基层硬质沥青稳定碎石混合料设计及性能试验研究

宋庆红，宁爱民，姜 鸿，王永维，吕 晟，王仁辉

(1. 贵州省都匀公路管理局，都匀 558000； 2.中国石化股份有限公司抚顺石油研究院，抚顺 113000； 3.苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

目前干线公路沥青路面结构以沥青混凝土面层和半刚性基层的组合形式为主，由于原始缩缝的存在会产生反射裂缝，当病害较为严重以至无法满足承载功能时，就不得不进行养护补强改造[1]。

常见的补强手段如将半刚性基层挖除或控挖至某一层位，利用水泥稳定粒料补强半刚性基层，或者直接在老沥青路面上加铺水泥稳定粒料，而后再铺筑一层热拌沥青混合料罩面。加铺罩面的补强改造能提高道路结构的使用性能，同时能利用原有路面一部分基层的残余强度，降低部分或全部开挖铣刨重铺的成本，是一种较为经济的改建措施。但是，较长的养护龄期以及施工期间的交通管制等问题给当地民众的生产生活会造成很大的影响；此外，随着荷载次数的增加，加铺结构的反射裂缝依然会产生。所以常规的补强方案只是治标不治本。

沥青稳定碎石基层能够一定程度上改善路面结构的反射裂缝，但是沥青稳定碎石常规使用的道路石油沥青(主要以70号道路石油沥青为主)本身针入度较高，软化点较低，高温性能并不理想。对此，很多研究人员通过添加合适的改性剂(即使用改性沥青)大幅度地提高沥青的高温黏度，从而改善沥青混合料的高温稳定性。但是因为改性沥青大都价格昂贵，对技术要求高，所以常用于上面层，如果用于较低层位的基层补强势必造成浪费。更何况，较以往相比，虽然大部分使用改性沥青的路面病害数量在一定程度上有所减少，但也有一部分没有达到预期的效果。如果某种沥青胶结料有良好的抗车辙能力和相对低廉的价格，并且可以应用到沥青路面的基层，将给道路建设者提供一种较好的选择。

硬质沥青是一种低标号的重交沥青，包括直馏道路石油沥青和各种改性沥青。该沥青针入度低，软化点高，有较好的高温稳定性，在国外(尤其是欧洲)有比较成功的应用[2-5]。目前国内也对硬质沥青进行了研究，如苏交科集团科研项目《中法美沥青路面技术比较研究及在阿尔及利亚的应用研究》，基于法国较成熟的硬质沥青用于耐久性高模量沥青混合料(EME)的应用经验，开展了我国硬质沥青耐久性高模量沥青混合料研究，对我国目前生产的硬质沥青进行了初步试验分析，并且，该项目已在交叉口的改造上进行了初步的应用。但是该项目所使用的硬质沥青是用在面层结构中的，并且面层中的混合料使用了添加剂。采用硬质沥青稳定碎石补强给基层补强提供了一个解决问题的思路，基于此，本文在对硬质沥青的性能进行评价的基础上，参考马歇尔方法，对硬质沥青混合料进行了配合比设计，并对其高温性能、水稳定性能进行验证，给硬质沥青的开发利用提供新的选择，更进一步改善我国公路工程沥青路面的建设质量和使用寿命，满足干线公路交通发展的迫切需要，为硬质沥青路面的施工提供理论指导和技术支持。

1 主要原材料及试验方法

1.1 主要原材料

(1) 硬质沥青，中石化抚顺石油研究院生产，代号为H42；70号道路石油沥青，为韩国SK-70号沥青，作为性能比较的对比样。两种沥青主要性能检测结果如表1所示。

表1 H42硬质沥青和70#石油沥青性能指标

从表1中可以看出，本文所采用的硬质沥青的软化点和动力黏度较高，除了15 ℃下延度不满足我国现行的技术规范F40外，其他指标均满足。此外按照欧洲的技术标准，本文所采用的技术指标均满足技术要求。

PG性能试验结果显示，其高温性能指标(高温车辙因子)在82 ℃下通过，但其低温性能较差，在常温下显示不通过。本文主要将其应用在基层补强中，因此对低温性能原则上不做要求。与对比样韩国SK-70号沥青相比，H42的高温性能显著的高于SK-70号沥青，但其延展柔韧性要明显低于SK-70。

(2) 本次试验所采用的矿料产于马鞍山，为石灰石岩，其中各档料的规格为1#(20～31.5 mm)、2#(10～20 mm)、3#(5～15 mm)、4#(0～5 mm)。

1.2 试验方法

考虑到硬质沥青的低温性能较为薄弱，本文通过级配的优化来弥补这一不足。同时，为了保证硬质沥青稳定碎石混合料具备优良的抗反射裂缝的能力和基层补强能力，本文通过调整级配关键筛孔的通过率，将混合料整体调整为骨架密实型结构。

用于基层补强的硬质沥青稳定碎石混合料性能从两个方面评价：高温稳定性(车辙试验)和水损害性(浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验)。

2 配合比设计

2.1 级配的优选

研究表明，沥青混合料的高温抗车辙能力有60%依赖于矿料级配的嵌挤作用，40%依赖于沥青结合料的黏结性能。因此矿料级配的选择对混合料性能影响很大[6]。根据前期研究成果，ATB-25矿料级配的骨架密实结构4. 75 mm的通过量宜为23%～33%，基本能够保证既密实不渗水，又处于良好的骨架嵌挤状态[7]。如表3所示，为各档料筛分结果及其ATB-25级配的上下限范围。

表3 各档矿料筛分结果

试验中，通过调整26. 5 mm，9.5 mm，4. 75 mm，0. 075 mm 4个关键筛孔的通过率选取3组级配，分别测定马歇尔指标，同时参考邱仁科提到的混合料中粗集料嵌挤状况的参数SSC，对其骨架嵌挤程度进行验证，并综合分析优选级配[8]。三种矿料的合成级配通过率如表4所示。三种级配的矿料比例如表5所示。三种试级配马歇尔试验结果如表6所示。三种级配曲线图如图1所示。

从表5和图1合成级配可以知道，级配1的体积指标不满足要求，级配2和级配3均满足技术要求。其中关键筛孔4.75 mm通过率控制在23%～33%之间。通过各种级配的体积参数，建议4.75 mm 通过率控制不宜小于25%。

表4 三种矿料的合成级配通过率

表5 三种级配的矿料比例

图1 三种级配合成图

表6 三种试级配马歇尔试验结果

从级配2和级配3可以看出，骨料中粗骨料占比例较大，有足够的粗骨料形成骨架产生嵌挤力，也有足够的细集料填充空隙，具有骨架密实结构的特点，同时SSC数据也证实了结果，考虑到硬质沥青低温性能较差以及以往的工程应用经验，本文选择级配2作为后续的设计级配。

2.2 最佳油石比确定

以4.0%油石比为中值和(4.0±0.5)%五种油石比进行马歇尔稳定度试验，试验结果如表7所示。

根据上述试验结果，求得最终油石比平均值为4.05%，根据设计经验和当地气候条件取油石比4.0%为最佳油石比。

表7 ATB-25设计级配马歇尔试验结果

3 混合料性能试验评价

为了更好地评价硬质沥青稳定碎石混合料的性能，采用同样的级配，利用70号道路石油沥青制备沥青稳定碎石混合料试件的对比样，进行水稳定性和高温性能对比评价。

3.1 水稳定性分析

根据设计油石比及级配进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来检验设计沥青混合料的水稳定性能。试验结果分别见表8、表9、图2和图3。

表8 浸水马歇尔稳定度试验结果

表9 冻融劈裂试验结果

图2 浸水马歇尔试验

图3 冻融劈裂试验

从表8、表9、图2和图3可以看出，不管是硬质沥青(H42)稳定碎石还是韩国SK-70沥青稳定碎石的残留稳定度和劈裂强度比均满足F40规范要求。浸水马歇尔残留稳定度两者相差不大，冻融劈裂强度比SK-70沥青稳定碎石混合料水稳定性要优于硬质沥青(H42)稳定碎石混合料，这种现象主要是由沥青的低温延展性质决定。从两试件的破坏强度和空隙率也可以看出，SK-70沥青稳定碎石混合料的劈裂强度是H42稳定碎石混合料的3倍多，空隙率更小，说明韩国SK-70沥青稳定碎石混合料更易压实，更能抵抗破坏。同时沥青类别也是一个原因，H42硬质沥青的粘度要比SK-70沥青的粘度大的多，在试件成型的过程中也会受到影响。

3.2 高温稳定性试验

在60±1 ℃，0.7±0.05 MPa条件下进行车辙试验来检验沥青混合料的高温稳定性，车辙试件动稳定度试验结果如表10和图4所示。

图4 车辙试验结果

表10 动稳定度试验结果

上述试验结果显示硬质沥青ATB25混合料的动稳定度在一个很高的数量级(104)，显然满足常规的基层用高温性能的技术指标，分析其原因，一方面是硬质沥青的贡献，另一方面是通过调整级配进行优化，形成了相互嵌挤的骨架密实结构。由于两种沥青稳定碎石混合料的级配相同，从高温性能来看，硬质沥青对混合料的高温性能的贡献起主要作用，骨架密实结构为次要作用。

4 结论

(1) 本文通过调整关键筛孔4.75 mm使通过率在25%以上，将沥青稳定碎石混合料的结构调整为骨架密实结构，结合马歇尔体积参数和SCC参数验证，获得了最优化的矿料级配。

(2) 与韩国SK-70号稳定碎石混合料相比，H42硬质沥青混合料的高温性能评价指标动稳定度在一个很高的数量级(104)，水稳定性评价指标常温下浸水马歇尔残留稳定度两者相差不大， H42硬质沥青混合料低温下的冻融劈裂强度比却略低于SK70沥青稳定碎石混合料。

(3) 通过调整级配和关键筛孔通过率得到的硬质沥青稳定碎石混合料路用性能优异，为相似工程提供了技术参考。