AC-20沥青混合料路用性能优化

2010-01-28陆学元

土木工程与管理学报 2010年2期

陆学元

(安徽省高速公路控股集团有限公司，安徽合肥 230051)

随着渠化交通、重载车辆的日渐增多与夏季高温多雨、湿度偏大，常用于沥青路面中面层的AC-20沥青混凝土结构出现车辙和水损害问题较为突出，降低了路面的使用性能和服务水平，诱发唧泥、泛油等问题，影响了行车安全。根据国内外大量研究与路面病害分析，发现在整个沥青路面结构中，车辙和水损害主要与中面层相关[1～4]。中面层一般为竖向受压区，力学上以抗竖向压缩为主，中面层发生车辙病害的程度最大，而且承受的剪应力最大。车辙已成为影响沥青路面耐久性的突出矛盾。因此，中面层应具有很强的高温抗变形能力，以抵抗荷载的重复作用。国内学者进行了相关研究[5～10]，有力地推动了混合料设计水平的提高和路用性能的改善，这些研究主要集中于表面层的原规范AC-16、AK-13型级配[11～14]，对常用于中面层的AC-20沥青混合料性能优化，施工细节中客观存在的级配和油石比变异对路用性能的影响问题，如沥青混合料粗集料集中区域仍会出现油石比偏大等现象对路面力学性能造成的影响，基于施工质量控制的研究还较少。笔者在总结前人的研究成果和现行规范级配[15]的基础上，开展沥青混合料组成设计和考虑施工质量控制的综合路用性能优化分析，以提高路面使用性能和耐久性。

1 沥青混合料组成设计优化

1.1 试验原材料与设计

粗集料为石灰岩，细集料为石灰岩机制砂，填料为矿粉，结合料为SBS I-D级改性沥青，原材料技术指标均符合规范要求(具体指标从略)。采用正交试验设计，按照L25(5)6安排试验[16～17]，适当放大文献[15]级配下限值，尽可能将影响马歇尔技术指标的各因素列入其中，并考虑因素水平搭配组合时不出现负值，选取9.50 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm筛孔通过率和油石比的5因素5水平(分别以A、B、C、D、E表示)，见表1，级配范围涵盖了粗型和细型级配，合成级配均符合设计要求，见表2。

表1 正交设计(AC-20)因素水平

表2 正交试验方案

1.2 结果分析

按规程[18]要求成型沥青混合料试件，击实温度为163℃±2.5℃，采用真空法实测理论最大相对密度，每组击实有效试件6个，试验结果如表3。极差与方差分析结果如表4和表5。

表3 AC-20改性沥青混合料马歇尔试验结果

表4 级差分析结果

注：k1、k2、k3、k4、k5分别是因素A、B、C、D、E的第1水平、第2水平、第3水平、第4水平、第5水平所在的试验中对应各考核技术指标平均值；R表示极差，R越大表示因素影响越显著。

上述两种分析计算结果表明，马歇尔技术指标影响因素的极差和方差分析结果基本一致，表明试验结果并不是由于试验误差引起的，而是因素本身对试验结果产生显著影响。同时采用方差分析可对各因素的显著性水平给出一个定量分析，避免极差分析中不能估计试验过程中必然存在误差大小的缺点。

表5 方差分析结果

注：若F>F0.01(f因，fE)，称该因素是高度显著的，用三个星号表示，如***；若FF0.05(f因，fE)，则称该因素的影响是显著的，用1或2个星号表示；若F

(1)空隙率和饱和度的影响因素大小排序分别为D>E>A>C>B、E>D>A>C>B。其中，0.075 mm、9.5 mm和2.36 mm通过率以及油石比为显著影响因子，而4.75mm通过率影响并不显著。据此可优化确定满足此类沥青混合料设计空隙率为3%～6%和饱和度为65%～75%要求的各因素取值范围：A为48%～62%，B为28%～45%，C为19%～28%，D为4.5%～7%，E为4.3%～4.7%。

(2)影响马歇尔稳定度的因素大小排序为A>D>C>B>E，除9.5 mm通过率影响接近显著外，其他因素影响不显著，表明合理优化9.5 mm通过率可显著提高沥青混合料的高温承载力。间隙率和毛体积密度的影响因素大小排序为D>A>C>B>E、D>C>A>E>B，说明优化0.075 mm和9.5 mm通过率可显著降低矿料间隙率；优化0.075 mm、2.36 mm和9.5 mm通过率对增大试件毛体积密度较为明显。同时可看出，影响毛体积密度和空隙率的因素排序不同，主要原因是混合料密度大小不仅取决于空隙率大小，一定程度上更取决于集料组成的空隙率大小，增大油石比可显著降低空隙率，但并不能有效增大试件密度，建议优化集料组成可显著提高沥青混合料组成设计水平。

2 基于施工质量控制的沥青混合料性能优化

2.1 试验设计与结果分析

为模拟AC-20沥青混合料施工质量控制，选取细集料砂当量、填料类型、粉胶比和空隙率作为因素水平，采用L9(3)4安排试验设计，如表6。先实测机制砂砂当量，采用通过研磨并经过0.075 mm筛孔筛分，将其小于0.075 mm筛孔通过率的泥土作为配制表6设计要求的砂当量使用；固定油石比为4.3%，保持2.36 mm筛孔通过率不变，调整矿粉和细集料，变化0.075 mm筛孔通过率，依次得到粉胶比为0.6、1.1、1.6，从而得到符合设计要求的砂当量和粉胶比的合成级配如表7。通过调整马歇尔击实次数得到不同空隙率水平，按规程方法[18]成型沥青混合料每组有效试件4个，采用LDR-2型沥青混合料冻融劈裂仪，主要技术参数为最大荷载50 kN，荷载范围5～35 kN，加载速率(50±5) mm/min，并按照马歇尔密度成型车辙板与进行动稳定度试验。室内试验结果如表8,极差分析结果如表9。

表6 正交设计(AC-20)因素水平

表7 不同砂当量级配组成设计

表8 正交试验设计与结果

注：DS为动稳定度；RT2为未冻融劈裂强度；RT1为冻融劈裂强度；TSR为冻融劈裂强度比。

表9 冻融劈裂强度和车辙极差分析结果

从表9分析可知，(1)未冻融和冻融劈裂强度的影响因素排序均为I>F>H>G；TSR的因素排序为F>I>G>H。说明空隙率和砂当量均为水稳定性的主要影响因素。空隙率由4.5%增至10%时，冻融劈裂强度单调衰减46.2%；砂当量由80%降至60%时，TSR衰减10.6%，但当砂当量由80%降低到40%时，冻融劈裂强度比单调降低27.3%。表明经过三阶段水循环后的冻融劈裂强度衰减主要取决于试件的内在空隙率大小，空隙率越大，其衰减越明显。同时可见，冻融劈裂强度与TSR影响因素的影响程度并不一致，TSR反映的是未冻融劈裂强度与冻融劈裂强度的比值，不仅取决于未冻融劈裂强度值，也取决于作为分母的冻融劈裂强度值，TSR增大仍存在冻融劈裂强度值小的问题。因此建议，TSR作为评价材料抗水损害的同时，应结合冻融劈裂强度值的大小综合考虑，以提高路面的力学性能。(2)影响60°C动稳定度的因素排序为I>H>G>F。空隙率和粉胶比较其他因素对动稳定度有显著影响，空隙率由4.5%增至10%，60°C动稳定度衰减34.2%；粉胶比由0.6增加到1.6，60°C动稳定度增加29.5%。表明增大施工压实度和适当提高粉胶比有助于提高抗车辙性能。综上所述，优先考虑细集料的洁净程度，砂当量宜控制在70%以上，成型路面空隙率宜控制在6%以下，粉胶比宜控制在1.1～1.6。

3 沥青混合料高温抗车辙性能优化

由于中面层在沥青路面结构设计和实际使用性能中具有最为显著的抵抗高温抗剪切变形能力，为探讨4.75 mm筛孔通过率的变化对高温抗车辙性能的影响，专门在高温条件下，通过70°C动稳定度试验研究这类沥青混合料的高温抗车辙特性，以探讨常用于路面结构中面层的AC-20沥青混合料抵抗高温车辙性能的作用。油石比为4.3%，4.75 mm通过率依次确定为24%、27%、30%、33%、41%、49%，级配见表10。以马歇尔试件密度成型车辙板，每组3块板变异系数均小于20%，取平均值作为试验结果，如图1～图4。

表10 AC-20合成级配组成设计

图1 动稳定度与4.75 mm筛孔通过率关系

图2 动稳定度与空隙率关系

图3 动稳定度与各筛孔通过率关系

图4 试件空隙率与各筛孔通过率关系

由上述试验结果可知，随着级配由粗型变为细型，70℃动稳定度呈明显抛物线型，4.75 mm通过率为30%～33%左右时出现峰值，达到近4000次/mm，此时试件空隙率为4.7%。之后随着4.75 mm通过率逐渐增大，70℃动稳定度由3913次/mm衰减到1772次/mm，衰减54.7%；70℃动稳定度与4.75 mm通过率的线性相关性(80.9%)明显优于与2.36 mm和9.5 mm通过率的线性相关性，但试件空隙率与2.36 mm和9.5 mm通过率的线性相关性较4.75 mm关系最为密切，表明空隙率偏小或偏大并不能提高高温抗车辙性能，也进一步印证了本文采用正交均匀理论分析的4.75 mm通过率对此类混合料空隙率并不显著结论的正确性。表明尽管4.75 mm通过率对马歇尔性能指标影响较小，但对高温70°C抗车辙性能贡献很大，优化沥青混合料组成的骨架密实作用，可有效提高沥青路面的高温抗车辙性能。