砂粒式沥青混凝土的路用性能研究

丁 颢

（山西省公路工程监理技术咨询有限公司，山西太原 030006）

0 引言

砂粒式沥青混凝土是指最大粒径不超过5 mm 的沥青混凝土[1]，通常被用作路面坑槽修补、微表处、抗滑磨耗层、薄层罩面等，是一种良好的预防性养护材料。

砂粒式沥青混凝土具有良好的黏弹性和抗滑性能，其路用性能的研究是砂粒式沥青混凝土作为路用材料应用的关键[2-3]。砂粒式沥青混凝土的路用性能主要包括三点弯曲、间接拉伸、稳定度、残留稳定度和疲劳寿命[4]。砂粒式沥青混凝土作为路面材料应用时，其主要受到动态荷载持续作用，因此，砂粒式沥青混凝土动态路用性能的评价异常重要[5]。三点弯曲和疲劳寿命是沥青路面设计的基本指标，是路面结构验收的基本依据，其重要性不言而喻[6]。砂粒式沥青混凝土的稳定度和残留稳定度是评价其高温稳定性和水稳定性的重要指标，是路用性能评价时必不可少的检测指标[7]。对于沥青混凝土的路用性能，国内外学者通常采用万能材料试验机进行砂粒式沥青混凝土路用性能的评价。如葛洲坝集团交通投资有限公司崔培强[8]等利用万能材料试验机对橡胶沥青透水混凝土的路用性能进行了评价，发现颗粒化橡胶粉的加入会显著增加沥青混合料的浸水稳定度和冻融劈裂强度，使路用性能显著提升。中交路桥华南工程有限公司万宁等[9]借助万能材料试验机对聚氨酯/环氧树脂改性沥青混合料路用性能进行了研究，发现聚氨酯/环氧树脂会使沥青混凝土马歇尔动稳定度增加2～6 倍，且会大幅提升沥青混凝土的高温抗车辙性能。虽然目前有大量针对沥青混凝土路用性能的评价研究，但是利用正交试验方法研究多因素耦合作用下砂粒式细集料沥青混凝土的路用性能却鲜有报道。

砂粒式沥青混凝土的路用性能受温度、压力和辐照等多重因素的影响，因此分析多因素耦合作用下砂粒式细集料沥青混凝土的路用性能具有重要意义，本文利用正交试验方法分析上述因素对路用性能的影响程度，并评价其相关性。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验采用SBS 改性沥青，其25 ℃针入度为68 dmm，软化点58 ℃，5 ℃延度42 cm。集料分别选用花岗岩、辉绿岩、煤矸石，其中花岗岩的表观相对密度为2.651 2 g/cm3，辉绿岩的表观相对密度为2.542 8 g/cm3，煤矸石的密度为2.756 2 g/cm3。矿粉填料优选石灰石类型。

1.2 试验方法

统一花岗岩、辉绿岩、煤矸石3 种集料的合成级配，砂粒式沥青混凝土级配具体如图1 所示，油石比选用7.0。采用万能材料试验机测试砂粒式沥青混凝土的三点弯曲和动态模量。采用马歇尔压力机测试砂粒式沥青混凝土的动稳定度和残留稳定度。采用模型箱模拟砂粒式沥青混凝土的高温高压辐照影响，其中温度设定为60 ℃、压力为2.1 MPa、辐照强度为56 W/m2。

图1 砂粒式沥青混凝土的级配曲线

2 结果与讨论

2.1 正交试验设计

针对砂粒式沥青混凝土路用性能的主要影响因素进行汇总并择优选取不同集料、温度、压力、辐照强度4 个关键因素。因素水平为集料类型（花岗岩、辉绿岩、煤矸石）、温度（-10 ℃，25 ℃，60 ℃）、压力（1 MPa，2 MPa，2.1 MPa）、辐照强度（0 W/m2，20 W/m2，56 W/m2）。根据试验变量和因素水平采用L9（34）正交表，如表1所示。

表1 砂粒式沥青混凝土路用性能评价L（934）正交表

参照正交表进行砂粒式沥青混凝土间接拉伸试验，结果如表2 所示。6 号样品动态模量最大，其次为1号样品，5 号样品动态模量最小，所用试验条件对砂粒式沥青混凝土动态模量的影响最大。

表2 砂粒式沥青混凝土间接拉伸试验的动态模量 单位：MPa

借助极差分析评价砂粒式沥青混凝土的动态模量影响因素的主次顺序。由表3 可知，不同温度下砂粒式沥青混凝土的动态模量极差最大，为3 600 MPa；不同压力和辐照强度下砂粒式沥青混凝土的动态模量极差居中，分别为2 603 MPa 和3 020 MPa。结果表明：温度、压力和辐照强度对砂粒式沥青混凝土动态模量的影响顺序为：温度＞辐照强度＞压力。

2.2 辐照强度对砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度的影响

如图2 所示，辐照强度对砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度有显著影响，当辐照强度升高至20 W/m2时，砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度减小。具体表现为：当辐照强度由0 W/m2上升至20 W/m2时，辉绿岩和煤矸石砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度变化不大，而花岗岩砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度变化较大；当辐照强度升高至56 W/m2时，砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度发现显著变化，这表明砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度具有选择性。由此可知，辐照强度对砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度具有显著影响。

图2 砂粒式沥青混凝土的三点弯曲强度

2.3 高温高压辐照多因素对砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度的影响

如表4—表6 所示，低温和高压均会使花岗岩砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度降低，室温下花岗岩砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度最高。高温对花岗岩砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度影响最严重，室温对花岗岩砂粒式沥青混凝土影响最小。高温会使花岗岩砂粒式沥青混凝土的路用性能降低，高压、辐照均可使花岗岩砂粒式沥青混凝土的路用性能增加。

表4 -10 ℃花岗岩砂粒式沥青混凝土的三点弯曲强度 单位：MPa

表5 25 ℃花岗岩砂粒式沥青混凝土的三点弯曲强度 单位：MPa

表6 60 ℃花岗岩砂粒式沥青混凝土的三点弯曲强度 单位：MPa

2.4 砂粒式沥青混凝土间接拉伸和三点弯曲强度对比分析

如图3、图4 所示，对比不同温度、辐照作用下砂粒式沥青混凝土间接拉伸和三点弯曲强度结果发现，砂粒式沥青混凝土间接拉伸模量和三点弯曲模量相差不大，高温条件下砂粒式沥青混凝土间接拉伸模量和三点弯曲模量拟合度最好，其次为低温条件下砂粒式沥青混凝土，室温条件下砂粒式沥青混凝土间接拉伸和三点弯曲模量拟合度最差。对比不同辐照下砂粒式沥青混凝土间接拉伸和三点弯曲强度结果发现，高光下砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度更趋近于低压砂粒式沥青混凝土间接拉伸强度，且砂粒式沥青混凝土强度随着压力的增加呈现出下降趋势，但曲线线型较好，拟合度好。结果表明，砂粒式沥青混凝土间接拉伸和三点弯曲强度存在一定的拟合度。

图3 不同温度作用下砂粒式沥青混凝土间接拉伸和三点弯曲强度对比

图4 不同辐照作用下砂粒式沥青混凝土间接拉伸和三点弯曲强度对比

利用数理统计方法T 检验对砂粒式沥青混凝土路用性能进行分析，结果如表7 所示。砂粒式沥青混凝土间接拉伸模量和三点弯曲模量T 检验的p值均小于0.005，其中三点弯曲的均值、T 统计量大于间接拉伸。结果表明，在指定置信区间内，砂粒式沥青混凝土的路用性能存在一定的关联性。

表7 数理统计结果

2.5 砂粒式沥青混凝土稳定度和残留稳定度

砂粒式沥青混凝土稳定度和残留稳定度试验方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2019 进行。砂粒式沥青混凝土稳定度和残留稳定度结果如图5 所示，花岗岩砂粒式沥青混凝土的稳定度最大，为11.8 kN，辉绿岩沥青混合料的稳定度其次，煤矸石砂粒式沥青混凝土的稳定度最小。

图5 砂粒式沥青混合料的动稳定度和残留稳定度

由此可知，花岗岩砂粒式沥青混凝土的高温稳定性最好，其次是辉绿岩砂粒式沥青混凝土，最后才是煤矸石砂粒式沥青混凝土。砂粒式沥青混凝土残留稳定度结果显示，辉绿岩和煤矸石砂粒式沥青混凝土的残留稳定度较大，水稳定性较好，而花岗岩砂粒式沥青混凝土的残留稳定度较小，水稳定性则较差。稳定度和残留稳定度均满足规范要求。

3 结论

借助万能材料试验机对砂粒式沥青混凝土进行三点弯曲、间接拉伸、稳定度等路用性能研究，得出以下结论：

a）温度、压力和辐照强度对砂粒式沥青混凝土间接拉伸强度的影响顺序为：温度＞辐照强度＞压力。

b）低温、高压均会使砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度降低，路用性能也降低。

c）在指定置信区间内，砂粒式沥青混凝土的路用性能存在一定的关联性。