不同CA 值合成级配的AC-25沥青混合料性能研究

裴大军,肖作凯,林振华

(1.湖北武穴长江公路大桥有限公司,武汉430050；2.湖北省路桥集团有限公司,武汉430056；3.武汉理工大学硅酸盐材料工程研究中心,武汉430070)

沥青路面以其优良的使用性能在不同等级的道路建设中逐渐占主导地位,但是沥青路面在铺筑使用后容易出现车辙、泛油、松散、坑槽等早期损害,严重影响公路通行能力、行车安全和投资效益,同时也造成了不良社会影响。引起沥青路面早期损害的原因众多,但与沥青混合料的路用性能密不可分。在沥青混合料设计阶段,沥青路面的路用性能与沥青混合料的级配、矿粉用量、沥青用量以及设计方法等有着直接的关系,因此开展沥青混合料的配合比优化设计,对提高沥青混合料的路用性能和使用耐久性有相当重要的意义。当前沥青路面下面层多采用粗粒径AC-25沥青混合料,其施工离析、渗水问题最为突出,严重影响沥青路面施工质量[1,2]。论文将采用贝雷法开展AC-25沥青混合料合成级配设计,其主要设计思路是利用CA 值优化粗集料组合的最大密实度和骨架嵌挤效果,使沥青混合料具有良好的抗离析性能和施工和易性,容易压实,以减少施工离析造成的局部严重渗水问题[3-6]。

1 原材料与级配设计

试验采用AC-25C级配设计,所用原材料如AH-70沥青、辉绿岩骨料和填料均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的相关技术要求[7]。根据辉绿岩骨料特性和以往类似材料设计经验,在固定细料用量的情况下选取三个CA 值进行级配优选和对比试验,分别为级配1的CA 值为0.7,级配2的CA 值为0.78和级配3的CA 值为0.85,具体合成级配见表1。CA 值即粗集料中细料部分含量与粗料部分含量的比,其可对沥青混合料中粗集料的离析现象与压实不稳定问题进行约束。CA 比计算公式如下[5]

式中,PD/2为粒径D/2(D 为最大公称粒径)的通过率,%；PPCS为第一控制筛孔(PCS 最大公称粒径0.22倍)的通过率,%。对于AC-25沥青混合料,D=25 mm,故D/2取13.2 mm,PCS 取4.75 mm。

表1 不同CA 值的合成级配曲线 /%

2 沥青混合料的性能试验对比研究

2.1 旋转压实混合料体积性能

表2给出了不同CA 值的沥青混合料旋转压实体积性能的试验结果。试验结果表明不同CA 值的合成级配要达到相同的空隙率,油石比有一定差别,其级配2(CA 值0.78)的油石比为4.2,而级配3(CA 值0.85)的油石比却达到4.5。比较矿料间隙率VMA 发现级配级3最大,其次为级配1,级配2最小；沥青饱和度VFA 刚好与矿料间隙率VMA 相反,其中级配2最大,级配1最小,产生上述体积性能的变化主要与辉绿岩自身的特性、压实和级配离最大理论密度线的远近有关,CA 值越小,粗骨料的骨架作用越强。

表2 不同CA 值级配的旋转压实混合料体积性能

2.2 沥青混合料的构造深度

针对AC-25C级配施工过程中容易产生离析的难题,在级配设计时采用模拟现场成型试件进行构造深度测试,为优选抗离析的级配提供有力的参考数据,不同CA 值合成级配的构造深度值见表3。

表3 不同CA 值合成级配的表面构造深度

虽然现行规范对沥青路面下面层AC-25的构造深度没有作具体要求,但是表面构造深度作为是否产生离析具有很好的参考性。一般表面构造深度大的AC 型沥青混合料,其骨料多,抗离析性能较差,易渗水。对比不同CA 值的三个合成级配,构造深度值最大为级配1(CA 值为0.7),构造深度值最小为级配3(CA 值为0.85),级配2次之。级配1从车辙试件的表面看出有少许离析,级配2和级配3的试件表面很均匀,这与构造深度相吻吻合,表明CA 值越大构造深度越小,越不容易离析,CA 值越小构造深度越大,越易离析[6]。

2.3 沥青混合料的水稳定性性能

为了评价沥青混合料的水稳定性,分别采用了马歇尔残留稳定度试验(JTJ 052—2000 T0709)和冻融劈裂试验(JTJ 052—2000 T0729)两种试验方法进行检测。在标准冻融劈裂试验的基础上开展了多次冻融循环下的冻融劈裂强度比试验,即在-18℃下冰冻16 h和60℃下水浴保温24 h组成一个循环,共进行4个循环。不同CA 值的沥青混合料的马歇尔残留稳定度试验结果如图1所示,三种级配下混合料的残留马歇尔稳定度都满足规范的技术要求,其中级配2(CA 值0.78)时的残留马歇尔稳定度值最大,级配1(CA 值0.7)时的残留马歇尔稳定度值最小,级配3次之。CA 值不同残留稳定度有差别,级配1与级配2相比差5.3%。

由图2可见,不同CA 值三种合成级配的马歇尔试件劈裂强度比为级配2＞级配3＞级配1,级配2的劈裂强度比为88.6%,而级配1的劈裂强度比只有81.5%,相差7.1%,表明选用合适的级配能够提高劈裂强度比。

多次的冻融劈裂强度比试验结果见图3,不同CA 值的合成级配的沥青混合料在反复的冻融循环下,冻融试验的劈裂强度比均有下降的趋势,但是下降的幅度不同。在第二次冻融循环后,级配1(CA=0.7)、级配3(CA=0.85)的劈裂强度比已不能满足技术规范要求的不小于75%,其值分别为73.2%、74.1%。从第三次循环开始后,三种级配的试验结果均低于75%。但比较每次的循环结果,从劈裂强度比数据来看,三种级配的提高效果依次为:级配2＞级配3＞级配1。不同CA 值的三种级配在前两次循环中级配2(CA值=0.78)的劈裂强度比降低幅度最慢,级配1降低幅度最大,级配3次之,综上所述,三种级配的辉绿岩沥青混合料CA=0.78的水稳定性能最好。

2.4 沥青混合料的高温稳定性性能

为了更好地评价三种不同CA 值合成级配辉绿岩沥青混合料的高温抗车辙性能,开展了常规车辙与浸水车辙试验,试验结果如图4和图5所示。在常规车辙试验的对比数据中,动稳定度值的大小排列:级配2(CA 值=0.78)＞级配1(CA 值=0.7)＞级配3(CA 值=0.7)。分析其原因主要是因为级配1有局部离析,虽然嵌挤比较好,但还是影响了动稳定度值；级配3表面均匀,但是粗集料嵌挤不太稳定,45 min后的变形量与其它两个级配相比要大,从而动稳定度要小。在进行浸水车辙的对比数据中,动稳定度值的大小排列:级配2(CA 值=0.78)＞级配1(CA 值=0.7)＞级配3(CA 值=0.7),变化总趋势与常规车辙试验相同,但与常规车辙试验相比,每种级配的动稳定度值都有不同程度的降低,一般降低300次/mm 左右,说明在有水的条件下辉绿岩的高温稳定性会变差。

2.5 沥青混合料的低温性能

按照沥青混合料弯曲试验规程进行,将轮辙成型的试件切割成30 mm×35 mm×250 mm 的小梁,跨径为200 mm,试验温度为-10℃,加载速率为50 mm/min,在UTM 材料万能试验机上进行试验,其试验结果见图6。不同CA 值的辉绿岩沥青混合料的最大弯拉应变大小排列:级配3(CA 值=0.85)＞级配2(CA 值=0.78)＞级配1(CA 值=0.7),最大弯拉应变越大,表明该混合料的低温性能越好,级配3级配最细,弯拉应变值也最大,级配3在达到相同的空隙率时需要的沥青用量要大,其对低温性能贡献大。

3 结 论

通过贝雷法的CA 值开展了AC-25沥青混合料的合成级配优化设计,利用旋转压实试验、表面构造深度试验、水稳定性试验、车辙试验和低温弯曲试验检验不同混合料的相关性能,试验结果证实贝雷法的CA值可为沥青混合料提供合理的设计参数,以保证沥青混合料的嵌挤密实结构和施工和易性。经综合对比分析,AC-25沥青混合料的CA 值取0.78时,其各项综合性能最优,可用于指导施工生产配合比设计。