基于礦料最緊密狀態(tài)的硬質(zhì)瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

范寶慶

（河北路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

北京長(zhǎng)安街的公交車道是城市道路中典型的重載交通路面，2006年、2007年和2008年交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院的調(diào)查數(shù)據(jù)表明：長(zhǎng)安街公交車道日交通量處于125000～160000輛之間，輪胎接地壓強(qiáng)均在0.96～1.0MPa。2009年7月前，長(zhǎng)安街舊公交車道停車港灣路段以車轍、坑槽為主要病害形式，南側(cè)公交車道車轍最嚴(yán)重的路段為復(fù)興門～國(guó)貿(mào)橋，公交車道的平均車轍深度為10mm以上，最大值為33.59mm；北側(cè)公交車道車轍最嚴(yán)重的路段為新興橋～建國(guó)門橋，平均車轍深度約為10mm，最大值為33.85mm。北京市公聯(lián)公路聯(lián)絡(luò)線有限責(zé)任公司等在2009年7月對(duì)長(zhǎng)安街進(jìn)行了罩面大修，其中在公交車道結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方案中采用低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青混凝土作為實(shí)施的方案之一，以提高路面的抗重載變形性能，這在北京還是第一次[1]。

關(guān)于低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青混凝土的應(yīng)用技術(shù)[2]，法國(guó)、英國(guó)、比利時(shí)、保加利亞、波特蘭、斯洛文尼亞和巴西等國(guó)先后進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，其中以法 國(guó)LCPC 實(shí) 驗(yàn)室Jean－Pierre 等 人、英 國(guó)TRL 的Nunn、Smith等人研究較為系統(tǒng)深入，先后對(duì)高模量瀝青混凝土的材料組成設(shè)計(jì)、路用性能、施工工藝以及試驗(yàn)段性能監(jiān)測(cè)等方面內(nèi)容進(jìn)行了研究。試驗(yàn)研究采用的手段與方法主要有兩種[3]：一是法國(guó)LCPC 實(shí)驗(yàn)室采用的系列試驗(yàn)設(shè)備及方法，如Duriez －LCPC method，LCPC wheel tracking machine，LCPC MAER machine 和LCPC fatigue test；二是采用NBN EN 的試驗(yàn)方法及設(shè)備，如12697－22車轍試驗(yàn)方法、NBN EN 12697－23水穩(wěn)定性試驗(yàn)方、NBN EN 12697－26模量試驗(yàn)方法和NBN EN 12697－24疲勞試驗(yàn)方法等。試驗(yàn)結(jié)果均表明其性能優(yōu)良，具有較好的承載能力和抗永久變形能力。法國(guó)、比利時(shí)等地的實(shí)體工程結(jié)果也表明，低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青混凝土用作重載交通道路的承重層，具有優(yōu)秀的抗車轍能力，并可延長(zhǎng)公路使用壽命，節(jié)約養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

但值得指出的是，國(guó)外采用富油系數(shù)對(duì)硬質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行分類和材料組成設(shè)計(jì)，混合料最大工程粒徑通常為14mm或10mm，且國(guó)外篩孔尺寸與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方孔篩尺寸存在一定差異。因此，不能完全照搬國(guó)外的材料組成設(shè)計(jì)方法，必須考慮我國(guó)公路工程實(shí)際情況，進(jìn)行硬質(zhì)瀝青及其混合料的應(yīng)用。

本文正是基于此，針對(duì)長(zhǎng)安街大修基層用ATB—25型礦料級(jí)配及原材料，采用礦料最緊密狀態(tài)對(duì)應(yīng)的油石比作為最佳油石比，并對(duì)其進(jìn)行了室內(nèi)路用性能驗(yàn)證和實(shí)體工程實(shí)踐，結(jié)果表明，該方法可行且效果良好。

1 礦料最緊密狀態(tài)法設(shè)計(jì)原理

對(duì)于一種固定礦料和級(jí)配的瀝青混合料，在某一標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)功作用下（如馬歇爾擊實(shí)75次／面或者旋轉(zhuǎn)碾壓100次），在油石比不斷變化過程中，混合料應(yīng)存在且唯一存在一種最緊密狀態(tài)，即當(dāng)混合料的油石比較小時(shí)，混合料中的礦料之間存在一種排列狀態(tài)；隨著油石比逐漸增加，瀝青在礦料間潤(rùn)滑作用逐漸增加，導(dǎo)致礦料間的排列狀態(tài)越來(lái)越緊密，進(jìn)而出現(xiàn)一個(gè)最為緊密的狀態(tài)；但隨著瀝青進(jìn)一步的添加，礦料中自由瀝青偏多，導(dǎo)致礦料間的緊密狀態(tài)被逐漸撐開。礦料結(jié)構(gòu)被撐開之前的狀態(tài)為混合料的最緊密狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的油石比為混合料最緊密狀態(tài)下的最佳油石比[4]。

采用混合料的礦料間隙率或者混合料的干密度等指標(biāo)可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)在不同油石比下混合料緊密狀態(tài)的變化規(guī)律，以及最終得到混合料的最緊密狀態(tài)，并以此得到混合料相應(yīng)的最佳油石比。

這兩個(gè)參數(shù)具體的表達(dá)形式依次如下：

式中：VMA——礦料間隙率；

Gm——試件毛體積密度；

Gm,s——試件中全部礦料的毛體積密度；

ω0——試件的油石比。

式中：Gg,m——混合料試件的礦料干密度。

對(duì)于某一種固定級(jí)配的瀝青混合料，粗集料的毛體積密度Gb,ca、礦料毛體積密度Gm,s都相對(duì)固定，因此，在計(jì)算VMA和混合料的礦料干密度（簡(jiǎn)稱干密度）參數(shù)時(shí)，可以認(rèn)為是常數(shù)。

采用二次曲線模型回歸分析瀝青混合料的礦料間隙率和干密度隨油石比變化的規(guī)律，采用二次曲線函數(shù)來(lái)擬合各項(xiàng)體積指標(biāo)與油石比的相關(guān)關(guān)系，主要是由于：a）二次曲線具有極值唯一的特點(diǎn)，且極值點(diǎn)的物理意義明確；b）反復(fù)嘗試證明二次曲線擬合的相關(guān)系數(shù)普遍較高。根據(jù)二次曲線的極值特性，可以得到混合料礦料間隙率的最小值和混合料干密度的最大值。這些最小值和最大值的物理意義就是混合料在這種壓實(shí)條件下的最緊密狀態(tài)，并以此確定混合料的最佳油石比。從理論上講，這兩個(gè)極值對(duì)應(yīng)的混合料油石比應(yīng)該完全相等，但在試驗(yàn)過程中，由于試驗(yàn)誤差，這兩個(gè)極值對(duì)應(yīng)的油石比可能存在一定的誤差。為此，采用這兩個(gè)油石比的平均值作為混合料在最緊密狀態(tài)下的最佳油石比，見式（3）。

式中：ACopt——混合料最緊密狀態(tài)下的最佳油石比；

ACG,ACVMA——混合料干密度最大和混合料礦料間隙最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的油石比。

2 試驗(yàn)方法及材料

2.1 試驗(yàn)方法

瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)用試件采用意大利controls旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型，旋轉(zhuǎn)壓應(yīng)力600kPa，旋轉(zhuǎn)角度1.25°，轉(zhuǎn)速30r／min。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)最大次數(shù)為100次，成型溫度150℃。

高溫穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052—2000）T0719—1993執(zhí)行，試件尺寸為300mm×300mm×100mm，試驗(yàn)溫度為60℃。車轍試件采用最佳油石比及其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件體密度的98%計(jì)算材料用量。

水穩(wěn)定性能采用凍融劈裂強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052—2000）T0729—2000執(zhí)行，試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型，采用高度控制模式，尺寸為直徑150mm、高度95.3mm的圓柱體。

低溫性能采用-10℃小梁彎曲、-10℃中梁彎曲和低溫約束凍斷試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)，其中低溫彎曲試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052—2000）T0715—2000執(zhí)行，加載速率50mm／min，小梁試件尺寸長(zhǎng)250mm，寬30mm，高35mm；中梁試件尺寸長(zhǎng)380mm，寬51mm，高64mm。低溫約束凍斷試驗(yàn)按照AASHTO TSRST：TP10—93執(zhí)行，凍斷試件尺寸為長(zhǎng)220mm，寬50mm，高50mm，降溫速率為10℃／h。

疲勞性能按照EN 12697—24方法執(zhí)行，疲勞試件尺寸為長(zhǎng)380mm，寬51mm，高64mm，采用常應(yīng)力三分點(diǎn)加載模式，荷載加載頻率10Hz，試驗(yàn)溫度為10℃[6]。

水穩(wěn)定性、低溫性能和疲勞性能評(píng)價(jià)采用的試驗(yàn)設(shè)備均為萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)UTM—100。本試驗(yàn)梁式試件均采用輪碾成型，圓柱體試件均采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)高度控制模式成型，并采用瀝青混合料切割機(jī)制成各試驗(yàn)用試件的尺寸。各試件均采用最佳油石比及其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件體密度的98%計(jì)算材料用量。

2.2 材料[8]

本工程用硬質(zhì)瀝青為中海油氣開發(fā)利用公司采用氧化工藝生產(chǎn)的AH—30硬質(zhì)瀝青。其質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果如表1所示.

表1 AH—30硬質(zhì)瀝青質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果明顯可見，30#瀝青的低溫延度明顯偏低，延度不滿足規(guī)范要求。從國(guó)外有關(guān)用于高模量瀝青混凝土的低標(biāo)號(hào)瀝青指標(biāo)（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）可見，多數(shù)規(guī)范均沒有提出延度的指標(biāo)要求。

本工程采用河北唐山產(chǎn)石灰?guī)r質(zhì)粗集料、細(xì)集料和礦粉，相關(guān)的密度試驗(yàn)結(jié)果見表5和表6。礦料密度檢測(cè)方法根據(jù)現(xiàn)行《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）執(zhí)行，礦料按照標(biāo)準(zhǔn)篩篩分成單檔集料進(jìn)行密度檢測(cè)，其中粒徑為2.36mm以上的集料按照網(wǎng)籃法T0304—2005測(cè)試毛體積相對(duì)密度和表觀相對(duì)密度；0.6mm、1.18mm檔細(xì)集料按照坍落筒法T0330—2005測(cè)試毛體積密度，按照T0328—2005 測(cè)試表觀密度，0.3mm、0.15mm、0.075mm及礦粉密度測(cè)試采用李氏比重瓶法測(cè)定表觀密度。

表2 各檔礦料料密度

2.3 礦料級(jí)配

本次試驗(yàn)采用的礦料級(jí)配如表3所示。

表3 礦料級(jí)配

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 基于礦料最緊密狀態(tài)法確定油石比

按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)，并分別采用T0705和T0711 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的毛體積密度測(cè)定及其混合料最大理論相對(duì)密度的測(cè)定，結(jié)果如表4、圖1和圖2所示。

表4 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件體積參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 礦料干密度與油石比關(guān)系曲線

圖2 礦料間隙率與油石比關(guān)系曲線

由表4、圖1和圖2可知，礦料干密度最大值和礦料間隙率最小值對(duì)應(yīng)的油石比分別為3.48%和3.47%，即礦料最緊密狀態(tài)對(duì)應(yīng)的油石比為兩者均值——3.5%，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的空隙率為3.2%（規(guī)范要求為3%～5%），礦料間隙率為11.1%（規(guī)范要求大于11%），瀝青飽和度為71.3%（規(guī)范要求為55%～70%）。值得注意的是，除瀝青飽和度超出瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中對(duì)于ATB—25的技術(shù)要求外，其余技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

本次試驗(yàn)以礦料最緊密狀態(tài)對(duì)應(yīng)的油石比（3.5%）為最佳油石比，進(jìn)行路用性能和模量等參數(shù)驗(yàn)證，最佳油石比對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件毛體積密度為2.5622g／cm3，試件體密度為2.4597g／cm3。

3.2 路用性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)方法，進(jìn)行硬質(zhì)瀝青混合料和改性瀝青混合料的高溫車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、小梁低溫彎曲試驗(yàn)、中梁低溫彎曲試驗(yàn)、低溫約束凍斷試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，其中，改性瀝青混合料的瀝青采用北京地區(qū)常用的SBS改性瀝青Ⅰ—C，粗細(xì)集料、礦粉及礦料級(jí)配、油石比及成型時(shí)的密度均與硬質(zhì)瀝青混合料相同。試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?和表6所示[8]。

表5 路用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果

表6 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖3 常應(yīng)力控制模式下的疲勞方程

由路用性能驗(yàn)證結(jié)果可知，在其他條件相同條件下，硬質(zhì)瀝青混合料與改性瀝青混合料相比，高溫性能、水穩(wěn)性能與改性瀝青混合料基本相當(dāng)；低溫性能略有降低，降低幅值在2%以內(nèi)；在各應(yīng)力水平下的疲勞性能都相對(duì)較高。

ATB—25最大公稱粒徑為26.5mm，小梁試件尺寸寬30mm、高35m，采用小梁試件進(jìn)行低溫彎曲時(shí)，受尺寸因素影響較大，小梁彎拉應(yīng)變數(shù)值較小，不滿足設(shè)計(jì)要求；但當(dāng)采用中梁試件（寬51mm、高64mm）時(shí)，彎拉應(yīng)變數(shù)值得到明顯提高。說明在評(píng)價(jià)集料公稱粒徑較大的瀝青混合料低溫彎拉應(yīng)變時(shí)，宜適當(dāng)考慮試件的尺寸效應(yīng)。

4 工程應(yīng)用情況

在以上試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，于2009年6月進(jìn)行了長(zhǎng)安街復(fù)興門—建國(guó)門段公交車道停車港灣的基層硬質(zhì)瀝青混合料鋪筑，鋪裝厚度為8～12cm，各檔集料比例為20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm：礦粉=50∶8∶10∶28∶4，油石比為3.5%[8]。

施工參數(shù)[9]分述如下：石料加熱溫度190～210℃；硬質(zhì)瀝青加熱溫度165 ～170℃；出料溫度170 ～185℃；攤鋪溫度不低于160℃；攤鋪速度1～3m／min；松鋪系數(shù)1.17。

施工碾壓工藝為：初壓溫度155℃以上，重膠輪2遍，速度3km／h；復(fù)壓溫度140℃以上，雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，采用“高頻、高振”的模式，5～6遍（前進(jìn)、后退均開振），速度4～5km／h；終壓溫度不低于90℃，雙鋼輪壓路機(jī)，靜碾壓至無(wú)輪跡，速度6～8 km／h。

截止2012年10月，經(jīng)過3個(gè)寒暑的考驗(yàn)，硬質(zhì)瀝青混合料補(bǔ)強(qiáng)基層處的公交車道停靠港灣處路面無(wú)明顯車轍和開裂現(xiàn)象。據(jù)2009年交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院的調(diào)查報(bào)告[1]統(tǒng)計(jì)：長(zhǎng)安街公交車日交通量在125000～160000輛之間，輪胎接地壓強(qiáng)在0.96～1.0MPa之間，交通荷載繁重。由此可見，采用礦料最緊密狀態(tài)法進(jìn)行硬質(zhì)瀝青混合料油石比設(shè)計(jì)是可行的，有利于提高路面結(jié)構(gòu)的抗重載性能。

5 結(jié)論

試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐檢驗(yàn)證明：采用礦料最緊密狀態(tài)法確定低標(biāo)號(hào)質(zhì)瀝青混合料的油石比是可行的，即將瀝青混合料的礦料間隙率最小值和干密度的最大值對(duì)應(yīng)的油石比作為混合料的最佳油石比。

在同等條件下，低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青混凝土具有與SBS改性瀝青混合料相當(dāng)?shù)穆酚眯阅?，在?yīng)力控制模式下的疲勞性能較好，抗重載永久變形性能突出；且材料造價(jià)相對(duì)SBS改性瀝青低廉，在性能與經(jīng)濟(jì)上都有其優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)一步推廣使用。

[1]交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.長(zhǎng)安街大修路面工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究報(bào)告[R].北京：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，2009.

[2]梁春雨.30#硬質(zhì)瀝青用于瀝青路面中下面層的試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[3]周克力，路凱冀.國(guó)外硬質(zhì)瀝青及高模量瀝青混凝土研究現(xiàn)狀[J].公路交通科技，2005，22（5）：83－87.

[4]王旭東.一種新型瀝青混合料體積設(shè)計(jì)方法的探討[J].上海公路，2011，（2）：1－4.

[5]JTJ 052—2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[6]JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[7]JTG E42—2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[8]交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.北京市長(zhǎng)安街大修工程瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)報(bào)告[R].北京：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，2009.

[9]交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.長(zhǎng)安街大修改造工程補(bǔ)強(qiáng)層ATB—25施工細(xì)則[R].北京：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，2009.