AC－20C 中面层级配优化

刘蕙婷，周小勇，许雅俊

(1.江西交通咨询公司，江西南昌 330008;2.江西省交通科学研究院，江西 南昌 330038)

为了提高AC－20 沥青混凝土在道路工程施工与使用时的应用性能，本文通过采用正交试验方法进行试验设计，在原材料性能试验完全按照JTG E42－2005 进行检测后，研究影响马歇尔体积参数以及其它性能指标的各因素水平，提出了更加合适该地区AC－20 沥青混合料级配的设计范围。试验结果表明，2.36 mm 的筛孔孔径通过率是影响沥青混合料空隙率、矿料间隙率、毛体积相对密度及沥青混合料稳定度的主要因素;沥青混合料性能指标主要由细集料(＜2.36 mm)含量的多少和级配组成来进行控制。对采用优化后的AC－20 沥青混合料进行相关力学性能和实体工程的检验，可以发现，在此范围内，材料的各项性能都能有所改善，比如具有良好的力学性能、骨架密实特性、抗水损害能力及高温抗车辙性能等。可应用于高温多雨地区的高速公路沥青路面中，同时对有效地控制沥青混合料的质量和其组成设计水平的提高具有良好的指导作用。

1 试验原材料、设计方案

试验材料中，该项目路面标AC－20 中面层粗集料(d ＞4.75 mm)采用石灰岩，细集料则采用的是石灰岩机制砂，产地同于粗集料;矿粉作为填料，选用壳牌SBS 改性沥青作为结合料，来自某沥青有限公司。各项技术指标均达到沥青路面施工技术规范要求。

正交试验方法的优点在于可以在确定其它因素一致的情况下考虑单独因子对试验结果的影响，本章就是采用正交表格安排试验的方法，以孔径为0.075、2.36、4.75、9.5、16 mm 的筛孔和油石比总共6 个因素和各因素对应的5 个不同水平进行试验，具体的试验设计方案见表1。为了确保试验的准确、严谨，通过设计不同的筛孔通过百分率使混合料达到不同的级配类型，这样可以尽可能地将影响马歇尔各项指标的各个因素都考虑进去。试验方案数据的设定见表2。

表1 正交试验设计方案

表2 试验方案数据安排

续表2 试验方案数据安排

2 试验以及试验结果

本文将试验时的击实温度和次数分别控制在165 ℃左右、75 次，试件采用马歇尔方法成型，每组制作6 个试件，通过计算法测得最大理论密度。根据沥青混合料试验规程(JTG E20－2011)，采用表干法进行试验检测。结果见表3，极差分析的结果见表4。

表3 AC－20C 马歇尔试验结果

续表3

表4 极差分析结果

续表4 极差分析结果

3 试验结果及分析

1)影响沥青混凝土空隙率的因素排序:D ＞F＞E ＞B ＞A ＞C，即2.36 mm 筛孔通过率＞油石比＞0.075 mm 筛孔通过率＞9.5 mm 筛孔通过率＞16 mm 筛孔通过率＞4.75 mm 筛孔通过率。其中前3个因素是主要影响因素，最后1 个因素即孔径为4.75 mm 的筛孔通过率对沥青混合料空隙率的影响最小。因此，将细集料(d ＜2.36 mm)的含量和矿料级配对沥青混合料空隙率的影响列入考虑范围，同时加强对现场细集料的质量控制。

2)影响马歇尔试件的毛体积相对密度和矿料间隙率的大小排序为:D ＞E ＞B ＞A ＞F ＞C，即筛孔为2.36 mm 的通过率＞筛孔为0.075 mm 的通过率＞筛孔为9.5 mm 的通过率＞筛孔为16 mm 的通过率＞油石比＞筛孔为4.75 mm 的通过率，试验结果表明:其主要影响因素是孔径为2.36、0.075 mm 的筛孔通过率。矿料间隙率与2.36 mm 和0.075 mm筛孔通过率成正比，而毛体积相对密度则与2.36、0.075 mm 筛孔通过率成反比。因此，在进行沥青混合料设计的时候，建议应优先考虑2.36 mm 和0.075 mm 筛孔通过率，并合理调整细集料(d ＜2.36 mm)的用量，以便降低空隙率和提高试件的密度。

3)根据因素对沥青饱和度影响大小对其进行排序为:C ＜A ＜B ＜E ＜D ＜F，即4.75 mm 筛孔通过率＜16 mm 筛孔通过率＜9.5 mm 筛孔通过率＜0.075 mm 筛孔通过率＜2.36 mm 筛孔通过率＜油石比。其中对饱和度影响显著的则是2.36 mm 筛孔通过率和油石比;影响马歇尔稳定度的因素排序:D ＞A ＞F ＞C ＞B ＞E。随着2.36 mm 筛孔通过率的增大，马歇尔稳定度呈严格的单调递增趋势，这说明:2.36 mm 筛孔通过率水平的变化对马歇尔稳定度值的变化影响很大。由此可见，影响马歇尔性能指标的各因素所在列的不同只能反映该因素由于水平变动引起指标的波动，并不受其他因素水平变动的影响。4.75 mm 筛孔通过率由30%增大至45%这一过程中，马歇尔性能指标值变化不大，而当2.36 mm 筛孔通过率由16%增大到30%时，马歇尔性能指标所受影响十分大，其所在列的稳定度波动了30.5%，另外，饱和度、空隙率、毛体积相对密度、矿料间隙率的波动分别为19.7%、39.4%、3.1%、14.5%，这充分表明了对马歇尔物理－力学性能起控制性作用的是2.36 mm 筛孔通过率。所以，需要限制细集料级配通过率范围，以此来保证沥青混合料性能指标。

综合考虑各个因素，确定该地区AC－20 矿料工程级配的建议范围如图1 中所示，各因素通过率的取值范围分别为:A 为75%～85%，B 为45%～65%，C 为28%～35%，D 为20%～30%，E 为4%～6%，F 为3.8%～4.5%。

图1 该地区AC－20 矿料工程级配建议范围

4)由于该地区地处热带，气温较高，尤其在夏季日照时间长，沥青路面温度一般都达到70 ℃以上，因此规范规定的空隙率为3%～6%下限应适当提高;而本人对该地区多条在建高速公路进行过调查发现，不仅是本项目，其余2 条在建的高速公路施工工艺以及水平对空隙率的控制都不到位，检测结果都显示空隙率偏大，某些路段渗水十分严重，因此空隙率控制的上限应适当降低。综合推荐的空隙率为3.5%～5%，矿料间隙率则是根据对应的空隙率以及最大公称粒径来确定。规范规定的最大公称粒径为26.5 mm 的沥青混合料沥青饱和度限定为55%～70%，该地区的集料表面积大，吸油多，因此最大公称粒径为26.5 mm 的与最大公称粒径为19、16 mm 的统一定为65%～75%。根据该地区交通统计发现许多路段都存在重载交通，规范规定炎热地区的重载稳定度MS≥8、流值FL 为1.5 ～4，稳定度可以适当放大，流值应适当减小来控制车辙的产生，确定为MS≥10，FL 取1.5 ～3.5。见表5。

表5 最大公称粒径为26.5 mm 的沥青混合料推荐马歇尔技术指标

4 实体工程检验

4.1 级配曲线的选取

通过上一节制定的AC－20 沥青混合料级配范围，选取3 条级配曲线进行室内马歇尔试验以及试验段的铺筑。见表6，图2。

4.2 室内马歇尔试验

采用标准马歇尔试验，双面击实75 次，油石比为4.0%。试验结果见表7。

表6 根据推荐级配范围选取级配曲线

图2 在建议级配范围内取的级配曲线

表7 马歇尔试验结果

4.3 试验段铺筑

该项目路面标中面层试验路桩号为K11+050～K11+550，第2 日进行钻芯取样现场检测。统计见表8。

表8 现场取芯结果

由表8 可知，由于试验段只有500 m，取芯数不宜过多，因此样本数为6 个，压实度均值为97.13%，变异系数为0.08。路面施工压实指标能够满足要求。

4.4 力学性能试验与结果分析

对该沥青混合料进行水温定性检测以及车辙动稳定度试验。试验结果见表9、表10。

表9 沥青混合料AC－20 的水稳定性试验结果

表10 沥青混合料AC－20 的高温稳定性试验结果

由上述结果可知，采用推荐级配范围的沥青混合料施工过程能够达到好的压实效果，力学性能也能得到保证。

5 结语

本文以AC－20 SBS 改性沥青混合料为研究对象，通过正交设计的试验可以得出影响马歇尔试验各大指标的影响因素及其大小。试验表明影响沥青混合料空隙率的主要因素是2.36 mm 以及0.075 mm 的通过百分率，细集料的含量才是影响沥青混合料性能指标的主要因素。鉴于这些影响因素可以根据气候条件及交通量的大小更加精确地确定适用于某个地区的级配范围以及设计参数的范围。该地区AC－20C 沥青混合料的级配范围及设计参数范围可采用优化后的范围来设计。

［1］JTG F40－2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.

［2］JTJ 059－95，公路路基路面现场测试规程［S］.

［3］JTG E20－2011，沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［4］薛小刚 沥青混合料级配优化及配合比设计方法研究［D］.西安:长安大学，2005.

［5］陆学元.AC－25 沥青混合料矿料级配优化及应用研究［J］.中外公路，2009(4).

［6］陆学元.沥青混合料性能与施工变异性研究［D］.西安:长安大学，2009.

［7］弓 锐，弥海晨.乳化剂用量对SBS 改性乳化沥青性能的影响研究［J］.公路工程，2014，39(6):234－236.

［8］冯新军，郝培文，查旭东.路用改性沥青AC－13 混合料的级配优化［J］.长安大学学报(自然科学版)，2007(3).