LSAM-25沥青混合料路用性能研究

刘卫斌

(新疆华天工程建设股份有限公司，新疆　乌鲁木齐　830011)

LSAM-25沥青混合料路用性能研究

刘卫斌

(新疆华天工程建设股份有限公司，新疆乌鲁木齐830011)

刘卫斌(1969—)，工程师，研究方向：公路施工、施工质量检测。

摘要：LSAM-25沥青混合料具有较好的抗高温、抗低温、抗滑性能，对其级配进行合理设计，有利于提升沥青混合料的路用性能。文章结合国内外研究情况，基于沥青路面结构性能要求，提出了LSAM-25沥青混合料的配合比设计方法，并对比分析了LSAM-25、Superpave25、ATB-25三种沥青混合料的路用性能，为今后LSAM的配合比设计和路用性能研究提供参考。

关键词：SMA；沥青混合料；路用性能；研究

0引言

LSAM-25由沥青、稳定剂、矿粉、细集料组成，具有良好的力学性能。由于其粗集料骨架约占总质量的70%以上，因此嵌挤结构良好，可以承载较大的交通负荷和环境温度变化，具有较高的抗高温和车辙能力[1]。LSAM-25混合料还可以抵抗水侵蚀，由于混合料的空隙率较小，其具有良好的抗滑性能。20世纪60年代末，随着交通载荷的不断增加，德国学者首先尝试在沥青混合料中增加碎石含量，并采用浇筑工艺，提高路面的耐磨性能。为了减少沥青路面的车辙和拥包，美国学者Kahboub等人通过蠕变试验、回弹试验对不同类型LSAM的路用性能进行研究；美国TRB对密级配沥青混合料进行设计，提出了NCHRPReport386方法[2-3]。由于这项工艺可以提高路用性能，且投资较低，符合我国节能降耗的能源战略。因此，对LSAM进行配合比设计，并对其路用性能进行研究具有重要意义。

本文以粘弹性材料的力学特征为基础，首先对沥青路面结构性能要求进行研究。随后提出了沥青混合料的设计方法，得出了LSAM-25沥青混合料的配合比设计，并对比了LSAM-25、Superpave25、ATB-25三种沥青混合料的路用性能。希望为今后LSAM的配合比设计和路用性能研究提供指导。

1沥青路面结构性能要求

虽然众多类型的沥青混合料在我国道路建设中得到了广泛应用，可大部分道路的路用性能并不理想，新建不足1年的道路往往就出现严重的车辙、拥包等严重病害，且随着交通载荷的增加，这种破坏有加剧趋势[4]。出现此问题的原因为：路面结构性能设计与材料使用不匹配，上面层、中面层、下面层并未发挥出各自功能。因此沥青混合料设计的原则是：分析其在路面结构中的作用，据此提出设计要求。

为了提高沥青混合料的耐久性和使用寿命，首先对沥青路面的特性及工作环境进行分析[5]：

(1)沥青常年裸露在大气中，不仅受到高温和严寒的交替作用，而且承担着较重的交通载荷，容易出现老化和疲劳破坏；

(2)在6~8月，沥青混合料在交通载荷的往复作用下，面层出现很大的剪应力并出现塑性变形，变形在长期的累积下便形成车辙或者裂缝；

(3)在12月至次年2月间，沥青路面在表面张力和交通载荷的作用下出现温缩裂缝；

(4)上面层沥青除了承受交通载荷外，还承受着车轮的摩擦。

“长寿命路面”是指将路面分为3个厚沥青层，包括：磨耗层、中间层、HMA基层[6]。LSAM应该作为中间层或者HMA基层，以便抵抗面层变形。从压实性能看，LSAM的厚度应该在8~12 cm，类型主要包括LSAM-25和LSAM-30。结合Superpave沥青混合料分类和可压性，本文主要对LSAM-25进行设计和研究。

2LSAM级配设计方法

早期的沥青混合料设计较多采用连续级配，此方法可以获得较大的粘结力但并能获得最大的内摩擦力，在较重的交通载荷下，路面会出现失稳，导致变形、推移、拥包[6]。为了使沥青混合料热稳定性良好，LSAM的配合比设计采用主骨料空隙填充法。采用主骨料空隙填充法需做出以下基本假设：

(1)假设细集料颗粒对粗骨料嵌挤结构无干涉影响；

(2)假设沥青胶浆对粗骨料嵌挤结构无干涉影响。

主骨料空隙填充法可以充分发挥粗骨料的嵌挤能力，细集料、矿粉、沥青来填充主骨料的孔隙。主骨料空隙填充法设计时，首先根据路用性能要求确定最大粒径，选择合适的粗骨料作为骨架，其余材料采用间断级配。粗集料、细集料、矿粉、沥青的用量用qc、qf、qp、qa表示。主骨架孔隙率VCA应满足：

(1)

式中：ρsc——粗集料的紧装密度；

ρtf——细集料的表面密度；

ρtp——矿粉的表面密度；

ρa——沥青的密度。

主骨料空隙填充法发挥了粗集料的嵌挤能力，采用粗集料孔隙率来表征其嵌挤程度：

(2)

式中：ρsc——主骨料紧装密度；

ρtc——主骨料表面密度。

主骨料空隙填充法利用主骨架矿料的空隙率的测量值，得出空隙体积。其核心思想是：细集料、沥青、混合料空隙体积之和等于主骨架矿料空隙体积，利用空隙体积，确定设计所需的细集料、沥青数量。主骨料空隙填充法很难对粗集料的嵌挤程度进行描述，没有考虑多级粗、细集料间的组成。对于混合料嵌挤结构、密实状态等方面的研究还很少，LSAM级配设计理论仍有一定局限性。

采用上述级配设计方法对LSAM-25进行设计，根据粗集料粒径，本文共设计了3种粗料。粗料1为粒径为10~25 mm碎石；粗料2为粒径为10~20 mm碎石；粗料3为粒径为5~10 mm碎石。细集料选择粒径为0~3 mm的机制砂，填料为石灰岩磨细矿粉。各种材料的密度值见表1。

表1　各种材料的密度值表

根据路用性能，取松装密度117%，粗料1、粗料2、粗料3的体积分数分别为：28.2%、60.6%、11.3%。LSAM-25各档料的级配情况见表2。

表2　LSAM-25各档料级配情况表

按照上述设计，每立方厘米沥青混合料含有的粗集料质量为：0.47 g粗料1、1.013 g粗料2、0.187 g粗料3。根据式(2)计算出粗集料孔隙率为0.378，假设孔隙全部被细料填充，则所需细料为0.714 g。由此可计算出单位体积沥青混合料的总重量为2.383 g，各组分所占的质量分数为：19.7%的粗料1、42.5%的粗料2、7.8%的粗料3、30%的细料。考虑到粗料中含有少部分细料，因此采用PCS法对上述比例进行调整，调整后的质量分数为：19.5%的粗料1、42.2%的粗料2、7.8%的粗料3、30.4%的细料。由于细料中含有细集料和填料，考虑0.075 mm通过率对其进行配比设计，细集料的质量分数为26.7%，填料的质量分数为3.7%。

3路用性能对比

按照Superpave方法配比Superpave25和ATB-25作为参照对象。LSAM-25、Superpave25、ATB-25三种沥青混合料的级配曲线见图1。

图1　三种沥青混合料的级配曲线图

按照设计手册确定沥青最佳用量，并根据级配情况制备成型试件，每种材料制备两个试件。LSAM-25、Superpave25、ATB-25三种沥青混合料的配合比设计结果见表3。

表3　三种沥青混合料的配合比设计结果表

ATB-25和Superpave25对比，矿料间隙率、有效沥青饱和度均高些，因此ATB-25常作为柔性基层使用。对三种材料进行室内压实试验，并对试验结果进行最小二乘法拟合，三种混合料的路用性能情况见表4。

表4　三种混合料的路用性能表

从实验结果看，密实能量指数ATB-25>Superpave25>LSAM-25，交通密实能量指数恰好与此相反。这说明混合料压实阶段LSAM-25的抗压能力较小，有利于碾压施工；而道路交通开放后，其抗压能力很强，避免了传统混合料在交通载荷作用下不断被压密的情况。Superpave25的动态模量远低于LSAM-25，这是由于Superpave25中含有较多沥青和细集料。LSAM-25的高温动态模量最大，说明此混合料的抗高温变形能力较强。LSAM-25的弯曲应变能密度高于ATB-25和Superpave25，LSAM-25充分发挥了嵌挤密实结构，粘结力更强，对温度的敏感性更低。从上述分析看，LSAM-25的路用性能高于Superpave25和ATB-25。

4结语

LSAM工艺可以提高路用性能，且投资较低，符合我国节能降耗的能源战略。本文首先对沥青路面结构性能要求进行研究，随后提了LSAM-25沥青混合料的配合比设计，并对比了LSAM-25、Superpave25、ATB-25三种沥青混合料的路用性能。研究表明：LSAM-25的路用性能高于Superpave25和ATB-25，LSAM-25密实结构更好，粘结力更强，对温度的敏感性更低，可用于中间层或HMA基层。

参考文献

[1]付其林，陈拴发，陈华鑫，等.开级配大粒径沥青混合料路用性能研究[J].武汉理工大学学报，2010(7)：77-80，102.

[2]邹太平.大粒径密级配沥青混凝土路用性能浅析[J].筑路机械与施工机械化，2013(11)：67-70.

[3]王智宇.Superpave沥青混合料路用性能比较分析试验[J].北方交通，2009(1)：55-56.

[4]邵强，张超，刘奇.公路沥青混合料抗滑性能室内评价仪器的研制[J].西部交通科技，2009(3)：70-73.

[5]曾宪文，傅建军.砂岩粗集料用于沥青混凝土表面层的研究[J].西部交通科技，2014(8)：14-18.

[6]周红丽，陈杰，李志农.公路路面沥青综合表面处治层质量评价方法研究[J].西部交通科技，2012(3)：1-5，37.

Research on Road Performance of LSAM-25 Asphalt Mixtures

LIU Wei-bin

(Xinjiang Huatian Engineering Construction Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830011)

Abstract：LSAM-25 asphalt mixture has good high temperature resistance，low temperature resistance，and sliding resistance，and the rational design of its grading will help enhance the road performance of asphalt mixture.Combined with domestic and foreign research situation，and based on the structure performance requirements of asphalt pavement，it proposed the mix ratio design method of LSAM-25 asphalt mixtures，and compared and analyzed the road performance of LSAM-25，Superpave25，and ATB-25 asphalt mixtures，thereby providing the reference for future study on mix ratio design and road performance of LSAM.

Keywords：SMA；Asphalt mixture；Road performance；Research

文章编号：1673-4874(2015)12-0027-04

中图分类号：U414

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.006

作者简介

收稿日期：2015-11-15