粉胶比对沥青混合料路用性能影响的试验研究

2014-09-13刘玉龙李洪峰

森林工程 2014年3期

刘玉龙，王旭，李洪峰

(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040)

沥青混合料用于道路面层，直接与交通荷载接触，同时会受到温度与雨水的影响，其路用性能的好坏就决定了沥青路面的使用性能和使用寿命。沥青混合料是典型的粘弹性材料，该粘弹性主要取决于沥青胶浆的性能，即沥青—矿粉系统结构的粘结力作用[1]。沥青与矿粉的相对比例即为粉胶比，按照该比例形成沥青胶浆。沥青胶浆是构成沥青混合料的三级分散中的微分散系，最初级的粘结作用就发生在沥青胶浆中和沥青胶浆与集料的粘结面上，沥青胶浆与集料的粘结面中又包含了沥青与集料的粘结作用及沥青膜本身的粘弹性能[2-3]。粉胶比在很大程度上决定了沥青胶浆的性能，进而影响沥青混合料的路用性，因此沥青混合料应具有合适的粉胶比。

1 试验研究内容

试验采取粉胶比0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4七个水平分别进行车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔和冻融劈裂试验，分析粉胶比变化对沥青混合料路用性能的影响，并确定合理的粉胶比范围。

1.1 混合料级配设计

试验采取调整0.075 mm的筛孔通过率，在确保级配基本不变的前提下，实现不同粉胶比。采用AH-90石油沥青进行密集配AC-16沥青混合料配合比设计，确定最佳沥青用量，结果见表1和表2，如图1所示。

表1 级配组成

表2 不同沥青用量的马歇尔试验结果

经计算，毛体积密度最大值a1=4.7％，稳定度最大值a2=4.5％，孔隙率范围中值a3=4.7％，沥青饱和度范围中值a4=4.8％，OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4=4.675％；各项指标均符合技术标准(不含VMA)的沥青用量范围OACmin～OACmax，其中OACmin=4.3％，OACmax=4.8％，OAC2=(OACmin+OACmax)/2=4.55％；最佳沥青用量OAC=(OAC1+OAC2)/2=4.61％，换算成油石比为4.82％。

1.2 高温性能试验

1.2.1 车辙试验

为充分模拟沥青路面上车轮行驶的实际情况，采用车辙试验来评价不同粉胶比的沥青混合料抵抗车辙变形的能力。试验通过轮碾成型法制作车辙试件，试件尺寸规格300 mm×300 mm×50 mm，常温条件下放置12 h后，连同试模置于60℃的恒温室中不少于5 h，然后置于试验台上，启动试验机，试验结果见表3，如图2和图3所示。

表3 不同粉胶比车辙试验结果

图2 车辙试验曲线

图3 粉胶比—动稳定度曲线

1.2.2 试验结果分析

由图3可知，随着粉胶比的增大，动稳定度增大，当粉胶比为1.2时，动稳定度达到峰值，粉胶比大于1.2时，动稳定度呈现减小趋势，粉胶比达到1.4时，降低幅度明显增大。这是由于矿粉用量增大，结构沥青数量增加，高温稳定性较好；当矿粉过量时，未能够均匀的分散在沥青中，胶结成团，导致了动稳定度降低；除此之外，矿粉用量的增大导致沥青用量相对较少，不能将全部矿粉颗粒裹覆，使粘聚力降低。因此，粉胶比越大，沥青混合料的高温稳定性在一定程度上有所提高，但并不意味着可以通过任意提高粉胶比来增强其高温性能，粉胶比过大反而会降低沥青胶浆的粘结性能，进而对混合料的高温稳定性产生不利影响，根据试验结果，对于高温稳定性而言，粉胶比宜在1.1～1.3之间。

1.3 低温性能试验

1.3.1 小梁低温弯曲试验

低温弯曲试验主要是用来测定单向混合料的力学性能，根据试验结果计算劲度模量，即在荷载作用下应力与应变的关系，评价低温抗裂性能[3]。将标准车辙试件切割成尺寸为250 mm×30 mm×3 mm的小梁试件，每组6个根，置于-10℃防冻液中保温45 min后，进行弯曲试验，加载速率为50 mm/ min。试验结果见表4。

表4 不同粉胶比低温弯曲试验结果

1.3.2 试验结果分析

从-10℃低温弯曲试验结果可以看出，不同粉胶比对抗弯拉破坏强度有一定影响(如图4所示)，随着粉胶比的增大，破坏强度增大，但增大到一定程度时，又有减小的趋势，即粉胶比为1.1时，破坏强度出现峰值，粉胶比大于1.1时，破坏强度开始减小；如图5所示，破坏劲度模量变化趋势与弯拉应变相反，呈“凹”型曲线，在低凹处出现劲度模量最小值，其值范围在8 000～12 000MPa之间，粉胶比过大或过小，劲度模量值均较大，即混合料低温脆性增大，延性降低；粉胶比变化对抗弯拉应变影响较为明显(如图6所示)，抗弯拉应变随粉胶比变化呈“凸”型曲线变化，随着粉胶比的逐渐增大，弯拉应变增大，并且粉胶比在1.0～1.1之间出现峰值，粉胶比的继续增大时，弯拉应变则开始减小，因此以弯拉应变来评价为低温性能时，粉胶比范围宜控制在1.0～1.1。由此可见，粉胶比的变化对沥青混合料的低温抗裂性有着重要的影响，尤其是对抗弯拉应变影响，存在着最佳粉胶比范围，在此范围之内，沥青混合料的低温抗裂性能最好。

图4 粉胶比—抗弯拉强度曲线

图5 粉胶比—劲度模量曲线

图6 粉胶比—抗弯拉应变曲线

1.4 水稳性试验

1.4.1 残留稳定度试验

制作标准马歇尔试件，分成两组：一组置于60℃的恒温水槽中保温30～40 min后测马歇尔稳定度MS1；另一组在98.3～98.7KPa真空条件下饱水15 min，恢复常压后，再放入60℃恒温水槽中保温48h后测马歇尔稳定度MS2，二者的比值为残留稳定度，结果见表5，如图7和图8所示。

表5 浸水马歇尔试验结果

图7 稳定度-粉胶比曲线

图8 残留稳定度-粉胶比曲线

1.4.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是一种效果较好、实施简便的评价水损害的方法，能够体现在外部因素影响下沥青与集料界面的破坏，从而反映沥青与集料界面的粘结性[4-5]。试验采用双面击实50次成型马歇尔试件，试件分两组，每组6个，一组置于25℃恒温水浴中不少于2 h，另一组在98.3～98.7KPa真空条件下饱水15 min，恢复常压后放于-18℃的冰箱中冷冻16 h，再将其放到60℃恒温水槽中浸水24 h，最后放入25℃恒温水槽中不少于2 h。分别测其最大破坏荷载，并计算劈裂强度比，试验结果见表6，如图9和图10所示。

表6 不同粉胶比冻融劈裂试验结果

图9 不同粉胶比的破坏荷载曲线

图10 粉胶比—TSR(冻融劈裂比)曲线

1.4.3 试验结果分析

(1)随着粉胶比的变化，残留稳定度先增加后降低，残留稳定度在粉胶比为0.9～1.1之间时变化趋于稳定，最大值出现在此范围内，当粉胶比比大于1.1时残留稳定度的减小幅度增大。

(2)未经冻融的劈裂强度明显大于冻融作用后的劈裂强度，说明冻融作用对劈裂强度有减弱作用，不利于沥青混合料的水稳性。从图9和图10可以看出，粉胶比在一定范围内，劈裂强度随粉胶比的变化呈递增趋势，出现峰值后，会随粉胶比的继续增大而减小；当粉胶比在0.8～1.1范围内时，劈裂强度比呈递增趋势，最大值出现在粉胶比为1.1～1.2之间，当粉胶比大于1.3时，劈裂强度比迅速减小。依据试验结果，粉胶比范围处于1.0～1.2范围时，沥青混合料的水稳性较好。

综上所述，确定粉胶比时，应综合考虑粉胶比对各项性能的影响，力争在某一粉胶比范围内使沥青混合料路用性能均达到最佳，满足规范要求。依据试验结果得出的粉胶比范围为0.9～1.2。