級配參數對瀝青穩定碎石基層性能的影響研究*

張秋菊 劉禮輝 鐘昆志 孫玉蛟 黃曉明,4

(1.東南大學交通學院 南京 211189； 2.云南賓鶴高速公路投資開發有限公司 大理 671500；3.中建科技集團有限公司四川分公司 成都 610000；4.道路交通工程國家級實驗教學示范中心(東南大學) 南京 211189)

半剛性基層瀝青路面是我國高速采用最多的路面結構形式，具有強度高、整體性好，以及造價相對較低等優點[1]。然而，半剛性基層瀝青路面結構在使用過程中易出現反射裂縫、唧泥等病害[2]。為了彌補半剛性基層的不足，以瀝青穩定碎石基層為代表的柔性基層應運而生[3]。

瀝青穩定碎石基層由粗集料構建骨架結構，通過粗集料之間的嵌擠保證結構的穩定性，由細集料、填料和瀝青填充骨架之間的空隙，滿足其抗沖刷和抗疲勞性能要求[4]。級配的選取對瀝青穩定碎石基層性能勢必產生重要影響，因此，有必要對級配對瀝青穩定碎石性能的影響進行深入研究，以保證瀝青穩定碎石基層在推廣應用過程中的質量和穩定性。

目前常用的級配設計評價方法有規范法(馬歇爾法)、Superpave法、主骨架空隙體積填充法(CAVF法)和貝雷法4種。其中貝雷法是美國伊利諾伊州交通部Robert D.Baily發明的一套確定瀝青混合料級配設計的方法，貝雷法提出了3個重要指標CA比、FAc和FAf[5]。采用CA比指標對粗集料級配進行約束，主要是從集料的離析的壓實方面進行考慮。貝雷法要求CA比為0.4～0.8。根據美國的研究經驗可知，當CA比大于1時，混合料不能形成良好的骨架結構，當CA比小于0.4時，混合料容易產生離析并難以壓實。FAc主要作為細集料中的粗細分界點，用于確定細集料中較粗的部分與較細的部分之間的比例關系。FAc和FAf取值應小于0.5，以滿足良好的密實性和施工和易性[6]。

本文采用馬歇爾配合比設計方法設計不同級配的瀝青穩定碎石基層混合料，然后采用貝雷法的3個重要指標CA比、FAc和FAf分別對瀝青穩定碎石基層混合料的級配進行評價，獲得對應級配參數。然后采用車轍試驗、浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗分別測得瀝青穩定碎石基層的動穩定度、殘留穩定度和凍融劈裂強度比，最后采用回歸分析構建貝雷法3個指標與瀝青穩定碎石高溫穩定性和水穩定性之間的關系，以便為瀝青穩定碎石基層的推廣應用提供參考依據。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1瀝青

試驗所用瀝青為70號基質瀝青，按照規范[7]，對瀝青的性能指標進行測試，相關指標見表1。

表1 瀝青基本指標

1.1.2集料和填料

試驗所用集料為石灰巖，按照規范[8]方法對集料和填料的性能進行測試，相關指標見表2和表3。

表3 礦粉基本指標

1.2 配合比設計

以ATB-25級配為基礎對瀝青穩定碎石基層級配進行設計。以使混合料骨架密實為原則按一定比例對各檔集料進行摻配，采用計算法在統一的油膜厚度下計算相應級配瀝青穩定碎石的油石比。一共選取5種不同級配的ATB-25瀝青穩定碎石進行配合比設計，5種級配見圖1，各自對應的配合比相關體積指標及規范標準[9]見表4。

圖1 瀝青穩定碎石級配曲線

表4 配合比體積指標

1.3 貝雷法級配評價

按照貝雷法的相關要求，可以分別按照式(1)～(3)計算級配的CA比、FAc和FAf。

(1)

(2)

(3)

式中:PNMPS/2為最大公稱尺寸的1/2所對應的篩孔的通過率，%；PPCS為關鍵篩孔(與最大公稱尺寸22%相近尺寸篩孔)通過率，%；PFAC為PCS篩孔22%相近尺寸篩孔通過率，%；PFAF為FAC篩孔22%相近尺寸篩孔通過率，%。

1.4 路用性能試驗

成型車轍板試件和大型馬歇爾試件，測試瀝青穩定碎石混合料的高溫抗車轍性能和水穩定性能，分別以動穩定度、浸水殘留穩定度和凍融劈裂強度比為評價指標評價其高溫抗變形能力和抗水損壞能力。

2 試驗結果與討論

2.1 級配參數的計算

表5 貝雷法3項指標計算結果

2.2 路用性能試驗結果

采用車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對瀝青穩定碎石基層混合料的動穩定度、浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度進行測試。試驗結果見表6。

表6 路用性能指標試驗結果

成型車轍板試件時，將瀝青穩定碎石基層混合料拌和后采用30 cm×30 cm×5 cm的車轍板模具通過輪碾法成型車轍板試件。成型大型馬歇爾試件時，將瀝青穩定碎石基層混合料拌和后采用內徑(152.4±0.2) mm的試模雙面擊實112次得到高(95.3±2.5) mm的大型馬歇爾試件。

2.3 級配參數和路用性能的關系

將各種級配瀝青穩定碎石的CA比、FAc、FAf和動穩定度、殘留穩定度、凍融劈裂強度比采用回歸分析進行擬合，擬合結果見圖2、圖3和圖4。

圖2 CA比與路用性能的關系

圖3 FAc與路用性能的關系

圖4 FAf與路用性能的關系

由圖2可知，CA比與殘留穩定度的相關性強，而與動穩定度和凍融劈裂強度比的相關性較差；由圖3可知，FAc與動穩定度和殘留穩定度的相關性強，與凍融劈裂強度比的相關性較差；由圖4可知，FAf與殘留穩定度的相關性強，而與動穩定度和凍融劈裂強度比的相關性較好。這說明在一定程度上，可以根據上述擬合過程中得到的擬合公式，通過級配設計階段得到的FAc和FAf預估瀝青穩定碎石混合料的動穩定度，通過CA比、FAc和FAf預估瀝青穩定碎石混合料的殘留穩定度，通過FAf預估瀝青穩定碎石混合料的凍融劈裂強度比。

3 結語

通過制備不同級配的瀝青穩定碎石基層混合料，研究了貝雷法的3個級配評價指標CA比、FAc、FAf與瀝青穩定碎石基層混合料的動穩定度、殘留穩定度和凍融劈裂強度比的相關性，得到的主要結論如下。

1) 瀝青穩定碎石基層混合料級配的變化將對其動穩定度、殘留穩定度和凍融劈裂強度產生明顯影響，在級配設計階段，需要選取合理的級配，以保證最終獲得的瀝青穩定碎石基層混合料的路用性能。

2)CA比與殘留穩定度的相關性強，而與動穩定度和凍融劈裂強度的相關性較差；FAc與動穩定度、殘留穩定度的相關性強，與凍融劈裂強度比的相關性較差；FAf與殘留穩定度的相關性強，而與凍融劈裂強度比和動穩定度的相關性較好。

3) 在級配設計階段，可以通過貝雷法采用CA比、FAc和FAf對瀝青穩定碎石基層混合料的動穩定度、殘留穩定度和凍融劈裂強度比進行預估，對級配進行優選，選擇CA比和FAf較大、FAc較小的級配，從而保證瀝青穩定碎石基層混合料的路用性能。