薄層罩面瀝青混合料最佳瀝青用量分析

摘 要：本文深入研究鋪設(shè)道路薄層罩面工程，通過礦料級配分析、配合比設(shè)計和馬歇爾試驗等多方面研究，確定AC-10的最佳油石比為5.7%，SMA-13的最佳石油比為6.5%。其中，SMA-13作為性能優(yōu)良的瀝青混合料發(fā)揮了重要作用，例如在抗車轍性、耐久性和穩(wěn)定性方面的綜合性能優(yōu)異，而AC-10在施工便捷性和成本效益等方面具有其獨特的優(yōu)勢。因此，在城鎮(zhèn)道路薄層罩面技術(shù)施工中，因為SMA-13含有更多的粗集料，具有更緊密的骨架結(jié)構(gòu)，并且穩(wěn)定性和承載能力更高，所以對高耐久性和穩(wěn)定性有高要求的工程項目通常用SMA-13。

關(guān)鍵詞：薄層罩面；最佳瀝青用量；配合比設(shè)計

中圖分類號：U 41" 文獻標志碼：A

隨著現(xiàn)代公路工程建設(shè)事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，城鎮(zhèn)道路瀝青路面病害及養(yǎng)護施工面臨新的挑戰(zhàn)，對養(yǎng)護施工技術(shù)方法也提出了更高的要求[1]。薄層罩面作為一種有效的超薄瀝青磨耗層養(yǎng)護技術(shù)，主要目的是對高等級瀝青路面進行預防性養(yǎng)護和輕微病害進行矯正性養(yǎng)護，在道路擴建或維修過程中得到了廣泛應用[2]。

有學者提出CAVP法骨架型級配設(shè)計理論，我國公路行業(yè)采用不同級配類型的瀝青混合料超薄層進行了廣泛研究和應用。目前，熱拌混合料封層可細分為AC型、SMA型、OGFC型和Novachip技術(shù)等多種類型。白小偉[3]對溫拌瀝青薄層罩面技術(shù)進行綜合探究，確定了最佳油石比，并對其路用性能進行系統(tǒng)性研究，得出了各種混合料最佳性能指標，可以為后續(xù)同類工程施工提供理論依據(jù)。本文針對AC-10、SMA-13兩種瀝青混合料進行研究，確定其最佳瀝青用量。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗所用瀝青為SBS改性瀝青，表1為主要技術(shù)指標的實測結(jié)果。

將粗集料和細集料作為骨料，石灰?guī)r礦粉作為填料，木質(zhì)素纖維或礦物纖維作為纖維穩(wěn)定劑，木質(zhì)素纖維應采用絮狀木質(zhì)素纖維，礦物纖維應選擇束狀玄武巖纖維。用含有0.3%玄武巖纖維、級配類型為AC-10的改性瀝青和含有0.3%木質(zhì)素纖維、級配類型為SMA-13的改性瀝青分別制備瀝青混合料試件，并進行馬歇爾試驗。

1.2 試驗設(shè)備

試驗所需設(shè)備有馬歇爾穩(wěn)定度儀、馬歇爾擊實儀、電熱鼓風干燥箱、車轍成型機、車轍試驗機、路面滲水儀、瀝青混合料拌和機、瀝青混合料理論最大相對密度儀、洛杉磯磨耗試驗機等。

2 配合比設(shè)計方案

2.1 AC-10混合料級配

先確定AC-10的3種級配（級配1、級配2、級配3），4.75mm篩孔通過率分別為66.6%、64.0%、61.4%，分別測定3種級配的VCADRC，對油石比為4.5%、5%、5.5%、6%、6.5%的5組試件雙面各擊實75次，測定VCAmix及VMA等指標，在滿足VCAmix小于VCADRC和VMA大于16.5%的基礎(chǔ)上，對3種級配進行分析，確定最佳級配為級配2。AC-10原材料級配及合成級配見表2，級配曲線圖如圖1所示。

由圖1可以看出，該曲線形態(tài)偏凹，表明集料中粒徑較小的含量占比較高。當粒徑為0.075mm～9.5mm時，曲線呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。隨著篩孔尺寸逐漸增加，更多顆粒能夠順利通過篩網(wǎng)，使累計通過百分率不斷上升。這個階段的上升趨勢說明集料中小粒徑顆粒向較大粒徑顆粒逐漸過渡。然而，當粒徑為9.5mm～13.2mm時，曲線變得相對平緩，表明集料中的較大粒徑逐漸減少，而較小粒徑的含量則相對穩(wěn)定或略有增加。

2.2 SMA-13混合料級配

首先，確定SMA-13的3種級配（級配1、級配2、級配3），4.75mm篩孔通過率分別為29.8%、26.9%、24.1%，其次，分別測定3種級配的VCADRC，對油石比為5.8%、6.0%、6.2%、6.4%、6.6%的5組試件雙面各擊實75次，測定VCAmix及VMA等指標，在滿足VCAmix小于VCADRC和VMA大于17%的基礎(chǔ)上，對3種級配進行分析，確定最佳級配為級配2。

SMA-13原材料級配及合成級配見表3，級配曲線如圖2所示。

圖2直觀展示了SMA-13集料的粒徑分布情況，可以保證集料級配滿足設(shè)計要求、保證試驗準確性。由圖2可知，隨著篩孔尺寸逐漸增加，合成級配曲線呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。當粒徑為0.075mm～4.75mm時，曲線平滑且穩(wěn)定，表明集料中各種粒徑的含量相對均勻，沒有出現(xiàn)明顯的粒徑缺失或過?，F(xiàn)象。這種均勻的粒徑分布有助于保證混合料的均勻性和穩(wěn)定性，從而提高其整體性能。然而，當粒徑為4.75mm～16mm時，曲線變化幅度較為明顯，呈現(xiàn)偏凸的形態(tài)，說明集料中較小粒徑的含量相對較多，而較大粒徑的含量則相對較少。

AC-10的級配曲線的顆粒分布較為均勻，而SMA-13則含有較多的粗集料而骨架結(jié)構(gòu)更為緊密。兩種混合料的礦料間隙率均在合理范圍內(nèi)，但SMA-13的礦料間隙率相對較低，表明其結(jié)構(gòu)更密實。

3 確定瀝青最佳用量

馬歇爾試驗是確定瀝青混合料試件的破壞荷載和抗形變能力的重要方法，方法原理是對試件施加壓力，形成所受壓力與變形曲線圖，得出試件從受壓至破壞時承受的最大荷載，即穩(wěn)定度MS和試件達到最大破壞荷載時的垂直變形，即流值FL。馬歇爾穩(wěn)定度與流值是瀝青混合料配合比設(shè)計的主要指標。

3.1 試驗方法

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中瀝青混合料試件的制作方法（擊實法）中成型的標準馬歇爾試件圓柱體。AC-10結(jié)構(gòu)按照4.5%、5%、5.5%、6%和6.5%（混合料質(zhì)量比）、SMA-13結(jié)構(gòu)按照5.8%、6%、6.2%、6.4%、6.6%（混合料質(zhì)量比）的改性瀝青用量，分別制作兩組瀝青混合料馬歇爾試驗試件，試件制備規(guī)格為101.6mm×63.5mm圓柱體試件。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 AC-10最佳瀝青用量計算

AC-10瀝青混合料馬歇爾力學指標如圖3所示，物理指標檢測結(jié)果見表4。

將馬歇爾穩(wěn)定度最大值、試件毛體積密度最大值、目標空隙率中值，瀝青飽和度范圍中值的瀝青用量設(shè)置為a1、a2、a3和a4，利用公式（1）計算最佳瀝青用量的初始值OAC1。

（1）

式中：a1為馬歇爾穩(wěn)定度最大值；a2為試件毛體積密度最大值；a3為目標空隙率中值；a4為設(shè)計瀝青飽和度范圍中值。

在圖3中找到滿足各項指標要求的瀝青用量，OACmin為最小值（4.6），ACmax為最大值（6.2），將其代入公式（2）。

（2）

計算得到OAC2為5.4，則計算最佳瀝青用量OAC如公式（3）所示。

（3）

當實際工程中出現(xiàn)以下兩種情況時，需要調(diào)整OAC：在炎熱地區(qū)公路，高速公路、一級公路的重載交通等路段，瀝青用量應在OAC的基礎(chǔ)上減少0.1%～0.5%，且空隙率必須符合設(shè)計要求；在寒區(qū)道路、旅游公路、交通量很少的公路，瀝青用量應在OAC的基礎(chǔ)上增加0.1%～0.3%。

3.2.2 SMA-13最佳瀝青用量計算

SMA-13瀝青混合料馬歇爾力學指標如圖4所示，物理指標檢測結(jié)果見表5。

3.2.3 SMA-13最佳瀝青用量計算

用同樣方法，可得出SMA-13的OAC1為5.8。在圖4中找到滿足各項指標要求的瀝青用量，最小值OACmin為5.8，最大值OACmax為6.6，進而得出OAC2為6.2，最終確定SMA-13的最佳瀝青用量OAC為6.5。

4 最佳油石比下瀝青混合料的性能檢測

通過車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗等測定瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性，檢測結(jié)果見表6。

4.1 配合比設(shè)計優(yōu)化

AC-10配合比設(shè)計優(yōu)化：AC-10最佳油石比為5.7%，該配合比混合料毛體積相對密度為2.379，理論最大相對密度為2.491，其他指標均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中AC-10瀝青混合料標準相應技術(shù)要求。

通過上述檢測分析，對上面層AC-10型瀝青混合料配合比設(shè)計進行優(yōu)化，結(jié)果見表7。

4.2 SMA-13配合比設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)SMA-13路面設(shè)計要求，當使用瀝青混合料毛體積密度時，空隙率應控制在3.0%～4.0%。當油石比為6.3%，空隙率為3.9%，且其他指標（VMA、VCA、穩(wěn)定度、飽和度等）均滿足設(shè)計要求時，根據(jù)工程實際，油石比取6.5%。

通過上述檢測分析，對上面層SMA-13型瀝青混合料配合比設(shè)計進行優(yōu)化，結(jié)果見表8。

5 結(jié)語

通過上述試驗，可以得出以下結(jié)論。1）AC-10的最佳油石比為5.7%，SMA-13的最佳石油比6.5%。2）SMA-13在薄層罩面應用中表現(xiàn)出更為優(yōu)異的綜合性能，特別是在抗車轍性能、耐久性和穩(wěn)定性方面，AC-10在施工便捷性和成本效益等方面具有其獨特的優(yōu)勢。3）在城鎮(zhèn)道路薄層罩面施工中，SMA-13具有更高的穩(wěn)定性和承載能力。

參考文獻

[1]孔維春.公路瀝青路面病害及養(yǎng)護施工技術(shù)分析[J].運輸經(jīng)理世界，2024（18）：124-126.

[2]張紀軍.薄層罩面技術(shù)在公路養(yǎng)護中的應用[J].交通世界，2021（14）：111-112.

[3]白小偉.瀝青薄層罩面用溫拌混合料的路用性能探討[J].交通世界，2023（22）：33-36.

通信作者：李化東（1979—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，教授，研究方向為道路工程。電子郵箱：103285329@qq.com。