的礦料級配，對改進型薄層罩面AC-5瀝青混合料進行路用性能室內試驗驗證。

（1）高溫性能驗證

車轍試驗結果如表11所示。

由表11可知，其高溫穩定性滿足規范要求。

（2）低溫性能驗證

低溫彎曲試驗結果如表12所示。

由表12可知，其低溫性能良好。

（3）水穩定性能驗證

浸水馬歇爾試驗結果、凍融劈裂試驗結果如表13所示。

由表13可知，其水穩定性滿足規范要求。

（4）疲勞性能驗證

在恒應力控制的連續半正弦波加載模式下，將溫度控制在25 ℃，應力比控制在0.5，加載頻率控制為10 Hz，開展四點小梁彎曲疲勞試驗，試驗結果如表14所示。

由表14可知，其具備一定程度的抗疲勞能力。

（5）抗滑性能驗證

構造深度試驗結果如表15所示。由表15可知，其抗滑性能較好。

（6）抗剝落性能驗證

浸水飛散試驗結果如表16所示。由表16可知，其抗剝落性能良好。

（7）力學性能驗證

單軸壓縮動態模量試驗結果如表17、圖10所示。

據表17和圖10顯示，隨著荷載施加頻率的增大，改進型薄層罩面AC-5的動態模量也是逐漸增大且趨于水平的，這說明常溫下，改進型薄層罩面AC-5具有一定抵抗低頻荷載的能力。

綜合以上試驗結果可知，油石比為5.5%的改進型薄層罩面AC-5不僅具有良好的高低溫性能和水穩定性能，而且還能夠在提升路面抗滑能力方面起到一定作用。

3 結語

本文通過研究整理國內外相關資料，優選出改進型薄層罩面AC-5的級配曲線，運用兩種不同的方法對其最佳油石比的確定進行了研究分析，然后在最佳油石比的條件下對其室內性能試驗進行驗證，得出了以下結論：

（1）改進型薄層罩面AC-5的最佳油石比，建議采用馬歇爾試驗設計法確定，以析漏-飛散試驗設計法用于驗證。

（2）通過傳統馬歇爾試驗方法與析漏-飛散試驗設計法確定了改進型熱拌薄層AC-5最佳油石比為5.5%。

（3）對改進型熱拌薄層AC-5的路用性能進行了室內試驗驗證，發現其不僅具有良好的高低溫性能和水穩定性能，而且還能夠提高路面的抗滑能力。

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作者簡介：

李 睿（1991—），碩士，工程師，主要從事道路工程材料試驗檢測與性能測試工作;

傅 琴（1967—），博士，教授級高級工程師，主要從事公路建設及養護工作。