瀝青混合料AC-20C礦料的施工組成設(shè)計(jì)分析

黃小慧 曹毅 韋增增

摘要：文章模擬評價施工過程中2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、19～26.5 mm的分計(jì)篩余量波動對一種粗型密級配AC-20C的性能影響。其中，AC-20C的礦料組成19 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm通過率分別為90.8%、50%、33.2%、23.8%，試驗(yàn)采用SGC旋轉(zhuǎn)搓揉成型方法和馬歇爾擊實(shí)法評價了AC-20C的壓實(shí)特性，采用馬歇爾法評價了AC-20C的145 ℃、165 ℃的體積參數(shù)，并采用動穩(wěn)定度、單軸貫入強(qiáng)度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比三個指標(biāo)評價了AC-20C的高溫穩(wěn)定性能及水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：2.36～26.5 mm的粗集料在AC-20C中起骨架作用，其中，9.5 mm的通過率宜控制在50%～55%，19～26.5 mm粗集料的適當(dāng)用量可以提高瀝青混合料的抗變形能力，隨著嵌擠粗集料4.75～9.5 mm用量的增加，AC-20C的礦料間隙率增加，毛體積相對密度降低、空隙率增大，最大剪應(yīng)力下降，其用量宜≤24%，次級嵌擠粗集料2.36～4.75 mm粗集料宜≤12%，SBS改性瀝青混合料AC-20C的60 ℃動穩(wěn)定≥6 000次/mm，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比>75%。

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青混合料;礦料組成;空隙率;動穩(wěn)定度;貫入強(qiáng)度;凍融劈裂強(qiáng)度比

0 引言

由于黑色路面的吸熱特性，三層瀝青路面的中面層的溫度相對最高，而瀝青作為一種膠結(jié)料，具有時溫等效特性。為此，必須重視中面層常用的粗型密實(shí)配瀝青混合料AC-20C的礦料組成設(shè)計(jì)及其施工過程的質(zhì)量控制，以確保路面在使用過程中，在荷載應(yīng)力及一定的溫濕度環(huán)境條件下瀝青混合料AC-20C的變形處于蠕變遷移穩(wěn)定階段，黏性應(yīng)變的累積變形量≤6 mm。本文結(jié)合廣西高速公路常用的粗集料關(guān)鍵篩孔19 mm、9.5 mm、2.36 mm對應(yīng)通過率分別是90.8%、50%、23.8%的粗型密級配AC-20C的礦料組成設(shè)計(jì)，模擬施工過程比對分析粗集料2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、19～26.5 mm的分計(jì)篩余量波動對AC-20C的壓實(shí)特性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性的影響，以提出粗型密級配AC-20C施工允許波動的合理級配范圍。

1 AC-20C的礦料級配組成設(shè)計(jì)

粗型密級配的AC-20C的三個級配組成如表1所示，其中，2.36 mm的通過率控制在23%～24%，0.075 mm的通過率控制在5%～6%。

從表1、表2可以看出，級配二為設(shè)計(jì)目標(biāo)級配，級配一、級配三為級配二的波動級配。在AC-20C的三個級配中，級配三中4.75 mm的通過率最低，即混合料中>4.75 mm的粗集料用量最多，但其中未摻配粗集料19～26.5 mm，粗集料4.75～9.5 mm的分計(jì)篩余為24.8%。與級配三不同，在級配一、級配二中，粗集料19～26.5 mm的分計(jì)篩余量在7%～10%之間。級配二與級配三的差異主要在于：級配二以粗集料4.75～26.5 mm做骨架，級配一以粗集料2.36～26.5 mm做骨架。

試驗(yàn)采用SBS改性瀝青，按AC-20C的油石比3.8%成型馬歇爾法試件，試件體積指標(biāo)如表3所示。

由表3中可以看出，三個級配的理論最大相對密度一樣，空隙率關(guān)系為級配二<級配一<級配三，瀝青飽和度關(guān)系為級配三<級配一<級配二，礦料間隙率關(guān)系為級配二<級配一<級配三，三個級配的指標(biāo)關(guān)系是相對應(yīng)的。級配三的礦料間隙率、空隙率相對最大，這表明了粗集料嵌擠料4.75～9.5 mm用量對骨架的相對干涉作用。

為進(jìn)一步評價三組級配的壓實(shí)特性，分別采用SGC旋轉(zhuǎn)搓揉成型方法、馬歇爾擊實(shí)法制作試件，經(jīng)160次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)下各級配毛體積相對密度實(shí)測值如表4所示。

根據(jù)SGC壓實(shí)的特點(diǎn)，記錄指定壓實(shí)次數(shù)下試件的高度，計(jì)算各次數(shù)下的壓實(shí)度后，繪制壓實(shí)次數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系曲線圖，如圖1所示。

（1）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)SGC下的級配分析

從圖1可以看出，在相同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下，壓實(shí)度關(guān)系分別為級配一>級配二>級配三，而同一壓實(shí)度下，級配一所需壓實(shí)次數(shù)最少，級配二次之，級配三最多。這表明在相同壓實(shí)功下，級配一最易壓實(shí)，級配二次之，級配三最難壓實(shí)。

由圖1可以看出兩種空隙率下混合料的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，如表5所示。

由表5可知，三種級配的N2/N5關(guān)系為級配一>級配二>級配三，說明級配三最難以壓實(shí)，級配二次之，級配一最易壓實(shí)。這也進(jìn)一步表明了粗集料嵌擠料4.75～9.5 mm用量對骨架的相對干涉作用，用量相對越多，礦料間隙率相對越大。

（2）兩種不同成型方式的各級配體積參數(shù)對比

100次設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)下馬歇爾成型各級配相關(guān)參數(shù)如表6所示。

根據(jù)不同成型方式下馬歇爾的體積參數(shù)，繪制不同成型方式下的各級配體積參數(shù)對比圖如圖2所示。

由圖2及表6可以看出，與馬歇爾成型方式相比，相同級配下SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)條件下成型的試件毛體積密度更大，級配一密度提高了0.68%，級配二密度提高了0.24%，級配三密度提高了1.2%，影響程度為級配三>級配一>級配二;空隙率明顯小于馬歇爾成型的試件，其中，級配一降低了0.7%，降幅為21.9%，級配二降低了0.3%，降幅為10%，級配三降低了7.6%，降幅為11.3%，影響程度為級配一>級配三>級配二;而瀝青飽和度均要大于馬歇爾成型方式的試件的，分別增加了4.2%、2.2%和7.6%，增幅分別為5.7%、3.0%和11.3%，影響程度為級配三>級配一>級配二;礦料間隙率則要更小，三個級配分別降低了0.4%、0.2%和1.0%，降幅分別為3.4%、1.8%和8.0%，影響程度為級配三>級配一>級配二。

綜上所述，三個級配受成型方式影響的程度大小排列關(guān)系為：級配三>級配一>級配二，4.75～9.5 mm單粒徑達(dá)24.8%時，AC-20C相對難以壓實(shí)。

為了模擬施工現(xiàn)場碾壓溫度對AC-20C的壓實(shí)特性的影響，采用馬歇爾雙面擊實(shí)各75次分別在145 ℃、165 ℃成型馬歇爾試件，對試件體積參數(shù)進(jìn)行測試的結(jié)果如表7所示。

由表7可以看出，隨著成型溫度的降低，級配一與級配二的毛體積相對密度均呈現(xiàn)降低的趨勢，級配一的毛體積相對密度降幅最大，級配一、級配二、級配三中>2.36 mm的用量基本一致，級配一中嵌擠粗集料2.36～4.75 mm的單粒級用量為12.4%，用量相對最多。

2 AC-20C的性能驗(yàn)證

2.1 車轍試驗(yàn)、單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)

AC-20C三種級配類型的瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8可以看出，不考慮變異系數(shù)的影響，隨著粗集料含量的增加，瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度先減小后增大，但三種級配下瀝青混合料高溫穩(wěn)定性均遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。從級配一到級配二，粗集料含量從63.4%增加至66.8%，粗集料含量增加3.4%，動穩(wěn)定度從13 639次/mm降低至7 760次/mm，但車轍總變形量從1.604 mm降低至1.401 mm，總變形反而有所降低;從級配二到級配三，粗集料含量從66.8%增加至70%，粗集料含量增加3.2%，動穩(wěn)定度從7 760次/mm增加至9 021次/mm，車轍總變形量從1.401 mm增加至1.746 mm，總變形反而有所增加。

從級配一和級配二的車轍動穩(wěn)定度與總變形試驗(yàn)結(jié)果對比來看，級配二在4.75 mm篩孔通過率較低，粗集料含量高，同時9.5 mm篩孔通過率也較低，級配一4.75～9.5 mm區(qū)間粗集料占19.3%，級配二雖然4.75 mm以上粗集料比級配一多，但4.75～9.5 mm區(qū)間粗集料僅為16.8%，因此級配二骨架結(jié)構(gòu)比級配一更穩(wěn)定，因此動穩(wěn)定度變形更小。而級配三4.75 mm粗集料含量達(dá)到70%，但4.75～9. 5 mm區(qū)間的粗集料也達(dá)到了24.8%，因此級配二比級配三的礦料骨架更穩(wěn)定，級配三的動穩(wěn)定度變形比級配二的相應(yīng)更高。

為進(jìn)一步評價瀝青的抗變形能力，采用單軸貫入試驗(yàn)。AC-20C瀝青混合料的單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果見表9和圖3。

從圖3可以看到：（1）抗剪強(qiáng)度大小依次為級配一>級配二>級配三，級配二的抗剪強(qiáng)度比級配三提高11.6%，級配一的抗剪強(qiáng)度比級配二提高19.7%，比級配三的抗剪強(qiáng)度提高33.5%;（2）剪切破壞時變形量大小依次為級配一>級配二>級配三，但相差不大。

從三種級配的瀝青混合料的礦料級配組成來看，以4.75 mm篩孔為界，級配二比級配一粗集料比例高3.4%，級配三比級配二粗集料比例高3.2%，比級配一粗集料比例高6.6%。對比這三種級配的瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果可知，級配一具有更好的抗剪切性能，級配三的抗剪切性能最差。這表明AC-20C以粒徑2.36 mm為界，>2.36 mm的粗料部分形成混合料的骨架，19～26.5 mm的適當(dāng)用量可以提高瀝青混合料的抗變形能力，4.75～9.5 mm的用量宜在24%以下，不宜過多，9.5 mm的通過率宜控制在50%～55%之間。

2.2 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)的水穩(wěn)定性驗(yàn)證

AC-20C瀝青混合料的水穩(wěn)定性驗(yàn)證采用浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行評價，結(jié)果見表10。

從表10可以看出，三種級配下瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

（1）篩孔為0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率分別為5%、23.8%、33.2%、50%、90.8%的粗型密級配瀝青混合料AC-20C具有良好的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能。

（2）瀝青混合料AC-20C的19 mm、9.5 mm、4.75 mm的通過率波動范圍分別宜控制在90%～100%、50%～55%、30%～36%，而2.36 mm的通過率應(yīng)≤24%。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁迎捷，周進(jìn)川，胡長順.瀝青混合料壓實(shí)機(jī)理新解[J].公路，2002（2）：50-53.

[2]沈金安.關(guān)于瀝青混合料的均勻性和離析問題[J].公路交通科技，2001，18（6）：20-24.

[3]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

作者簡介：黃小慧（1984—），工程師，主要從事施工、監(jiān)理以及試驗(yàn)檢測工作;

曹 毅（1975—），工程師，主要從事公路養(yǎng)護(hù)施工與管理工作;

韋增增（1997—），碩士研究生，研究方向：道路材料、施工技術(shù)等。