击实次数对双层功能性沥青混合料稳定性的影响

张海涛，袁 梦

(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040)

对于目前现有的功能性沥青混合料来讲，都是采用单一级配的大空隙率混合料(Va=15%～25%)，以满足功能性指标的要求，但这样的大空隙率混合料密实度较差、易受水流冲刷，其结构性指标(强度)难以保证[1-2]。如何解决单一级配的大空隙率功能性沥青混合料的功能性指标好而结构性指标差的问题一直是研究的主要方向。因此，本项目设计一种双层功能性沥青混合料，以解决此问题。研究目标是设计一种上层具有功能性、下层可以保证结构强度的双层沥青混合料，将单层大空隙率OGFC沥青混合料的下半部分替换成密实型AC沥青混合料，采用连续摊铺方式施工，以保证沥青混合料的层间连接强度[3-4]。

双层功能性沥青混合料设计的理论基础主要依据《公路沥青路面设计规范》(JTGD 50—2017)[5]要求将传统沥青混凝土路面分为上面层、中面层、下面层三层，三层间断摊铺同时层间设置黏层。双层功能性沥青混合料设计在此基础上参考双层排水路面将三层面层整合视为一层，模拟连续摊铺方式，不设黏层，层间连接效果较好。设计是基于双层排水沥青混合料的基础上，较传统沥青路面的组合排列上有一定的创新，将大空隙率的OGFC(open graded friction course)沥青混合料置于上层，将空隙率较小的AC(asphalt concrete)沥青混合料置于下层，使双层功能性沥青混合料保留OGFC原有的功能特性，同时又具有较好的力学特性。

研究人员针对马歇尔成型参数对材料特性、试验环境、级配、沥青用量等做了大量的分析，如通过改变马歇尔成型温度适应不同强度的集料，从而能够得到稳定的混合料内部集料接触结构；成型温度对普通沥青、改性沥青混合料的体积特性以及对混合料类型的影响；压实过程中粗集料的堆移行为对沥青混合料的影响，不同压实方法对沥青混合料性能的影响[6-8]。邓乃铭[9]研究了试件制作过程中各因素对沥青混合料空隙率的影响。在功能性沥青混合料方面上，张炯[10]等针对透水沥青混凝土渗透性能及堵塞行为进行了研究；卓浩[11]、胡爱兵等[12]基于SWMM(storm water management Model)模型对LID(low impact development)设施布局的影响进行分析。基于以上问题，针对沥青混合料马歇尔试件击实成型方法加以进一步的研究，在OGFC/AC结构设计中，在保证上下两层层间连接强度的条件下，同时保证上层OGFC沥青层的空隙率来确保其功能性，研究采用不同击实次数组合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)的击实形式[13-14]，分别在25、60 ℃条件下对不同击实次数组合下的试件进行了马歇尔试验。同时研究基于数据拟合分析对不同击实次数组合下混合料的稳定性影响进行分析。

1 原材料及配合比设计

1.1 沥青

试验采用SBS改性沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE 20—2011)[15]中的规定进行试验，其各项性能指标如表1所示。

表1 SBS改性沥青性能指标

1.2 集料

试验采用AC-13、AC-16、OGFC-13、OGFC-16级配。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[16]中的规定进行试验，集料的技术指标如表2所示。

表2 集料技术指标

1.3 配合比设计

试验采用的矿料级配参照级配范围要求中值及结合工程实际应用的经验，确定集料级配。根据研究结果及工程实践经验，选取AC-13、AC-16、OGFC-13(空隙率21%)、OGFC-16(空隙率21%)。四种混合料集料级配曲线如图1所示。根据马歇尔试验所确定的4种沥青混合料的最佳油石比分别为5.4%、5%、4.3%、4.0%。

图1 集料级配曲线

1.4 试件制备

试验仿照连续摊铺施工工艺制备双层功能性沥青混合料马歇尔试件，先拌合好下层沥青混合料(AC-13或AC-16)，随后拌和上层沥青混合料(OGFC-13 或OGFC-16)。最后对整体进行击实得到双层功能性沥青混合料马歇尔试件(图2)。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[15]中的规定，单层OGFC沥青混合料马歇尔试件应双面击实50次，单层AC沥青混合料马歇尔试件应双面击实75次[8]。为了更好地研究击实次数对双层功能性沥青混合料的影响，采用不同击实次数组合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)进行试件的击实。

图2 双层功能性沥青混合料马歇尔试件

2 试验结果与分析

2.1 马歇尔试验结果与分析

分别在25、60 ℃条件下对不同击实次数组合下的双层功能性沥青混合料试件进行了马歇尔试验。将得到的试验结果进行对比分析，试验结果如表3所示。从表3可以看出，无论哪种击实次数组合，双层功能性沥青混合料满足规范所规定的OGFC混合料技术的要求。且OGFC+AC组合的稳定度、流值试验结果优于单层OGFC沥青层。

表3 马歇尔试验结果

由图3可以看出，在不同击实次数组合下，密度、空隙率符合与击实次数的一般规律，试件的密度随着击实次数的增加逐渐增大，试件的空隙率随着击实次数的增加逐渐减小。此外，随着击实次数的增加双层功能性沥青混合料两层间层间连接逐渐密实、层间连接效果更好，所测得的稳定度随着击实次数的增加而逐渐增大且无论在25、60 ℃条件下稳定度的峰值均出现在75×75击实次数组合条件下。对比双层功能性沥青混合料在25、60 ℃条件下稳定度，明显观察到双层功能性沥青混合料在 25 ℃ 条件下所测得的稳定度大大优于60 ℃条件下的稳定度，25 ℃条件下的稳定度平均约为60 ℃条件下稳定度的4.34倍。其主要原因是在25 ℃条件下沥青混合料受温度影响较小，沥青与集料之间的黏结力受到的水和温度影响较小，试件整体仍处于一个密实、黏结性较强的状态。

图3 密度、空隙率、稳定度、流值与击实次数的关系

2.2 数据拟合分析

图4 25、60 ℃条件下稳定度对比

为了进一步确定击实次数对双层功能性沥青混合料稳定性的影响，将25、60 ℃条件下稳定度进行数据拟合，研究分析稳定度与击实次数之间的关系。为明确表达击实次数的影响，将不同击实次数组合(50×50、60×60、75×75、50×75、60×75)以击实次数之和的方式记录，分别为100、120、150、125、135。

由图5可知，击实次数对于双层功能性沥青混合料有较大的影响，双层功能性沥青混合料稳定度随着击实次数的递增而逐渐增加，有明显变化。由表4中的回归方程以及R2来看，OGFC-13+AC-13与OGFC-16+AC-16级配组合在25、60 ℃条件下稳定度与击实次数的关系与多项式函数拟合较好。

图5 25、60 ℃条件下稳定度数据拟合分析

表4 回归方程与R2

3 结论

(1)在采用SBS改性沥青的条件下，双层功能性沥青混合料的马歇尔稳定度明显优于单层OGFC 性能。且试验所测得的25 ℃条件下的马歇尔稳定度平均约为60 ℃条件下马歇尔稳定度的4.34倍。

(2)不同击实次数组合下的马歇尔试件的密度、空隙率的变化都符合一般规律。仅针对沥青混合料的稳定性而言，OGFC/AC的结构组成的稳定度明显较单一层有很大的提高，其可能原因是上层OGFC混合料与下层AC混合料相互结合形成良好的层间连接，但实际情况仍需对双层功能性沥青混合料的层间连接情况进行细观研究。

(3)在相同的实验环境下，当击实次数组合之和开始递增，双层功能性沥青混合料的稳定度也随之递增。两种级配的双层功能性沥青混合料在25、60 ℃条件下与击实次数的关系经数据拟合满足多项式关系，且拟合效果较好。