开级配排水性沥青混合料配合比设计方法研究

王敏敏

(河南交通职业技术学院， 河南 郑州 450005)



开级配排水性沥青混合料配合比设计方法研究

王敏敏

(河南交通职业技术学院， 河南 郑州 450005)

沥青用量对排水性沥青混合料设计至关重要，研究了劈裂强度试验用于确定排水性沥青混合料沥青用量的最佳力学试验参数，提出了考虑结构耐久性和功能性的协调统一的排水性沥青混合料最佳油石比确定方法。通过引入劈裂强度试验来精确计算排水性沥青混合料的最佳沥青用量，经室内析漏、分散、车辙以及低温SCB试验验证，该法具有较好的技术优越性，研究成果可对今后同类型工程设计提供了技术参考。

排水性沥青混合料； 间接拉伸试验； 最佳沥青用量； 配合比设计

0 引言

排水沥青路面铺装因具有大空隙特征而具有抗滑性能高、噪声低、抑制水雾、防止水漂、减轻眩光等突出优点[1-4]，可以说达到了现有沥青路面技术中的“顶端路用性能”(ultimate performance),成为实现道路表面特性品质飞跃的最佳路面形式，而要同时实现排水沥青路面在结构性、耐久性、水、声和热等方面的作用，核心是配合比设计[5-9]。现行沥青路面施工规范应用压实的混合料试件来确定沥青用量，实际操作时根据所选择的设计级配和一系列的初试油石比制作混合料试件，然后测试并确定试件的空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度等各项体积参数和力学指标，并对试件进行肯塔堡飞散试验和析漏试验，其优点是在不同的沥青用量下进行了混合料的性能测试，为设计者提供了有意义的信息，能确定最佳沥青用量；缺点是满足肯特堡分散试验和析漏试验的沥青用量并不唯一，最佳沥青用量的确定往往需要借助设计者的工程经验，或取决于设计者的主观臆断[3,6,8]，所设计的最佳沥青用量往往过于保守，混合料综合路用性能并不是最佳。由于排水性沥青混合料在材料组成设计、矿料级配等方面均不同于一般的沥青混合料，常用的马歇尔试验指标已不能完全适用于确定其沥青用量，经验法和试验法还有一个共同的缺点是没有控制指标，确定的最佳沥青用量不能与排水性沥青混合料的路用性能建立起联系，从而导致评价结果与路用性能相脱节，评价意义不明显[10，11]。本文提出在析漏和分散试验基础确定的沥青范围基础上以耐久性和功能性平衡为原则，基于浸水前后的间接拉伸试验确定排水性沥青混合最佳沥青用量，以实现混合料结构耐久性和功能性的协调统一。

1 原材料

表1 OGFC—13混合料合成级配Table1 OGFC—13synthesismixturegradation筛孔尺寸/mm规范上限/%规范下限/%合成级配1610010010013.210090969.5806071.14.75301225.62.36221016.21.1818613.10.615411.20.31237.90.15836.60.075625

2 基于间接拉伸试验确定排水性沥青混合料最佳沥青用量的可行性

如图1所示，在间接拉伸试验模式下，圆柱体试件处于拉压两向受力状态，破坏时试件处于极限受拉状态，这与沥青路面的实际受力状态一致[12，13]。间接拉伸试验采用劈裂条沿着圆柱体试件的径向按一定的速率持续加载直至试件发生破坏，试验过程中的最大荷载和试件水平、竖直方向上的最大变形通过力及位移传感器量测得到。根据试件破坏时的最大荷载和最大位移通过公式计算即可获得沥青混合料的劈裂强度等评价指标，最佳沥青用量设计指标的选取应该与排水性沥青混合料使用过程中的破坏类型有一定对应性，或者说选取的指标能够控制其破坏的发生。排水性沥青混合料的骨架嵌挤结构可通过合理的级配组成来实现，在排水性沥青路面如此大的空隙率下，混合料更容易受到阳光、空气和水的作用，在交通荷载的反复作用下，集料表面的沥青膜极易老化，集料与沥青之间的粘附性下降，甚至会导致集料与沥青之间的粘附失效和颗粒间结合失效，最终出现剥落、松散破坏，此外，在混合料集料级配确定的情况下，排水性沥青混合料的整体强度主要由混合料的粘聚力控制，因此在最佳沥青用量确定时考虑沥青与集料之间的粘附性就显得尤为重要[14，15]。Anderson等学者研究了沥青混合料劈裂强度同其粘聚力的关系，发现在一定试验条件下青混合料的劈裂强度与粘聚力二者之间有着良好的线性相关性[16]，说明劈裂强度大的沥青混合料其粘聚力就大。沥青混合料的整体强度与粘聚力有直接的关系，沥青混合料的粘聚力越大，则集料表面的有效沥青膜越厚，以劈裂强度作为力学参数确定含盐高湿地区混合料的最佳沥青用量是可行的。

图1 间接拉伸试验示意Figure 1 Indirect tensile test

3 排水性沥青混合料最佳沥青用量设计

3.1 基于沥青膜厚初试沥青用量

对大孔隙排水性沥青混合料，国外通常选择沥青膜厚度为12～16 μm。考虑沥青结合料被集料吸收的比例及有效沥青含量，选择最小沥青膜有效厚度DA为14 μm。由沥青膜有效厚度和集料比表面积初定沥青用量如下：

(1)

Pb=SA×H

(2)

其中: 9.5 mm以上均包括在系数2中，式中:a，b，c，d，e，f，g分别代表4.75，2.36，…，0.075的通过率。H为沥青膜有效厚度，μm；SA为集料的总比表面积,m2/kg。

由以上计算可得，合成级配的矿料比表面积为2.310 5 m2/kg，最小沥青膜有效厚度为14 μm时，沥青含量为3.24%，为了保证混合料的水稳定性和耐久性，需要有较厚的沥青膜，因此试验选择3.3%，3.7%，4.1%，4.5%，4.9%共5个沥青用量对混合料进行间接拉伸疲劳试验。

3.2 间接拉伸试验结果及分析

按照马歇尔试验要求正反各50次分别成型沥青为3%，3.5%，4%，4.5%，5%的马歇尔试件并进行间接拉伸试验，试验加载借助MTS万能试验机，试验条件为： 温度20 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃，加载速率5，20，50 mm/min，试验结果如表2所示。为确定基于劈裂强度确定最佳沥青用量的试验条件，本文分别分析了试验温度、加载速率与油石比对间接拉伸强度的影响。

表2 OGFC13混合料间接拉伸试验结果Table2 OGFC13mixtureofindirecttensiletestresults试验温度/℃加载速率/(mm·min-1)沥青用量/%3.33.74.14.54.950.6230.6690.7450.6690.61720200.6980.7490.8230.7610.680500.8930.9591.0530.9740.87050.4110.5240.5790.5020.40130200.4930.6290.6950.6020.481500.6210.7910.8740.7580.60650.2180.2340.2410.2140.19640200.2830.3040.3130.2780.255500.3920.4210.4340.3850.35350.1250.1340.1490.1340.12350200.1620.1740.1940.1740.160500.2740.2910.3180.2710.229

3.2.1 试验温度对劈裂强度的影响

表2试验结果可知： 温度对沥青混合料的劈裂强度有显著影响，在温度较低时，随着试验温度提高排水性沥青混合料劈裂强度逐渐减小，且在各加载速率条件下混合料劈裂强度变化均表现出相同的趋势。此外，随着试验温度的升高，不同油石比下沥青混合料的劈裂强度值越来越接近，油石比对沥青混合料劈裂强度的影响逐渐减弱。当试验温度低于40 ℃时，不同油石比下沥青混合料的劈裂强度值相差较大，区分度较高，但是当试验温度升至40 ℃以上时，不同油石比混合料的劈裂强度大小越来越接近，难以区分油石比变化对混合料劈裂强度值的影响，为保证混合料的劈裂强度与沥青用量的变化有足够的敏感性和精确性，进行间接拉伸试验时选用的试验温度不宜超过30 ℃。

3.2.2 加载速率对劈裂强度的影响

加载速率对排水性沥青混合料的劈裂强度有显著的影响，在不同的加载速率阶段，沥青混合料劈裂强度值增加的趋势并不一致。当试验温度为20 ℃、30 ℃和40 ℃时，加载速率从5 mm/min增加至20 mm/min时，混合料的劈裂强度急剧增大，随后劈裂强度随加载速率的增大缓慢增加。而在50 ℃的试验条件下，沥青混合料的劈裂强度随着试验加载速率的增加急剧增大，在加载速率由慢至快的全程增加范围内近乎呈线性增长。可见，选择合适的试验温度和加载速率，对分析混合料的劈裂强度至关重要[17，18]。在不同的加载速率条件下，5 mm/min时的沥青混合料劈裂强度值最小，可见当实际行车荷载作用在路面上时，加载速率越小对路用性能越不利，越容易引起沥青路面病害的产生。为了更好的模拟沥青路面上实际行车荷载的作用，在进行试验时不宜采用过大的加载速率。

3.2.3 沥青用量对劈裂强度的影响

在不同的间接拉伸条件下，劈裂强度随油石比的增大均呈现出先增大后减小的趋势，并在油石比变化区间内某一沥青用量下出现最大值。说明只有当混合料中的沥青用量合适时，才能保证沥青混合料的劈裂强度最大，即沥青混合料具有最大的粘聚力，这是由于当混合料中的沥青含量较低时，在矿质集料表面无法形成完整的结构沥青膜。当沥青用量增大后，混合料中矿料表面的结构沥青膜的面积逐渐增大，此时劈裂强度随沥青用量的增加显著增大。当混合料中的沥青刚好足以在矿料表面形成完整的结构沥青膜时，劈裂强度达到最大值。此后随着混合料中沥青用量的继续增大，在矿料表面结构沥青膜的周围逐渐产生自由沥青，自由沥青的黏度较小，其与矿料的粘结力较弱。当自由沥青的含量增加至一定程度时，由于自由沥青的自身强度小于结构沥青与矿料间的粘结强度，混合料的劈裂强度就随着自由沥青含量的增加逐渐减小。

3.3 确定间接拉伸试验条件

综上分析，在温度20 ℃、加载速率5 mm/min的条件下可以保证间接拉伸试验的IDT强度对沥青用量的变化足够敏感，且与混合料的冻融劈裂强度比有着良好的相关性。因此，推荐温度40 ℃、加载速率5 mm/min为间接拉伸试验的最佳试验条件，并以该试验条件下的IDT强度作为沥青混合料沥青用量设计的力学参数。

3.4 确定最佳沥青用量

4 验证最佳沥青用量

为了验证本文提出的最佳沥青用量确定方法的合理性与可行性，分别采用析漏、分散试验，车辙、低温弯曲、冻融劈裂以及间接拉伸疲劳试验检测了不同沥青用量下排水性沥青混合料的路用性能，进而证明该法的技术优越性。

4.1 析漏、分散试验

图2 分散和析漏试验拟合结果Figure 2 Dispersion and leak test fitting results

图2试验结果表明，随着油石比增大，排水性沥青混合料的分散质量损失率呈二次函数形式减小，曲线的拐点在3.8%左右，也就是说油石头比最小值在3.5%；随着油石比增大，析漏损失率呈现先平稳增加后突变的二次函数关系，由图4可以看出突变点在4.5%油石比，此时析漏损失率为0.12%处于较好的水平。以分散和析漏试验确定的油石比范围为3.5%～4.8%，跨度范围过大，而基于扭剪试验和低温SCB试验确定的最佳油石比可满足析漏和分散试验要求。

4.2 高温稳定性

采用车辙试验评价不同沥青用量排水性沥青混合料的高温稳定性，车辙试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验温度为60 ℃，轮压为0.7±0.05 MPa，行走速度为42±1次/min，试验结果见图3。

图3 不同沥青用量车辙试验结果Figure 3 Different amount of asphalt rutting test results

图3试验结果表明: 随着油石比增大，OGFC — 13沥青混合料车辙试验动稳定度呈先增大后减小的变化趋势，在4.2%沥青用量下混合料动稳定度最大，同时车辙变形量最小，分析其原因，排水性沥青混合料的抗剪性能主要受粗集料骨架嵌挤作用和沥青玛蹄脂共同组成的抗剪能力和粘聚力，沥青用量增大，马歇尔试件内部沥青玛蹄脂数量增多，混合料密实度提高，C、φ值增大，抗剪切强度提高，但随着沥青用量进一步增大，自由沥青在混合料内部起到了润滑作用，再加上沥青的感温性等不利因素影响，混合料所产生的贯入剪切变形增大，高温稳定性降低，车辙试验结果说明本文提出的基于劈裂强度试验峰值确定最佳沥青用量的试验方法可以将分散、析漏试验确定一个宽泛的油石比范围变为精确的最佳油石比，具有较好的技术优越性。

4.3 低温稳定性

由于排水性混合料制成小梁试件比较困难，本研究采用半圆弯拉试验，针对不同油石比下的排水性沥青混合料低温抗裂性能展开研究，试验时将不同沥青用量的排水性沥青混合料成型直径为152.4 mm，高95.3 mm大马歇尔试件，并采用具有较高切割精度的芬兰产双面锯取马歇尔试件中部50 mm厚的圆形试件，再将其从中间对称打开，即制得半圆弯曲试件。试验温度为-10 ℃，试验时采用单点加载方式，支点间距为SCB试件直径的0.8倍，即S=0.8D，加载速率为0.5 mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，计算公式见下式，以抗弯拉强度、弯拉劲度模量和抗弯拉应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果如图4所示。

(3)

(4)

图4 不同沥青用量SCB试验结果Table 1 SCB test results with different asphalt content

由图1试验结果可知，随油石比的增大，排水性沥青混合料抗弯拉强度、最大弯拉变呈先增大后减小的变化趋势，峰值弯拉应变对应的油石比为4.2%，弯曲劲度模量随着沥青用量的增大呈减小趋势。分析其原因，油石较少时矿料之间的粘结力不足，沥青在矿料之间胡润滑作用不明显导致试件的压实度不足，混合料内部的内摩擦角肯粘聚力均较小，但随着油石比增加到一定程度，自由沥青含量增多，自由沥青在矿料内部反而起到了润滑作用，矿料之间较易出现滑动，混合料低温抗裂性能下降，4.2%沥青用量时排水性沥青混合料的低温抗裂性最好。

4.4 水稳定性

现行规范要求采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价不同沥青用量排水性沥青混合料的水稳定性，试验结果见图5。

图5 不同沥青用量OGFC13水稳定性试验结果Figure 5 Water stability of OGFC13 mixture with different asphalt content

由图5浸水马歇尔、冻融劈裂试验结果可知: 沥青用量由3.2%增到4.9%，排水性沥青混合料浸水前后马歇尔稳定度、冻融劈裂均呈先增后减的变化趋势，在4.2%沥青用量条件下混合料试件的马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比出现峰值，这也证实了本文提出的最佳沥青用量确定方法是合理的。

5 结论

① 加载速率、试验温度、沥青用量均对排水性沥青混合料的间接拉伸强度有显著的影响，通过对劈裂强度与沥青混合料水稳性能的相关性分析发现推荐温度20 ℃、加载速率5 mm/min为用于排水性沥青混合料优化设计的间接拉伸试验的最佳条件，并以此条件下的IDT强度作为混合料最佳沥青用量设计的力学参数。

② 提出基于劈裂强度的混合料最佳沥青用量设计方法，经车辙、析漏、分散、浸水马歇尔、冻融劈裂以及低温SCB试验验证，以劈裂强度峰值确定排水性沥青混合料的最佳沥青用量是合理可行的，该法可精确计算出排水性沥青混合料的最佳配比，同时在最佳油石比确定时考虑了排水性沥青混合料的路用性能。

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Research Open Graded Drainage Asphalt Mixture Design Method

WANG Minmin

(Henan Vocational and Technical College, Zhengzhou, Henan 450005, China)

Asphalt content of drainage asphalt mixture design is very importance, this article studies the splitting strength test is used to determine the drainage asphalt mixture of asphalt dosage is the best mechanics parameters, put forward the structure durability and functionality of drainage asphalt mixture of harmonious and unified method to determine the optimum proportion.Splitting strength test is introduced to precisely calculate the optimum asphalt content of drainage asphalt mixture, through indoor analysis leakage and dispersion, rutting and SCB in low temperature test, the method has good technical superiority, the research results can be design provides technical reference for future similar engineering

drainage asphalt mixture； indirect tensile test； Optimum asphalt content； mixture design method

2015 — 05 — 18

国家自然基金项目(51378067)

王敏敏(1981 — )，女，河南博爱人，讲师，从事交通运输工程方面教学工作。

U 416.03

A

1674 — 0610(2016)05 — 0133 — 06