黃小慧 曹毅 韋增增
摘要:文章模擬評價施工過程中2.36~4.75 mm、4.75~9.5 mm、19~26.5 mm的分計篩余量波動對一種粗型密級配AC-20C的性能影響。其中,AC-20C的礦料組成19 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm通過率分別為90.8%、50%、33.2%、23.8%,試驗采用SGC旋轉搓揉成型方法和馬歇爾擊實法評價了AC-20C的壓實特性,采用馬歇爾法評價了AC-20C的145 ℃、165 ℃的體積參數(shù),并采用動穩(wěn)定度、單軸貫入強度和凍融劈裂殘留強度比三個指標評價了AC-20C的高溫穩(wěn)定性能及水穩(wěn)定性能。試驗結果表明:2.36~26.5 mm的粗集料在AC-20C中起骨架作用,其中,9.5 mm的通過率宜控制在50%~55%,19~26.5 mm粗集料的適當用量可以提高瀝青混合料的抗變形能力,隨著嵌擠粗集料4.75~9.5 mm用量的增加,AC-20C的礦料間隙率增加,毛體積相對密度降低、空隙率增大,最大剪應力下降,其用量宜≤24%,次級嵌擠粗集料2.36~4.75 mm粗集料宜≤12%,SBS改性瀝青混合料AC-20C的60 ℃動穩(wěn)定≥6 000次/mm,凍融劈裂抗拉強度比>75%。
關鍵詞:道路工程;瀝青混合料;礦料組成;空隙率;動穩(wěn)定度;貫入強度;凍融劈裂強度比
0 引言
由于黑色路面的吸熱特性,三層瀝青路面的中面層的溫度相對最高,而瀝青作為一種膠結料,具有時溫等效特性。為此,必須重視中面層常用的粗型密實配瀝青混合料AC-20C的礦料組成設計及其施工過程的質(zhì)量控制,以確保路面在使用過程中,在荷載應力及一定的溫濕度環(huán)境條件下瀝青混合料AC-20C的變形處于蠕變遷移穩(wěn)定階段,黏性應變的累積變形量≤6 mm。本文結合廣西高速公路常用的粗集料關鍵篩孔19 mm、9.5 mm、2.36 mm對應通過率分別是90.8%、50%、23.8%的粗型密級配AC-20C的礦料組成設計,模擬施工過程比對分析粗集料2.36~4.75 mm、4.75~9.5 mm、19~26.5 mm的分計篩余量波動對AC-20C的壓實特性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性的影響,以提出粗型密級配AC-20C施工允許波動的合理級配范圍。
1 AC-20C的礦料級配組成設計
粗型密級配的AC-20C的三個級配組成如表1所示,其中,2.36 mm的通過率控制在23%~24%,0.075 mm的通過率控制在5%~6%。
從表1、表2可以看出,級配二為設計目標級配,級配一、級配三為級配二的波動級配。在AC-20C的三個級配中,級配三中4.75 mm的通過率最低,即混合料中>4.75 mm的粗集料用量最多,但其中未摻配粗集料19~26.5 mm,粗集料4.75~9.5 mm的分計篩余為24.8%。與級配三不同,在級配一、級配二中,粗集料19~26.5 mm的分計篩余量在7%~10%之間。級配二與級配三的差異主要在于:級配二以粗集料4.75~26.5 mm做骨架,級配一以粗集料2.36~26.5 mm做骨架。
試驗采用SBS改性瀝青,按AC-20C的油石比3.8%成型馬歇爾法試件,試件體積指標如表3所示。
由表3中可以看出,三個級配的理論最大相對密度一樣,空隙率關系為級配二<級配一<級配三,瀝青飽和度關系為級配三<級配一<級配二,礦料間隙率關系為級配二<級配一<級配三,三個級配的指標關系是相對應的。級配三的礦料間隙率、空隙率相對最大,這表明了粗集料嵌擠料4.75~9.5 mm用量對骨架的相對干涉作用。
為進一步評價三組級配的壓實特性,分別采用SGC旋轉搓揉成型方法、馬歇爾擊實法制作試件,經(jīng)160次旋轉壓實下各級配毛體積相對密度實測值如表4所示。
根據(jù)SGC壓實的特點,記錄指定壓實次數(shù)下試件的高度,計算各次數(shù)下的壓實度后,繪制壓實次數(shù)與壓實度關系曲線圖,如圖1所示。
(1)旋轉壓實SGC下的級配分析
從圖1可以看出,在相同旋轉壓實次數(shù)下,壓實度關系分別為級配一>級配二>級配三,而同一壓實度下,級配一所需壓實次數(shù)最少,級配二次之,級配三最多。這表明在相同壓實功下,級配一最易壓實,級配二次之,級配三最難壓實。
由圖1可以看出兩種空隙率下混合料的旋轉次數(shù),如表5所示。
由表5可知,三種級配的N2/N5關系為級配一>級配二>級配三,說明級配三最難以壓實,級配二次之,級配一最易壓實。這也進一步表明了粗集料嵌擠料4.75~9.5 mm用量對骨架的相對干涉作用,用量相對越多,礦料間隙率相對越大。
(2)兩種不同成型方式的各級配體積參數(shù)對比
100次設計旋轉壓實下馬歇爾成型各級配相關參數(shù)如表6所示。
根據(jù)不同成型方式下馬歇爾的體積參數(shù),繪制不同成型方式下的各級配體積參數(shù)對比圖如圖2所示。
由圖2及表6可以看出,與馬歇爾成型方式相比,相同級配下SGC旋轉壓實條件下成型的試件毛體積密度更大,級配一密度提高了0.68%,級配二密度提高了0.24%,級配三密度提高了1.2%,影響程度為級配三>級配一>級配二;空隙率明顯小于馬歇爾成型的試件,其中,級配一降低了0.7%,降幅為21.9%,級配二降低了0.3%,降幅為10%,級配三降低了7.6%,降幅為11.3%,影響程度為級配一>級配三>級配二;而瀝青飽和度均要大于馬歇爾成型方式的試件的,分別增加了4.2%、2.2%和7.6%,增幅分別為5.7%、3.0%和11.3%,影響程度為級配三>級配一>級配二;礦料間隙率則要更小,三個級配分別降低了0.4%、0.2%和1.0%,降幅分別為3.4%、1.8%和8.0%,影響程度為級配三>級配一>級配二。
綜上所述,三個級配受成型方式影響的程度大小排列關系為:級配三>級配一>級配二,4.75~9.5 mm單粒徑達24.8%時,AC-20C相對難以壓實。
為了模擬施工現(xiàn)場碾壓溫度對AC-20C的壓實特性的影響,采用馬歇爾雙面擊實各75次分別在145 ℃、165 ℃成型馬歇爾試件,對試件體積參數(shù)進行測試的結果如表7所示。
由表7可以看出,隨著成型溫度的降低,級配一與級配二的毛體積相對密度均呈現(xiàn)降低的趨勢,級配一的毛體積相對密度降幅最大,級配一、級配二、級配三中>2.36 mm的用量基本一致,級配一中嵌擠粗集料2.36~4.75 mm的單粒級用量為12.4%,用量相對最多。
2 AC-20C的性能驗證
2.1 車轍試驗、單軸貫入強度試驗
AC-20C三種級配類型的瀝青混合料的車轍試驗結果如表8所示。
由表8可以看出,不考慮變異系數(shù)的影響,隨著粗集料含量的增加,瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度先減小后增大,但三種級配下瀝青混合料高溫穩(wěn)定性均遠高于規(guī)范要求。從級配一到級配二,粗集料含量從63.4%增加至66.8%,粗集料含量增加3.4%,動穩(wěn)定度從13 639次/mm降低至7 760次/mm,但車轍總變形量從1.604 mm降低至1.401 mm,總變形反而有所降低;從級配二到級配三,粗集料含量從66.8%增加至70%,粗集料含量增加3.2%,動穩(wěn)定度從7 760次/mm增加至9 021次/mm,車轍總變形量從1.401 mm增加至1.746 mm,總變形反而有所增加。
從級配一和級配二的車轍動穩(wěn)定度與總變形試驗結果對比來看,級配二在4.75 mm篩孔通過率較低,粗集料含量高,同時9.5 mm篩孔通過率也較低,級配一4.75~9.5 mm區(qū)間粗集料占19.3%,級配二雖然4.75 mm以上粗集料比級配一多,但4.75~9.5 mm區(qū)間粗集料僅為16.8%,因此級配二骨架結構比級配一更穩(wěn)定,因此動穩(wěn)定度變形更小。而級配三4.75 mm粗集料含量達到70%,但4.75~9. 5 mm區(qū)間的粗集料也達到了24.8%,因此級配二比級配三的礦料骨架更穩(wěn)定,級配三的動穩(wěn)定度變形比級配二的相應更高。
為進一步評價瀝青的抗變形能力,采用單軸貫入試驗。AC-20C瀝青混合料的單軸貫入試驗結果見表9和圖3。
從圖3可以看到:(1)抗剪強度大小依次為級配一>級配二>級配三,級配二的抗剪強度比級配三提高11.6%,級配一的抗剪強度比級配二提高19.7%,比級配三的抗剪強度提高33.5%;(2)剪切破壞時變形量大小依次為級配一>級配二>級配三,但相差不大。
從三種級配的瀝青混合料的礦料級配組成來看,以4.75 mm篩孔為界,級配二比級配一粗集料比例高3.4%,級配三比級配二粗集料比例高3.2%,比級配一粗集料比例高6.6%。對比這三種級配的瀝青混合料試驗結果可知,級配一具有更好的抗剪切性能,級配三的抗剪切性能最差。這表明AC-20C以粒徑2.36 mm為界,>2.36 mm的粗料部分形成混合料的骨架,19~26.5 mm的適當用量可以提高瀝青混合料的抗變形能力,4.75~9.5 mm的用量宜在24%以下,不宜過多,9.5 mm的通過率宜控制在50%~55%之間。
2.2 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗的水穩(wěn)定性驗證
AC-20C瀝青混合料的水穩(wěn)定性驗證采用浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗進行評價,結果見表10。
從表10可以看出,三種級配下瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強度比均滿足規(guī)范要求。
3 結語
(1)篩孔為0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率分別為5%、23.8%、33.2%、50%、90.8%的粗型密級配瀝青混合料AC-20C具有良好的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能。
(2)瀝青混合料AC-20C的19 mm、9.5 mm、4.75 mm的通過率波動范圍分別宜控制在90%~100%、50%~55%、30%~36%,而2.36 mm的通過率應≤24%。
參考文獻:
[1]袁迎捷,周進川,胡長順.瀝青混合料壓實機理新解[J].公路,2002(2):50-53.
[2]沈金安.關于瀝青混合料的均勻性和離析問題[J].公路交通科技,2001,18(6):20-24.
[3]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.
作者簡介:黃小慧(1984—),工程師,主要從事施工、監(jiān)理以及試驗檢測工作;
曹 毅(1975—),工程師,主要從事公路養(yǎng)護施工與管理工作;
韋增增(1997—),碩士研究生,研究方向:道路材料、施工技術等。