4种级配组成沥青混合料的路用性能评价

何跃武

0 引言

中、下面层是沥青路面面层的重要结构层次,其使用性能好坏直接影响沥青路面的使用质量和使用寿命。目前在沥青路面中、下面层中,常用沥青混合料级配类型为AC-20Ⅰ和AC-25Ⅰ,近年来也开始使用Super19和 Super25,后者为美国 SHRP研究成果。选择这4种级配类型的沥青混合料进行分析。采用沥青路面分析仪、轮辙试验仪和冻融试验评价这些沥青混合料的抗车辙能力和抗水损害能力等路用性能,并对沥青混合料的施工特性进行分析。

1 级配组成特征的分析

4种类型沥青混合料的级配范围见表1,级配中值曲线见图1。

由图1可见,最大公称尺寸相同的Super19与AC-20Ⅰ型混合料级配中值在筛孔尺寸9.5 mm以上的级配曲线基本重合,主要差别在0.075 mm～4.75 mm的细集料组成。Super19细集料的递减率较大,级配指数 n=0.575,且位于Superpave禁区的下方,AC-20Ⅰ细集料的递减率较小,级配指数 n=0.489,级配曲线位于Superpave的禁区之中。Super19中2.36 mm筛的通过量P2.36=23%～35%,AC-20Ⅰ中 2.36 mm筛的通过量 P2.36=28%～46%,根据Superpave的划分标准,当P2.36＜35%时属于粗级配[1],因此Super19为粗级配,而AC-20Ⅰ属于细级配。

表1 中、下面层用沥青混合料设计级配范围

表2 沥青混合料试件的马歇尔稳定度和流值

Super25属于粗级配,级配指数 n=0.577,级配曲线位于Superpave禁区的下方。AC-25Ⅰ混合料中细集料级配曲线位于Superpave禁区之上,属于细级配,级配指数 n=0.500。

此外,AC-25Ⅰ的细集料与AC-20Ⅰ型的细集料级配组成相当,Super25与Super19的细集料级配组成相当。

2 沥青混合料高温稳定性

2.1 马歇尔稳定度与流值

由表2可见,当混合料的最大公称尺寸相同时,AC型沥青混合料稳定度和流值大于Super型沥青混合料试件的稳定度和流值。最大公称尺寸增加,沥青混合料试件的稳定度下降、流值增大。

2.2 APA试验——车辙深度

1)作用轴载为445 N,作用 8 000次时,不同级配组成混合料试件的车辙深度测试值见图2。在4种沥青混合料中,AC-25Ⅰ型混合料的车辙深度最大,其车辙深度平均值约为Super型混合料车辙深度平均值的1.5倍,为AC-20Ⅰ型混合料的1.34倍左右,AC-20Ⅰ型混合料的车辙深度约为Super型混合料车辙深度的1.1倍。在粗级配混合料中,2.36 mm以上的粗集料含量较高,在混合料中形成骨架结构,对于车辆作用有着较好的抵抗能力,所以两种粗级配的Super型沥青混合料的抗车辙能力较强。

2)为模拟重交通条件,将试验轴载提高至700 N,作用次数增加至20 000次,对Super型混合料进行车辙试验,测试结果见图3。在荷载作用前期(N=8 000次),Super混合料的车辙深度增加60%左右,与轴载增加 56%相当,此时 Super19车辙深度较Super25混合料高约3%。当荷载作用20 000次时,Super19试件的车辙深度增加23%左右,而Super25试件的车辙深度增加约30%。这在某种程度上表明,在重荷载、大交通条件下,Super19型混合料的抗车辙能力略优于Super25型混合料,最大公称尺寸与混合料的抗车辙能力无显著关系。

2.3 轮辙试验——动稳定度DS

图4为4种沥青混合料的动稳定度测试结果。4种沥青混合料的动稳定度均远远超过现行规范800次/mm的要求,动稳定度最小的AC-20Ⅰ型混合料也在1 300次/mm以上。AC-20Ⅰ型混合料的动稳定度水平仅为Super型混合料动稳定度的60%(Super19)和 70%(Super25)。Super19混合料的动稳定度较Super 25型混合料的动稳定度高约18%,所反映出的信息与APA车辙试验条件为700 N,20 000次时的结果一致。

3 沥青混合料的水稳定性评价

3.1 试验结果

1)浸水车辙试验——浸水车辙比 RR。图5为4种沥青混合料车辙深度比RR的测试结果,4种混合料在经冻融处理后,浸水车辙深度比 RR均小于1.4,其中细级配的AC型混合料车辙深度比较小,尤其是AC-25Ⅰ型混合料表现出较高的水稳定性。

2)冻融劈裂强度。4组沥青混合料的冻融劈裂强度比见表3。由表3可见,4种混合料劈裂强度比 TSR均大于75%,各混合料水稳定性的排序与车辙深度比RR排序基本相同。AC型混合料的水稳定性略优于Super型混合料。

表3 沥青混合料劈裂强度比TSR

在细级配混合料中,小于2.36 mm的细料含量达35%以上,在混合料中形成的结构细致、空隙通道狭窄,水分流动阻力较大,致使沥青混合料的水敏感性降低。

3.2 影响因素分析

1)空隙率的影响。由表3可见,当Super型混合料的空隙率增加时,其冻融劈裂强度比 TSR明显降低,尤其以Super25型混合料更为明显,空隙率增加0.5%,TSR降低近9%。根据试验结果,若以TSR≥75%为准,Super19型混合料的空隙率上限约为7.7%,Super25型混合料的空隙率上限约为7.3%。

2)粉胶比的影响。图6为沥青混合料在不同粉胶比时的车辙深度比RR和冻融劈裂强度比TSR。

对于不同的沥青混合料,当粉胶比增加时,RR随之增加,见图6a);对于同一级配的Super19型混合料,TSR随粉胶比的增加而降低,见图6b),均表现为混合料的水稳定性随着粉胶比的增加而降低。当沥青用量一定时,随着粉胶比的增加,沥青膜厚度减薄,在冻融作用过程中,水容易穿透沥青膜,进入沥青与集料的界面,沥青从集料表面剥落,导致沥青混合料粘聚性下降,抗变形能力和劈裂强度降低,故车辙深度比增加而冻融劈裂强度比 TSR随之降低。

图6中试件的空隙率水平为7.7左右,在这种空隙率水平下,若以冻融劈裂强度比 TSR＞75%控制,Super19沥青混合料的粉胶比应不大于1.4,若以冻融劈裂强度比 TSR＞80%控制,粉胶比应不大于1.3%。

4 沥青混合料的施工性质

4.1 压密性与压实功

图7中曲线为4种沥青混合料试件空隙率与压实次数的关系,成型应力为0.6 MPa。4种沥青混合料中的沥青用量均为4%。一般认为,当压实功一定时,沥青混合料试件的密度越大,空隙率越小,该沥青混合料越容易压实,反之亦然。由图7可见,在相同的压实次数下,Super25试件的压实空隙率最大,AC-25Ⅰ型试件的压实空隙率最小,显然,细级配混合料容易压密。

表4中第3列中数据为成型APA试件时的旋转压实次数,当空隙率水平基本相同时,Super型沥青混合料所需要的压实次数约为AC型混合料的2倍～3倍,由此可见,在进行Super混合料施工时,为了保证一定的空隙率,所需要的压实功将增加2倍～3倍左右。

4.2 压实度

压实度是我国沥青路面施工质量控制的主要指标之一[2]。由表4可见,由于Super25混合料的马歇尔试件空隙率较高,当以马歇尔试件密度为准时,其APA试件在压实空隙率较大的情况下获得近100%压实度,说明对于这类混合料仅采用压实度指标是不够的,必须同时纳入空隙率指标,以避免面层结构空隙率过大,降低使用耐久性。

4.3 变异性

变异性用同一组试件空隙率的变异系数反映,见表4。AC型沥青混合料试件的空隙率变异性小于Super型沥青混合料,级配类型相同时,最大公称尺寸小的沥青混合料试件空隙率变异性较小。

表4 沥青混合料试件压实度

5 结语

1)粗级配的Super型混合料的抗车辙能力优于细级配的AC型混合料,在重交通条件下,最大公称尺寸较小的Super19型混合料的抗车辙能力较优。AC型混合料的水稳定性和施工均匀性均略优于Super型混合料。为达到所要求的压实空隙率,Super型混合料所需压实功通常为AC型混合料的2倍～3倍。2)集料的最大公称尺寸与沥青混合料的抗车辙能力和水稳定性之间没有显著的相关性,混合料的离析程度随最大公称尺寸增大而增加。3)当空隙率增加时,Super型混合料的冻融劈裂强度比 TSR显著降低,以Super25型混合料更为明显,若以 TSR≥75%为准,Super19型混合料的空隙率上限约为7.7%,Super25型混合料的空隙率上限约为7.3%。4)粉胶比增加将降低沥青混合料的水稳定性,对于Super19型混合料,若以 TSR≥75%为准,粉胶比不大于1.4,若以冻融劈裂强度比TSR＞80%控制,粉胶比应不大于1.3%。

[1] Superpave,Westrack Forensic Consensus Report,FHWA-RD-01-052,2001.

[2] GB 50092-96,沥青路面施工及验收规范[S].

[3] JTJ 052-2000,公路工程沥青与沥青混合料试验规程[S].

[4] 姚立阳,王晓锋.沥青路面水稳定性机理及其防治措施[J].山西建筑,2009,35(13):263-265.