柴 敏，林 淼

(1.福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116)

目前，我國約90%的瀝青路面基層采用半剛性基層[1]，因半剛性基層自身收縮開裂的缺陷，導(dǎo)致其常常出現(xiàn)不可避免的反射裂縫，進而產(chǎn)生嚴(yán)重的路面裂縫，破壞路面結(jié)構(gòu)承載力，影響路面使用壽命[2]。ATB-25作為柔性基層，其能有效分散基層內(nèi)部結(jié)構(gòu)集中產(chǎn)生的應(yīng)力，用其鋪筑路面上基層能大大減小反射裂縫的發(fā)生[3-4]。而級配類型選擇和配合比設(shè)計是使瀝青混合料具有優(yōu)良路用性能的基礎(chǔ)[5-7]，我國現(xiàn)行規(guī)范[8]對ATB-25級配范圍要求較廣，導(dǎo)致級配上限對應(yīng)的瀝青混合料性能與下限對應(yīng)的瀝青混合料性能存在顯著差別[9]。對于南方地區(qū)，瀝青路面在高溫和重載耦合作用下，對其高溫穩(wěn)定性能提出了更高的要求[10-11]。鑒于此，提出一種具有工程應(yīng)用價值且適合南方濕熱地區(qū)的ATB-25瀝青混合料級配優(yōu)化設(shè)計，得到一種比現(xiàn)行規(guī)范更窄、更合理的級配范圍，成為當(dāng)前迫切需要解決的問題[12-13]。

結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范推薦的ATB-25瀝青混合料級配范圍，采用正交試驗設(shè)計方法，分析探討礦料級配和油石比對ATB-25瀝青混合料各性能指標(biāo)的影響，基于此得到適合工程應(yīng)用的級配范圍，對施工質(zhì)量控制具有借鑒指導(dǎo)作用。為檢驗優(yōu)化后ATB-25瀝青混合料級配高溫穩(wěn)定性，對比分析了30#瀝青、70#瀝青與SBS改性瀝青下的ATB-25混合料高溫抗變形能力，并由此說明高溫地區(qū)采用優(yōu)化級配ATB-25(30#)混合料的優(yōu)越性。

1 試驗設(shè)計方案

為了減少試驗次數(shù)，采用正交試驗設(shè)計法，對ATB-25瀝青混合料進行級配優(yōu)化設(shè)計[14-15]。影響混合料的級配因素主要包括礦料級配和油石比，通過對ATB-25瀝青混合料礦料級配的分析，選取19 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm五種關(guān)鍵篩孔尺寸，各篩孔都選取規(guī)范上限值、上中限值、中值、下中限值、下限值作為正交試驗設(shè)計的5個水平。油石比范圍為3.0%～3.8%，分別取3%、3.2%、3.4%、3.6%、3.8%作為正交試驗設(shè)計的5個水平。由此，可以得到6因素5水平正交試驗設(shè)計方案，具體如表1所示。

針對我國南方地區(qū)高溫濕熱氣候特征，瀝青采用30#A級石油瀝青，粗集料和細集料都采用石灰?guī)r礦料，礦粉采用石灰?guī)r礦粉。

表1 ATB-25(30#)瀝青混合料正交試驗設(shè)計表

續(xù)表1

2 正交試驗結(jié)果分析

采用馬歇爾試驗來成型試件，每組擊實6個馬歇爾試件，一共成型150個試件，試件成型后測定相應(yīng)馬歇爾技術(shù)指標(biāo)，據(jù)此計算出馬歇爾體積指標(biāo)，各指標(biāo)結(jié)果及正交試驗極差分析結(jié)果分別如表2、表3所示，瀝青穩(wěn)定度趨勢如圖1所示。

表2 ATB-25(30#)馬歇爾試驗指標(biāo)與體積指標(biāo)試驗結(jié)果

續(xù)表2

表3 ATB-25(30#)正交試驗穩(wěn)定度極差分析結(jié)果 kN

圖1 ATB-25正交優(yōu)化試驗瀝青穩(wěn)定度趨勢圖

由表2、表3及圖1可知：按照各因素對瀝青穩(wěn)定度的影響顯著程度，可以排序為F>A>E>C>D>B。因素F(油石比)對瀝青飽和度影響最為顯著，變化率達到了21%，且當(dāng)油石比為3.4%時，瀝青穩(wěn)定度最大。因素A、因素C、因素D和因素E都使瀝青穩(wěn)定度隨著篩孔通過率的增加而線性增加，因素B對瀝青穩(wěn)定度影響幅度很小。按照瀝青穩(wěn)定度取值越大越有利的原則，則可以得到最優(yōu)組合A1B3C2D3E1F3，各因素取值范圍見表4。

表4 各因素最優(yōu)組合下的篩孔通過率取值范圍

孔隙率、礦料間隙率、穩(wěn)定度和流值指標(biāo)分析方法類似，這里不再贅述。以上5個指標(biāo)的正交試驗分析結(jié)果表明：

(1)油石比是影響馬歇爾穩(wěn)定度最大的因素，馬歇爾穩(wěn)定度隨著瀝青混合料油石比的增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢。在油石比為3.6%時，穩(wěn)定度值達到最大，這說明油石比并不是越大越好。

(2)4.75 mm篩孔通過率是對孔隙率、礦料間隙率影響最小的因素，9.5 mm篩孔是瀝青飽和度和穩(wěn)定度的最小影響因素；2.36 mm篩孔是流值最小影響因素。

(3)19 mm篩孔通過率是穩(wěn)定度、流值的關(guān)鍵影響因素，且19 mm篩孔通過率越高，瀝青穩(wěn)定度和流值越高。油石比是瀝青飽和度、孔隙率和礦料間隙率關(guān)鍵影響因素，且油石比越高；瀝青混合料飽和度越高，瀝青混合料孔隙率越小，間隙率也越小。

(4)對于不同的馬歇爾指標(biāo)或體積指標(biāo)，得到的最優(yōu)組合不同，鑒于此，不能片面追求某一指標(biāo)來確定最終級配優(yōu)化結(jié)果。

3 正交試驗級配優(yōu)化驗證

根據(jù)正交試驗分析結(jié)果可以進一步縮小現(xiàn)行規(guī)范中對ATB-25級配要求范圍，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，可以得到優(yōu)化后篩孔通過率大小，并由此確定最優(yōu)推薦級配。根據(jù)以上正交試驗分析結(jié)果給出級配試驗驗證范圍，如表5所示。

表5 正交試驗優(yōu)化結(jié)果級配試驗驗證范圍

為了檢驗上述各因素的優(yōu)化結(jié)果，按單粒徑精確配料的方法成型馬歇爾試件，試驗所得體積指標(biāo)試驗結(jié)果如表6所示。

表6 正交優(yōu)化級配試驗體積指標(biāo)檢測結(jié)果

由表6可以看出：級配上限和推薦級配的體積指標(biāo)都較好，但推薦級配更易于壓實，壓實得到的瀝青路面結(jié)構(gòu)密度也更大。結(jié)合上述試驗結(jié)果，可確定實際生產(chǎn)采用的最優(yōu)級配，相應(yīng)的設(shè)計級配曲線如圖2所示。

圖2 ATB-25混合料級配優(yōu)化曲線

4 30#瀝青與常用瀝青ATB-25混合料高溫抗變形性能對比

為比較30#、70#和SBS改性瀝青這3種常用瀝青對應(yīng)的ATB-25混合料高溫抗變形性能，采用優(yōu)化后的ATB-25級配，分別成型相應(yīng)的車轍板和旋轉(zhuǎn)壓實試件，開展車轍試驗和單軸貫入試驗測定其動穩(wěn)定度值和豎向變形量來評價其高溫穩(wěn)定性能。通過分析30#、70#和SBS改性瀝青下的ATB-25混合料車轍試件的動穩(wěn)定度和豎向總變形量來評價其高溫抗變形能力。車轍試驗和單軸貫入試驗結(jié)果如表7所示。

表7 三種瀝青ATB-25混合料試驗結(jié)果對比

由表7可以看出：3種不同的瀝青對應(yīng)ATB-25車轍試件動穩(wěn)定度都大于規(guī)范規(guī)定值，按其動穩(wěn)定度大小排列順序為：ATB-25(30#)>ATB-25(SBS)>ATB-25(70#)，且豎向總變形量與動穩(wěn)定度具有較好的相關(guān)性。ATB-25(30#)混合料動穩(wěn)定度最大，約為ATB-25(70#)混合料動穩(wěn)定度的兩倍；ATB-25(30#)混合料豎向總變形量最小，是ATB-25(70#)混合料豎向總變形量的0.43倍。而ATB-25(SBS)混合料與ATB-25(30#)混合料動穩(wěn)定度、豎向總變形量二者分別相差9%、6%，ATB-25(SBS)混合料高溫抗變形性能比ATB-25(30#)混合料略差，原因在于30#瀝青的硬質(zhì)黏稠性能使其不易發(fā)生塑性變形，提高了高溫抗變形能力。綜上所述，對于基質(zhì)瀝青，30#瀝青能顯著提高ATB-25混合料高溫抗變形能力，用于瀝青路面基層中能有效減小瀝青路面豎向永久變形。與采用SBS改性瀝青相比，ATB-25(30#)混合料不僅保證了高溫抗變形能力得到一定程度的提高，而且還節(jié)約了工程造價。

5 結(jié)論

(1)采用極差分析法對馬歇爾物理指標(biāo)和體積指標(biāo)進行優(yōu)化分析，得到了影響ATB-25瀝青混合料馬歇爾性能的主次因素。19 mm篩孔通過率和油石比變化是影響馬歇爾指標(biāo)的關(guān)鍵因素；4.75 mm篩孔通過率對ATB-25瀝青混合料性能影響最小，可以忽略不計。

(2)根據(jù)試驗分析結(jié)果，提出ATB-25瀝青混合料優(yōu)化級配范圍，經(jīng)過試驗驗證，表明優(yōu)化后的級配相應(yīng)物理-力學(xué)性能均能滿足路用性能要求，可用于瀝青路面基層中。

(3)對比ATB-25(30#)、ATB-25(70#)和ATB-25(SBS)混合料高溫性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)ATB-25(30#)動穩(wěn)定度最大，豎向總變形量最小，高溫抗變形能力最好，在考慮瀝青路面上基層的瀝青種類時，30#瀝青是最佳選擇。