裴大軍,肖作凱,林振華

(1.湖北武穴長江公路大橋有限公司,武漢430050；2.湖北省路橋集團有限公司,武漢430056；3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程研究中心,武漢430070)

瀝青路面以其優(yōu)良的使用性能在不同等級的道路建設(shè)中逐漸占主導(dǎo)地位,但是瀝青路面在鋪筑使用后容易出現(xiàn)車轍、泛油、松散、坑槽等早期損害,嚴重影響公路通行能力、行車安全和投資效益,同時也造成了不良社會影響。引起瀝青路面早期損害的原因眾多,但與瀝青混合料的路用性能密不可分。在瀝青混合料設(shè)計階段,瀝青路面的路用性能與瀝青混合料的級配、礦粉用量、瀝青用量以及設(shè)計方法等有著直接的關(guān)系,因此開展瀝青混合料的配合比優(yōu)化設(shè)計,對提高瀝青混合料的路用性能和使用耐久性有相當重要的意義。當前瀝青路面下面層多采用粗粒徑AC-25瀝青混合料,其施工離析、滲水問題最為突出,嚴重影響瀝青路面施工質(zhì)量[1,2]。論文將采用貝雷法開展AC-25瀝青混合料合成級配設(shè)計,其主要設(shè)計思路是利用CA 值優(yōu)化粗集料組合的最大密實度和骨架嵌擠效果,使瀝青混合料具有良好的抗離析性能和施工和易性,容易壓實,以減少施工離析造成的局部嚴重滲水問題[3-6]。

1 原材料與級配設(shè)計

試驗采用AC-25C級配設(shè)計,所用原材料如AH-70瀝青、輝綠巖骨料和填料均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)技術(shù)要求[7]。根據(jù)輝綠巖骨料特性和以往類似材料設(shè)計經(jīng)驗,在固定細料用量的情況下選取三個CA 值進行級配優(yōu)選和對比試驗,分別為級配1的CA 值為0.7,級配2的CA 值為0.78和級配3的CA 值為0.85,具體合成級配見表1。CA 值即粗集料中細料部分含量與粗料部分含量的比,其可對瀝青混合料中粗集料的離析現(xiàn)象與壓實不穩(wěn)定問題進行約束。CA 比計算公式如下[5]

式中,PD/2為粒徑D/2(D 為最大公稱粒徑)的通過率,%；PPCS為第一控制篩孔(PCS 最大公稱粒徑0.22倍)的通過率,%。對于AC-25瀝青混合料,D=25 mm,故D/2取13.2 mm,PCS 取4.75 mm。

表1 不同CA 值的合成級配曲線 /%

2 瀝青混合料的性能試驗對比研究

2.1 旋轉(zhuǎn)壓實混合料體積性能

表2給出了不同CA 值的瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實體積性能的試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明不同CA 值的合成級配要達到相同的空隙率,油石比有一定差別,其級配2(CA 值0.78)的油石比為4.2,而級配3(CA 值0.85)的油石比卻達到4.5。比較礦料間隙率VMA 發(fā)現(xiàn)級配級3最大,其次為級配1,級配2最??；瀝青飽和度VFA 剛好與礦料間隙率VMA 相反,其中級配2最大,級配1最小,產(chǎn)生上述體積性能的變化主要與輝綠巖自身的特性、壓實和級配離最大理論密度線的遠近有關(guān),CA 值越小,粗骨料的骨架作用越強。

表2 不同CA 值級配的旋轉(zhuǎn)壓實混合料體積性能

2.2 瀝青混合料的構(gòu)造深度

針對AC-25C級配施工過程中容易產(chǎn)生離析的難題,在級配設(shè)計時采用模擬現(xiàn)場成型試件進行構(gòu)造深度測試,為優(yōu)選抗離析的級配提供有力的參考數(shù)據(jù),不同CA 值合成級配的構(gòu)造深度值見表3。

表3 不同CA 值合成級配的表面構(gòu)造深度

雖然現(xiàn)行規(guī)范對瀝青路面下面層AC-25的構(gòu)造深度沒有作具體要求,但是表面構(gòu)造深度作為是否產(chǎn)生離析具有很好的參考性。一般表面構(gòu)造深度大的AC 型瀝青混合料,其骨料多,抗離析性能較差,易滲水。對比不同CA 值的三個合成級配,構(gòu)造深度值最大為級配1(CA 值為0.7),構(gòu)造深度值最小為級配3(CA 值為0.85),級配2次之。級配1從車轍試件的表面看出有少許離析,級配2和級配3的試件表面很均勻,這與構(gòu)造深度相吻吻合,表明CA 值越大構(gòu)造深度越小,越不容易離析,CA 值越小構(gòu)造深度越大,越易離析[6]。

2.3 瀝青混合料的水穩(wěn)定性性能

為了評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性,分別采用了馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(JTJ 052—2000 T0709)和凍融劈裂試驗(JTJ 052—2000 T0729)兩種試驗方法進行檢測。在標準凍融劈裂試驗的基礎(chǔ)上開展了多次凍融循環(huán)下的凍融劈裂強度比試驗,即在-18℃下冰凍16 h和60℃下水浴保溫24 h組成一個循環(huán),共進行4個循環(huán)。不同CA 值的瀝青混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果如圖1所示,三種級配下混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度都滿足規(guī)范的技術(shù)要求,其中級配2(CA 值0.78)時的殘留馬歇爾穩(wěn)定度值最大,級配1(CA 值0.7)時的殘留馬歇爾穩(wěn)定度值最小,級配3次之。CA 值不同殘留穩(wěn)定度有差別,級配1與級配2相比差5.3%。

由圖2可見,不同CA 值三種合成級配的馬歇爾試件劈裂強度比為級配2＞級配3＞級配1,級配2的劈裂強度比為88.6%,而級配1的劈裂強度比只有81.5%,相差7.1%,表明選用合適的級配能夠提高劈裂強度比。

多次的凍融劈裂強度比試驗結(jié)果見圖3,不同CA 值的合成級配的瀝青混合料在反復(fù)的凍融循環(huán)下,凍融試驗的劈裂強度比均有下降的趨勢,但是下降的幅度不同。在第二次凍融循環(huán)后,級配1(CA=0.7)、級配3(CA=0.85)的劈裂強度比已不能滿足技術(shù)規(guī)范要求的不小于75%,其值分別為73.2%、74.1%。從第三次循環(huán)開始后,三種級配的試驗結(jié)果均低于75%。但比較每次的循環(huán)結(jié)果,從劈裂強度比數(shù)據(jù)來看,三種級配的提高效果依次為:級配2＞級配3＞級配1。不同CA 值的三種級配在前兩次循環(huán)中級配2(CA值=0.78)的劈裂強度比降低幅度最慢,級配1降低幅度最大,級配3次之,綜上所述,三種級配的輝綠巖瀝青混合料CA=0.78的水穩(wěn)定性能最好。

2.4 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性性能

為了更好地評價三種不同CA 值合成級配輝綠巖瀝青混合料的高溫抗車轍性能,開展了常規(guī)車轍與浸水車轍試驗,試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。在常規(guī)車轍試驗的對比數(shù)據(jù)中,動穩(wěn)定度值的大小排列:級配2(CA 值=0.78)＞級配1(CA 值=0.7)＞級配3(CA 值=0.7)。分析其原因主要是因為級配1有局部離析,雖然嵌擠比較好,但還是影響了動穩(wěn)定度值；級配3表面均勻,但是粗集料嵌擠不太穩(wěn)定,45 min后的變形量與其它兩個級配相比要大,從而動穩(wěn)定度要小。在進行浸水車轍的對比數(shù)據(jù)中,動穩(wěn)定度值的大小排列:級配2(CA 值=0.78)＞級配1(CA 值=0.7)＞級配3(CA 值=0.7),變化總趨勢與常規(guī)車轍試驗相同,但與常規(guī)車轍試驗相比,每種級配的動穩(wěn)定度值都有不同程度的降低,一般降低300次/mm 左右,說明在有水的條件下輝綠巖的高溫穩(wěn)定性會變差。

2.5 瀝青混合料的低溫性能

按照瀝青混合料彎曲試驗規(guī)程進行,將輪轍成型的試件切割成30 mm×35 mm×250 mm 的小梁,跨徑為200 mm,試驗溫度為-10℃,加載速率為50 mm/min,在UTM 材料萬能試驗機上進行試驗,其試驗結(jié)果見圖6。不同CA 值的輝綠巖瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變大小排列:級配3(CA 值=0.85)＞級配2(CA 值=0.78)＞級配1(CA 值=0.7),最大彎拉應(yīng)變越大,表明該混合料的低溫性能越好,級配3級配最細,彎拉應(yīng)變值也最大,級配3在達到相同的空隙率時需要的瀝青用量要大,其對低溫性能貢獻大。

3 結(jié) 論

通過貝雷法的CA 值開展了AC-25瀝青混合料的合成級配優(yōu)化設(shè)計,利用旋轉(zhuǎn)壓實試驗、表面構(gòu)造深度試驗、水穩(wěn)定性試驗、車轍試驗和低溫彎曲試驗檢驗不同混合料的相關(guān)性能,試驗結(jié)果證實貝雷法的CA值可為瀝青混合料提供合理的設(shè)計參數(shù),以保證瀝青混合料的嵌擠密實結(jié)構(gòu)和施工和易性。經(jīng)綜合對比分析,AC-25瀝青混合料的CA 值取0.78時,其各項綜合性能最優(yōu),可用于指導(dǎo)施工生產(chǎn)配合比設(shè)計。