朱 昆， 扈惠敏

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著高速公路路齡的增長，道路基層的維修量逐漸增大，大粒徑瀝青混合料在基層病害維修中所占比例越來越大。當(dāng)基層出現(xiàn)縱向裂縫時，在車輛荷載作用下，瀝青層承受的剪應(yīng)力顯著增大［1］。不同級配對瀝青混合料的抗剪切能力不同，即抗裂性能差異較大。針對瀝青混合料的低溫抗裂性能，通常研究其低溫抗彎拉能力［2］。本文針對帶裂縫基層維修中應(yīng)用的大粒徑瀝青混合料，從抗剪切能力角度，提出級配優(yōu)化設(shè)計方法。

1 原材料組成與特性

（1）瀝青。試驗采用的道路石油瀝青，其主要技術(shù)性質(zhì)見表1所列。

（2）集料。試驗采用的集料為石灰?guī)r，各檔集料規(guī)格如下：1＃為20～37.5mm，2＃為19～26.5mm，3＃為10～20mm，4＃為5～10mm，5＃為0～3mm。集料壓碎值為16.6%，沖擊值為9.1%，堅固值為3.1%。1?！?＃集料中針片狀顆粒質(zhì)量分數(shù)分別為：2.749%、2.734%、2.746%、2.737%。1＃～5＃集料的表觀密度分別為：2.749、2.734、2.746、2.737、2.691g／cm2。

礦粉為石灰?guī)r磨制的石粉，其表觀密度為2.750g／cm2。

各檔集料通過篩孔百分率見表2所列。

表1 瀝青的技術(shù)指標試驗結(jié)果

表2 各檔集料通過篩孔百分率 %

2 級配設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

通過采用穩(wěn)定骨架型級配，可實現(xiàn)大粒徑瀝青碎石材料強度與抗裂性能的優(yōu)化，問題的焦點集中在碎石級配設(shè)計方法與指標上。以往對于大粒徑瀝青碎石或瀝青碎石級配設(shè)計方法的研究都注重體積指標，本文不僅注重體積指標，同時考慮抗剪強度。級配研究關(guān)注如下3個方面：① 不同骨架類型的比較；② 不同細集料用量的比較；③不同級配的空隙率及抗剪強度指標?？辜羟行阅茉u價采用單軸貫入法［3－8］。貫入法試件尺寸與大馬歇爾試件相同。

2.2 粗集料級配

2.2.1 一級骨架設(shè)計

一級骨架是由37.500～19.000mm顆粒與19.000～9.500mm顆粒組成的骨架結(jié)構(gòu)，首先確定兩者用量比例。試驗擬定比例分別為25∶75、30∶70、35∶65、45∶55、60∶40、65∶35，形成6種級配，分別表示為：1－1，1－2，…，1－6。為使試件成型加入4＃集料，其占集料總質(zhì)量的5%。

本試驗按擊實法成型各組大馬歇爾試件時，油石比與礦粉用量均為3%。通過測試試件空隙率及貫入試驗強度指標判定最佳比例。貫入試驗的瀝青碎石6種級配曲線如圖1所示，其中篩孔號1～12分別對應(yīng)篩孔0.075、0.150、0.300、0.600、1.180、2.360、4.750、9.500、13.200、19.000、26.500、31.500mm，下文同此。

圖1 一級骨架設(shè)計級配曲線

每組級配成型3個標準大馬歇爾試件［9］，試件空隙率見表3所列。

表3 一級骨架設(shè)計馬歇爾試件空隙率 %

將試件放入－5℃的低溫環(huán)境箱中6h后，進行單軸貫入試驗，試驗儀器為路強儀。試驗采集位移－壓力曲線如圖2所示，試驗結(jié)果見表4所列。

圖2 單軸貫入位移－壓力曲線

表4 一級骨架設(shè)計貫入試驗破壞荷載與位移

依據(jù)單軸貫入最大荷載及試件孔隙率指標，一級骨架37.500～19.000mm 顆粒與19.000～9.500mm顆粒的最佳比例確定為45∶55。

2.2.2 二級骨架設(shè)計

二級骨架設(shè)計主要是在一級骨架的基礎(chǔ)上，確定37.500～26.000mm顆粒與19.000～26.000mm 顆粒用量比例，試驗選定兩者用量比例分別為30∶70、35∶65、40∶60、45∶55，形成4種級配，分別表示為：1－7，1－8，1－9，1－10。

4組級配曲線如圖3所示。

圖3 二級骨架設(shè)計級配曲線

測試馬歇爾試件空隙率見表5所列。其中1－8級配試件空隙率最小，為25.94%。試驗溫度－5℃，試件單軸貫入試驗結(jié)果見表6所列。

表5 二級骨架設(shè)計馬歇爾試件空隙率 %

表6 二級骨架設(shè)計貫入試驗破壞荷載與位移

數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，37.500～26.000mm 顆粒與19.000～26.000mm顆粒的比例不同，貫入試驗強度不同，隨著骨架中后者增多，強度先增大后減小，兩者比例為35∶65時（編號為1－8），強度最高，而此時試件的空隙率最小。

2.2.3 9.5mm篩孔通過率

骨架結(jié)構(gòu)確定后，還應(yīng)確定形成骨架結(jié)構(gòu)的集料在整個礦料級配中所占的比例，即小于9.500mm顆粒的比例。試驗選定9.500mm通過率分別為27%、31%、35%、38%、42%，形成5種級配，分別表示為：2－1，2－2，…，2－5。5組試件的級配曲線如圖4所示。

圖4 9.500mm通過率下的級配曲線

試件空隙率見表7所列。由于加入了更小粒徑的集料，同粗集料骨架相比，空隙率大幅下降，空隙率約降低10%。隨著骨架中小于9.500mm顆粒的增多，空隙率逐漸減小。試件單軸貫入試驗結(jié)果見表8所列。

表7 9.500mm通過率下的馬歇爾試件空隙率 %

表8 9.500mm通過率下的貫入試驗破壞荷載與位移

試驗數(shù)據(jù)顯示最佳級配編號為2－3，即級配9.500mm最佳通過率為35%，此時空隙率為14.24%。

2.3 細集料級配

在大粒徑瀝青碎石中，細集料起到降低空隙率，增加黏結(jié)力的作用。下面試驗探討細集料用量的影響，4.750mm篩孔通過率選為16%、19%、22%、24%、26%。形成5種級配，分別表示為：3－1，3－2，…，3－5。5 組試驗級配曲線如圖 5所示。

馬歇爾試件空隙率見表9所列。單軸貫入試驗結(jié)果見表10所列。

隨著細集料用量的增加，試件強度先增大后減小，當(dāng)4.750mm通過率24%時，貫入試驗破壞強度最大，此時空隙率指標為14.06%，較為適宜。綜合以上關(guān)于空隙率及抗剪強度的試驗結(jié)果，可得出大粒徑瀝青碎石的級配曲線，如圖6所示。

圖5 考慮細集料用量級配曲線

表9 細集料級配下馬歇爾試件空隙率 %

表10 細集料級配下貫入試驗結(jié)果

圖6 最佳級配曲線

3 級配優(yōu)化前后試驗對比

用本試驗集料來源地施工現(xiàn)場拌制的大粒徑碎石混合料（集料、礦粉、瀝青用量與本試驗相同），制作2組試件，一組采用本文確定的最佳級配，另一組為施工現(xiàn)場未優(yōu)化前的級配，每組3個試件，試驗結(jié)果用于對比級配優(yōu)化的效果，見表11所列。試驗結(jié)果顯示，采用最佳級配的大粒徑瀝青碎石與優(yōu)化前相比，其單軸貫入破壞強度提高16.7%。

表11 破壞荷載與位移對比

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)貫入試驗確定的大粒徑瀝青混合料的最佳級配所成型的馬歇爾試件，其單軸貫入破壞荷載比級配優(yōu)化前的大粒徑瀝青混合料試件大16.7%，抗剪強度明顯提高。

（2）基于抗剪切強度及空隙率指標，采用逐級填充法設(shè)計出的穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)，骨架的級配曲線呈S型。大粒徑瀝青碎石的最優(yōu)級配：19.000mm通過率為70.8%、9.500mm 通過率35%、4.750mm 通過率為23.8%。

（3）試驗所提出來的大粒徑瀝青混合料最佳級配的空隙率為14%，排水性能良好。

（4）通過大粒徑瀝青混合料抗剪切性能的級配設(shè)計，為大粒徑瀝青混合料的抗裂性研究提供了可靠的級配基礎(chǔ)。

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