集料骨架強度對瀝青混合料路用性能的影響分析*

武鐵征

(河南交投沈皖高速公路有限公司， 河南 鄭州 450007)

在日益增多的重載交通作用下，高溫地區(qū)瀝青路面車轍病害嚴重，造成路面行車安全及舒適性嚴重下降。為減少車轍病害，張爭奇等采用SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青及摻加抗車轍劑的方法，從瀝青結(jié)合料的角度提高瀝青混合料的抗高溫變形能力，但造價增大。為不增加工程造價，人們從集料級配組成角度研究提高瀝青混合料抗車轍性能的方法，如李麗民等通過增加粗集料含量和基于密實性優(yōu)化集料級配的方法促使集料形成骨架結(jié)構(gòu)，提高瀝青混合料的抗高溫變形能力。集料與集料接觸形成骨架結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了集料摩阻力，但難以表征該集料間形成的嵌擠力。為此，李平等通過集料貫入試驗，以骨架強度為指標(biāo)評價集料骨架結(jié)構(gòu)。目前對集料骨架強度對瀝青混合料性能影響的研究尚不多見。該文采用集料貫入試驗，以骨架強度為指標(biāo)優(yōu)化集料級配，通過室內(nèi)試驗分析骨架強度對瀝青混合料路用性能的影響，為骨架型瀝青混合料組成設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

1 試驗原材料

1.1 瀝青

試驗采用盤錦70#基質(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)見表1。

表1 70#基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

1.2 集料

集料與礦粉均為石灰?guī)r，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 集料的物理性能指標(biāo)

2 集料級配設(shè)計

2.1 粗集料級配優(yōu)化

粗集料在瀝青混合料中起骨架作用，其級配組成關(guān)系到混合料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為使瀝青混合料具有較高的穩(wěn)定性，以集料骨架強度為指標(biāo)，采用逐級填充法設(shè)計粗集料組成。將設(shè)計的礦質(zhì)混合料裝入15 L容量桶內(nèi)，采用干搗法搗實，利用φ10 cm壓頭

以5 mm/min的速率進行貫入試驗，測定集料骨架強度。在逐級填充過程中，變化兩檔粒徑集料比例，測定不同比例下骨架強度，以集料骨架強度最大值確定兩檔粒徑集料比例；固定確定的兩檔粒徑集料比例作為一大檔集料，新加入一檔粒徑集料，再確定這兩檔粒徑集料比例；以此類推，最終確定粗集料級配組成。各檔粗集料比例確定流程與結(jié)果見表3。

表3 各檔粗集料比例確定流程與結(jié)果

根據(jù)表3，通過逐級填充，采用貫入試驗，以集料骨架強度為指標(biāo)確定的各檔粗集料組成比例為19～26.5 mm∶16～19 mm∶13.2～16 mm∶9.5～13.2 mm∶4.75～9.5 mm=9∶27∶9∶25∶30(百分比)。

2.2 細集料級配優(yōu)化

細集料在瀝青混合料中起填充作用，其級配組成關(guān)系到混合料結(jié)構(gòu)的密實性。以密實性為指標(biāo)，采用逐級填充法設(shè)計細集料組成。在逐級填充過程中，變化兩檔粒徑集料比例，測定不同比例下集料骨架間隙率VCA，以VCA最小值確定兩檔粒徑集料比例；固定確定的兩檔粒徑集料比例作為一大檔集料，新加入一檔粒徑集料，再確定這兩檔粒徑集料比例；以此類推，最終確定細集料級配組成。各檔細集料比例確定流程與結(jié)果見表4。

表4 各檔細集料比例確定流程與結(jié)果

根據(jù)表4，采用逐級填充法，以集料VCA為指標(biāo)確定的各檔細集料組成比例為2.36～4.75 mm∶1.18～2.36 mm∶0.6～1.18 mm∶0.3～0.6 mm∶0.15～0.3 mm∶0.075～0.15 mm=26∶15∶14∶14∶14∶17(百分比)。

2.3 集料級配合成

通過設(shè)置不同粗、細集料比例合成8組集料級配，采用貫入試驗測定集料骨架強度和最佳油石比，結(jié)果見表5。

表5 設(shè)計集料級配及骨架強度

3 骨架強度對路用性能的影響

3.1 對馬歇爾穩(wěn)定度和流值的影響

對8組不同骨架強度的瀝青混合料分別進行馬歇爾試驗，測定其馬歇爾穩(wěn)定度與流值，結(jié)果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知：隨著集料骨架強度的提高，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度增大，流值減小。這主要是因為隨著集料骨架強度的提高，集料內(nèi)部嵌擠作用提高，集料摩阻力增大，瀝青混合料的穩(wěn)定性提高，但限制了其流變性能。說明集料骨架強度對瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果的影響顯著，提高集料骨架強度可提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，但會在一定程度上降低其流值。

圖1 瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度與集料骨架強度的關(guān)系

圖2 瀝青混合料流值與集料骨架強度的關(guān)系

3.2 對高溫穩(wěn)定性的影響

在60 ℃溫度下對8組不同骨架強度的瀝青混合料分別進行車轍試驗，測定其動穩(wěn)定度，結(jié)果見圖3。

圖3 瀝青混合料動穩(wěn)定度與集料骨架強度的關(guān)系

由圖3可知：隨著集料骨架強度的提高，瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大，且增幅較大。這主要是因為隨著集料骨架強度的提高，集料骨架的嵌擠作用限制了集料在車輪作用下的移動，表現(xiàn)為車轍位移降低，動穩(wěn)定度提高。說明集料骨架強度對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響顯著，提高集料骨架強度可顯著增強其抗高溫變形能力，高溫地區(qū)宜采用骨架強度大于14 kN的集料設(shè)計瀝青混合料。

3.3 對低溫抗裂性能的影響

在-10 ℃溫度下對8組不同骨架強度的瀝青混合料分別進行小梁彎曲試驗，測定其最大彎拉應(yīng)變，結(jié)果見圖4。

圖4 瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變與集料骨架強度的關(guān)系

由圖4可知：隨著集料骨架強度的提高，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變降低，但降幅較小且滿足規(guī)范對低溫抗裂性能的要求。這主要是因為隨著集料骨架強度的提高，集料骨架的嵌擠作用在一定程度上限制了瀝青混合料的變形，表現(xiàn)為最大彎拉應(yīng)變降低。說明集料骨架強度對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響顯著，提高集料骨架強度會在一定程度上降低瀝青混合料的抗低溫開裂能力。

3.4 對水穩(wěn)定性的影響

對8組不同骨架強度的瀝青混合料分別進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，測定其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度與集料骨架強度的關(guān)系

圖6 瀝青混合料凍融劈裂強度比與集料骨架強度的關(guān)系

由圖5、圖6可知：隨著集料骨架強度的提高，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比均先提高后降低，但變化幅度較小且滿足規(guī)范對水穩(wěn)定性的要求。這主要是因為隨著集料骨架強度的提高，集料骨架的嵌擠作用在一定程度上增強了瀝青混合料的抗水侵蝕能力，但細集料過少時會減弱其抗水

侵蝕能力。說明集料骨架強度對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響不顯著。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)粗、細集料在混合料中作用的不同，可以集料骨架強度為指標(biāo)優(yōu)化粗集料級配組成，以VCA為指標(biāo)優(yōu)化細集料級配組成。

(2) 集料骨架強度對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響顯著，提高集料骨架強度可有效提高其抗車轍能力，高溫地區(qū)宜采用骨架強度大于14 kN的集料設(shè)計瀝青混合料。

(3) 集料骨架強度對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響顯著，提高集料骨架強度會略微降低瀝青混合料的抗低溫開裂能力。

(4) 集料骨架強度對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響不明顯，提高集料骨架強度會使瀝青混合料抗水損能力先提高后降低，但變化幅度不大。