李 強(qiáng),李志亮

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

目前,全國(guó)公路總里程超過(guò)528萬(wàn)km,作為最基礎(chǔ)、最廣泛的交通基礎(chǔ)設(shè)施,在綜合交通運(yùn)輸體系中具有不可替代的作用。為提高抵抗行車(chē)和自然因素對(duì)公路損害的能力,往往選擇鋪設(shè)瀝青混凝土路面,因此瀝青混凝土性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為領(lǐng)域熱點(diǎn)研究的問(wèn)題之一[1]。

瀝青混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、整體性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),因此在國(guó)內(nèi)外具有廣泛的運(yùn)用,我國(guó)最早于20世紀(jì)20年代在上海鋪設(shè)瀝青路面[2-3]。大量學(xué)者對(duì)其物理力學(xué)特性開(kāi)展研究,譚憶秋 等[4-5]通過(guò)顆粒干涉對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究,并結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)現(xiàn)AC瀝青混合料空間分布的均勻性最好。李漢光 等[6]通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型的混合料進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn),得到不同類(lèi)型混合料室內(nèi)密實(shí)所需的能量,發(fā)現(xiàn)同種瀝青混合料達(dá)到密實(shí)所需的能量基本相同,AC密級(jí)配瀝青混合料的壓實(shí)性能較好,而Superpave骨架型瀝青混合料難以被壓實(shí)。蔡唐濤[7]分析了瀝青加熱溫度、集料加熱溫度、混合料的拌和溫度、拌和時(shí)間和成形溫度等因素對(duì)橡膠混合料成形效果的影響,陳紹偉[8]通過(guò)試驗(yàn)獲得車(chē)轍深度隨荷載作用次數(shù)的變化曲線,并建立APA車(chē)轍試驗(yàn)的溫度影響回歸模型。

綜上所述,目前更多的研究集中于改性和環(huán)境因素對(duì)瀝青混凝土性能的影響,集料粒徑對(duì)瀝青混凝土性能的影響還有待進(jìn)一步研究。因此,本文制備了16、20、25 mm三種最大公稱粒徑等級(jí)集料的瀝青混凝土,探究了集料粒徑對(duì)最佳油石比、馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)和抗車(chē)轍能力的影響規(guī)律。

1 材料特性及試驗(yàn)方案

1.1 材料特性

1.1.1 瀝青

瀝青采用宜昌市某交通開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的瀝青。瀝青試驗(yàn)嚴(yán)格按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[9]的要求和方法進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。所檢指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[10]中相應(yīng)技術(shù)要求。

表1 70#A級(jí)道路瀝青性能指標(biāo)

1.1.2 礦物集料

細(xì)、粗集料分別采用0～4.75 mm的機(jī)制砂和4.75～9.5、9.5～16.0和19～31.5 mm的人工碎石,其中礦粉采用鐘祥市某礦粉有限責(zé)任公司生產(chǎn)的礦粉。按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]的要求和方法對(duì)各礦料的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2～4,可知礦料的特性滿足指標(biāo)要求。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)篩分試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行級(jí)配合成,合成后不同最大粒徑等級(jí)集料級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 不同最大粒徑等級(jí)集料級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)方案

瀝青混合料最佳油石比確定的常用方法有馬歇爾試驗(yàn)法、Superpave 法、GTM 法和力學(xué)指標(biāo)法。其中,馬歇爾試驗(yàn)法和Superpave法憑借對(duì)瀝青性能的全面考慮及良好的實(shí)踐效果被廣泛采用[1,3]。這2種方法本質(zhì)基本相同,在最佳油石比確定過(guò)程中均側(cè)重于根據(jù)體積指標(biāo)確定,區(qū)別在于試件成型方法不同。馬歇爾試驗(yàn)法通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下?lián)魧?shí)成型馬歇爾試件,繪制油石比與瀝青混合料關(guān)鍵指標(biāo)的關(guān)系曲線并確定最佳油石比。本試驗(yàn)設(shè)定4%、4.5%、5%和5.5%這4組油石比。

馬歇爾試件的技術(shù)指標(biāo)受試驗(yàn)條件的影響較大,在制定指標(biāo)時(shí)首先應(yīng)對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行統(tǒng)一的要求才能保證該地區(qū)各個(gè)項(xiàng)目對(duì)指標(biāo)應(yīng)用的一致性。在制作瀝青混合料馬歇爾成型試件時(shí),礦料加熱溫度控制在170～175 ℃,瀝青混合料拌和溫度控制在160～170 ℃,試件擊實(shí)成型溫度在160～165 ℃。為了最大限度地減少試驗(yàn)過(guò)程的誤差影響,每組試件采用小型瀝青混合料拌和機(jī)逐個(gè)拌和制備3個(gè),結(jié)果取3組試驗(yàn)的平均值。

2 混合料粒徑對(duì)最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)的影響

對(duì)16、20、25 mm三種最大公稱粒徑等級(jí)集料的瀝青混凝土進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),得到毛體積密度、穩(wěn)定度、流值、瀝青飽和度、礦料間隙率和空隙率等8項(xiàng)馬歇爾體積指標(biāo)隨油石比的變化規(guī)律,如圖2～7所示。

圖2 毛體積密度隨油石比變化規(guī)律 圖3 穩(wěn)定度隨油石比變化規(guī)律

圖4 流值隨油石比變化規(guī)律 圖5 瀝青飽和度隨油石比變化規(guī)律

圖6 礦料間隙率隨油石比變化規(guī)律 圖7 空隙率隨油石比變化規(guī)律

由圖2和圖3分析可知,毛體積密度和穩(wěn)定度隨油石比非線性變化,存在明顯的峰值拐點(diǎn)。其中最大公稱粒徑越小,其毛體積堆積密度越大,穩(wěn)定度隨最大公稱粒徑增大,并沒(méi)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外,不同最大公稱粒徑等級(jí)對(duì)應(yīng)的毛體積密度最優(yōu)油石比存在顯著差異,16 mm和20 mm的最優(yōu)油石比為4.5%,而25 mm對(duì)應(yīng)的最優(yōu)油石比為4.0%。這與穩(wěn)定度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)油石比的結(jié)論相同。

根據(jù)圖4～6分析可知,不同最大公稱粒徑等級(jí)對(duì)應(yīng)的流值、瀝青飽和度和礦料間隙率均隨油石比增大而增大,但不同最大公稱粒徑的增長(zhǎng)趨勢(shì)存在一定的差別。相同油石比下,基本滿足粒徑等級(jí)越大,流值越高,礦料間隙率越大,僅粒徑20 mm、油石比4.5%時(shí)的流值與粒徑20 mm、油石比3.5%的礦料間隙率存在一定的偏差。然而,各油石比下瀝青飽和度并不滿足粒徑等級(jí)越大,瀝青飽和度越大的規(guī)律,即25 mm粒徑下的瀝青飽和度并非最大,最大瀝青飽和度對(duì)應(yīng)的粒徑為20 mm。

圖7給出了3組最大公稱粒徑等級(jí)的瀝青混凝土空隙率隨油石比的變化規(guī)律,隨著油石比的增大空隙率均呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì),這與毛體積密度、穩(wěn)定度、流值、瀝青飽和度、礦料間隙率隨油石比變化截然不同。但是相同油石比時(shí)各最大公稱粒徑等級(jí)之間的空隙率存在一定的差異,基本遵循最大公稱粒徑等級(jí)越大,空隙率越小的規(guī)律。

3 混合料粒徑對(duì)抗車(chē)轍能力的影響

瀝青路面車(chē)轍病害的力學(xué)機(jī)理為剪切流動(dòng),車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)軌蛴行гu(píng)估瀝青混合料的高溫性能,該試驗(yàn)較好模擬了車(chē)輛行駛時(shí)對(duì)路面的作用[11],用于評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性比較有說(shuō)服力。根據(jù)3種粒徑等級(jí)下的最優(yōu)油石比在溫度(60±1) ℃、輪壓(0.7±0.05) MPa的試驗(yàn)條件下進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),以檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,車(chē)轍板尺寸為300 mm×300 mm×50 mm,動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 三種粒徑等級(jí)下動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)表4分析可知,相同試驗(yàn)條件下,隨著最大公稱粒徑等級(jí)的增大,動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大,16、20、25 mm三種最大公稱粒徑等級(jí)集料瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度分別為2 314 mm/次、2 337 mm/次和2 355 mm/次,但總體上差異并不顯著,說(shuō)明最大公稱粒徑越大,瀝青混凝土路面的抗動(dòng)荷載能力越好,高溫穩(wěn)定性越強(qiáng)。主要原因在于空隙壓密變形轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青層的剪切變形,并且此時(shí)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的車(chē)轍大部分為剪切失穩(wěn)型車(chē)轍。此外,車(chē)轍變形程度與荷載作用時(shí)間、荷載等級(jí)均呈遞增關(guān)系。

4 結(jié)論

本文對(duì)16、20、25 mm三種最大公稱粒徑等級(jí)集料的瀝青混凝土開(kāi)展了馬歇爾試驗(yàn)和車(chē)轍試驗(yàn),探究了集料粒徑對(duì)最佳油石比、馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)和抗車(chē)轍能力的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下。

1)毛體積密度和穩(wěn)定度隨油石比非線性變化,相同油石比下,隨最大公稱粒徑減小,其毛體積堆積密度越大,但最大公稱粒徑與穩(wěn)定度并沒(méi)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2)不同最大公稱粒徑等級(jí)對(duì)應(yīng)的流值、瀝青飽和度和礦料間隙率均隨油石比增大而增大,但隨著油石比的增大,空隙率均呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì),但不同最大公稱粒徑的增長(zhǎng)或降低趨勢(shì)存在一定的差別。

3)相同試驗(yàn)條件下,隨著最大公稱粒徑等級(jí)的增大,動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大,抗動(dòng)荷載能力越好,高溫穩(wěn)定性越強(qiáng)。