砂粒式瀝青混凝土的路用性能研究

丁 顥

（山西省公路工程監理技術咨詢有限公司，山西太原 030006）

0 引言

砂粒式瀝青混凝土是指最大粒徑不超過5 mm 的瀝青混凝土[1]，通常被用作路面坑槽修補、微表處、抗滑磨耗層、薄層罩面等，是一種良好的預防性養護材料。

砂粒式瀝青混凝土具有良好的黏彈性和抗滑性能，其路用性能的研究是砂粒式瀝青混凝土作為路用材料應用的關鍵[2-3]。砂粒式瀝青混凝土的路用性能主要包括三點彎曲、間接拉伸、穩定度、殘留穩定度和疲勞壽命[4]。砂粒式瀝青混凝土作為路面材料應用時，其主要受到動態荷載持續作用，因此，砂粒式瀝青混凝土動態路用性能的評價異常重要[5]。三點彎曲和疲勞壽命是瀝青路面設計的基本指標，是路面結構驗收的基本依據，其重要性不言而喻[6]。砂粒式瀝青混凝土的穩定度和殘留穩定度是評價其高溫穩定性和水穩定性的重要指標，是路用性能評價時必不可少的檢測指標[7]。對于瀝青混凝土的路用性能，國內外學者通常采用萬能材料試驗機進行砂粒式瀝青混凝土路用性能的評價。如葛洲壩集團交通投資有限公司崔培強[8]等利用萬能材料試驗機對橡膠瀝青透水混凝土的路用性能進行了評價，發現顆粒化橡膠粉的加入會顯著增加瀝青混合料的浸水穩定度和凍融劈裂強度，使路用性能顯著提升。中交路橋華南工程有限公司萬寧等[9]借助萬能材料試驗機對聚氨酯/環氧樹脂改性瀝青混合料路用性能進行了研究，發現聚氨酯/環氧樹脂會使瀝青混凝土馬歇爾動穩定度增加2～6 倍，且會大幅提升瀝青混凝土的高溫抗車轍性能。雖然目前有大量針對瀝青混凝土路用性能的評價研究，但是利用正交試驗方法研究多因素耦合作用下砂粒式細集料瀝青混凝土的路用性能卻鮮有報道。

砂粒式瀝青混凝土的路用性能受溫度、壓力和輻照等多重因素的影響，因此分析多因素耦合作用下砂粒式細集料瀝青混凝土的路用性能具有重要意義，本文利用正交試驗方法分析上述因素對路用性能的影響程度，并評價其相關性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用SBS 改性瀝青，其25 ℃針入度為68 dmm，軟化點58 ℃，5 ℃延度42 cm。集料分別選用花崗巖、輝綠巖、煤矸石，其中花崗巖的表觀相對密度為2.651 2 g/cm3，輝綠巖的表觀相對密度為2.542 8 g/cm3，煤矸石的密度為2.756 2 g/cm3。礦粉填料優選石灰石類型。

1.2 試驗方法

統一花崗巖、輝綠巖、煤矸石3 種集料的合成級配，砂粒式瀝青混凝土級配具體如圖1 所示，油石比選用7.0。采用萬能材料試驗機測試砂粒式瀝青混凝土的三點彎曲和動態模量。采用馬歇爾壓力機測試砂粒式瀝青混凝土的動穩定度和殘留穩定度。采用模型箱模擬砂粒式瀝青混凝土的高溫高壓輻照影響，其中溫度設定為60 ℃、壓力為2.1 MPa、輻照強度為56 W/m2。

圖1 砂粒式瀝青混凝土的級配曲線

2 結果與討論

2.1 正交試驗設計

針對砂粒式瀝青混凝土路用性能的主要影響因素進行匯總并擇優選取不同集料、溫度、壓力、輻照強度4 個關鍵因素。因素水平為集料類型（花崗巖、輝綠巖、煤矸石）、溫度（-10 ℃，25 ℃，60 ℃）、壓力（1 MPa，2 MPa，2.1 MPa）、輻照強度（0 W/m2，20 W/m2，56 W/m2）。根據試驗變量和因素水平采用L9（34）正交表，如表1所示。

表1 砂粒式瀝青混凝土路用性能評價L（934）正交表

參照正交表進行砂粒式瀝青混凝土間接拉伸試驗，結果如表2 所示。6 號樣品動態模量最大，其次為1號樣品，5 號樣品動態模量最小，所用試驗條件對砂粒式瀝青混凝土動態模量的影響最大。

表2 砂粒式瀝青混凝土間接拉伸試驗的動態模量 單位：MPa

借助極差分析評價砂粒式瀝青混凝土的動態模量影響因素的主次順序。由表3 可知，不同溫度下砂粒式瀝青混凝土的動態模量極差最大，為3 600 MPa；不同壓力和輻照強度下砂粒式瀝青混凝土的動態模量極差居中，分別為2 603 MPa 和3 020 MPa。結果表明：溫度、壓力和輻照強度對砂粒式瀝青混凝土動態模量的影響順序為：溫度＞輻照強度＞壓力。

2.2 輻照強度對砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度的影響

如圖2 所示，輻照強度對砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度有顯著影響，當輻照強度升高至20 W/m2時，砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度減小。具體表現為：當輻照強度由0 W/m2上升至20 W/m2時，輝綠巖和煤矸石砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度變化不大，而花崗巖砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度變化較大；當輻照強度升高至56 W/m2時，砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度發現顯著變化，這表明砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度具有選擇性。由此可知，輻照強度對砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度具有顯著影響。

圖2 砂粒式瀝青混凝土的三點彎曲強度

2.3 高溫高壓輻照多因素對砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度的影響

如表4—表6 所示，低溫和高壓均會使花崗巖砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度降低，室溫下花崗巖砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度最高。高溫對花崗巖砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度影響最嚴重，室溫對花崗巖砂粒式瀝青混凝土影響最小。高溫會使花崗巖砂粒式瀝青混凝土的路用性能降低，高壓、輻照均可使花崗巖砂粒式瀝青混凝土的路用性能增加。

表4 -10 ℃花崗巖砂粒式瀝青混凝土的三點彎曲強度 單位：MPa

表5 25 ℃花崗巖砂粒式瀝青混凝土的三點彎曲強度 單位：MPa

表6 60 ℃花崗巖砂粒式瀝青混凝土的三點彎曲強度 單位：MPa

2.4 砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點彎曲強度對比分析

如圖3、圖4 所示，對比不同溫度、輻照作用下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點彎曲強度結果發現，砂粒式瀝青混凝土間接拉伸模量和三點彎曲模量相差不大，高溫條件下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸模量和三點彎曲模量擬合度最好，其次為低溫條件下砂粒式瀝青混凝土，室溫條件下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點彎曲模量擬合度最差。對比不同輻照下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點彎曲強度結果發現，高光下砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度更趨近于低壓砂粒式瀝青混凝土間接拉伸強度，且砂粒式瀝青混凝土強度隨著壓力的增加呈現出下降趨勢，但曲線線型較好，擬合度好。結果表明，砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點彎曲強度存在一定的擬合度。

圖3 不同溫度作用下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點彎曲強度對比

圖4 不同輻照作用下砂粒式瀝青混凝土間接拉伸和三點彎曲強度對比

利用數理統計方法T 檢驗對砂粒式瀝青混凝土路用性能進行分析，結果如表7 所示。砂粒式瀝青混凝土間接拉伸模量和三點彎曲模量T 檢驗的p值均小于0.005，其中三點彎曲的均值、T 統計量大于間接拉伸。結果表明，在指定置信區間內，砂粒式瀝青混凝土的路用性能存在一定的關聯性。

表7 數理統計結果

2.5 砂粒式瀝青混凝土穩定度和殘留穩定度

砂粒式瀝青混凝土穩定度和殘留穩定度試驗方法依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2019 進行。砂粒式瀝青混凝土穩定度和殘留穩定度結果如圖5 所示，花崗巖砂粒式瀝青混凝土的穩定度最大，為11.8 kN，輝綠巖瀝青混合料的穩定度其次，煤矸石砂粒式瀝青混凝土的穩定度最小。

圖5 砂粒式瀝青混合料的動穩定度和殘留穩定度

由此可知，花崗巖砂粒式瀝青混凝土的高溫穩定性最好，其次是輝綠巖砂粒式瀝青混凝土，最后才是煤矸石砂粒式瀝青混凝土。砂粒式瀝青混凝土殘留穩定度結果顯示，輝綠巖和煤矸石砂粒式瀝青混凝土的殘留穩定度較大，水穩定性較好，而花崗巖砂粒式瀝青混凝土的殘留穩定度較小，水穩定性則較差。穩定度和殘留穩定度均滿足規范要求。

3 結論

借助萬能材料試驗機對砂粒式瀝青混凝土進行三點彎曲、間接拉伸、穩定度等路用性能研究，得出以下結論：

a）溫度、壓力和輻照強度對砂粒式瀝青混凝土間接拉伸強度的影響順序為：溫度＞輻照強度＞壓力。

b）低溫、高壓均會使砂粒式瀝青混凝土三點彎曲強度降低，路用性能也降低。

c）在指定置信區間內，砂粒式瀝青混凝土的路用性能存在一定的關聯性。