ATB-25(30#)混合料级配正交优化与高温抗变形能力研究

2020-12-30柴敏，林淼

河南城建学院学报 2020年5期

柴敏，林淼

(1.福建江夏学院工程学院，福建福州 350116；2.福州大学土木工程学院，福建福州 350116)

目前，我国约90%的沥青路面基层采用半刚性基层[1]，因半刚性基层自身收缩开裂的缺陷，导致其常常出现不可避免的反射裂缝，进而产生严重的路面裂缝，破坏路面结构承载力，影响路面使用寿命[2]。ATB-25作为柔性基层，其能有效分散基层内部结构集中产生的应力，用其铺筑路面上基层能大大减小反射裂缝的发生[3-4]。而级配类型选择和配合比设计是使沥青混合料具有优良路用性能的基础[5-7]，我国现行规范[8]对ATB-25级配范围要求较广，导致级配上限对应的沥青混合料性能与下限对应的沥青混合料性能存在显著差别[9]。对于南方地区，沥青路面在高温和重载耦合作用下，对其高温稳定性能提出了更高的要求[10-11]。鉴于此，提出一种具有工程应用价值且适合南方湿热地区的ATB-25沥青混合料级配优化设计，得到一种比现行规范更窄、更合理的级配范围，成为当前迫切需要解决的问题[12-13]。

结合现行规范推荐的ATB-25沥青混合料级配范围，采用正交试验设计方法，分析探讨矿料级配和油石比对ATB-25沥青混合料各性能指标的影响，基于此得到适合工程应用的级配范围，对施工质量控制具有借鉴指导作用。为检验优化后ATB-25沥青混合料级配高温稳定性，对比分析了30#沥青、70#沥青与SBS改性沥青下的ATB-25混合料高温抗变形能力，并由此说明高温地区采用优化级配ATB-25(30#)混合料的优越性。

1 试验设计方案

为了减少试验次数，采用正交试验设计法，对ATB-25沥青混合料进行级配优化设计[14-15]。影响混合料的级配因素主要包括矿料级配和油石比，通过对ATB-25沥青混合料矿料级配的分析，选取19 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm五种关键筛孔尺寸，各筛孔都选取规范上限值、上中限值、中值、下中限值、下限值作为正交试验设计的5个水平。油石比范围为3.0%～3.8%，分别取3%、3.2%、3.4%、3.6%、3.8%作为正交试验设计的5个水平。由此，可以得到6因素5水平正交试验设计方案，具体如表1所示。

针对我国南方地区高温湿热气候特征，沥青采用30#A级石油沥青，粗集料和细集料都采用石灰岩矿料，矿粉采用石灰岩矿粉。

表1 ATB-25(30#)沥青混合料正交试验设计表

续表1

2 正交试验结果分析

采用马歇尔试验来成型试件，每组击实6个马歇尔试件，一共成型150个试件，试件成型后测定相应马歇尔技术指标，据此计算出马歇尔体积指标，各指标结果及正交试验极差分析结果分别如表2、表3所示，沥青稳定度趋势如图1所示。

表2 ATB-25(30#)马歇尔试验指标与体积指标试验结果

续表2

表3 ATB-25(30#)正交试验稳定度极差分析结果 kN

图1 ATB-25正交优化试验沥青稳定度趋势图

由表2、表3及图1可知：按照各因素对沥青稳定度的影响显著程度，可以排序为F>A>E>C>D>B。因素F(油石比)对沥青饱和度影响最为显著，变化率达到了21%，且当油石比为3.4%时，沥青稳定度最大。因素A、因素C、因素D和因素E都使沥青稳定度随着筛孔通过率的增加而线性增加，因素B对沥青稳定度影响幅度很小。按照沥青稳定度取值越大越有利的原则，则可以得到最优组合A1B3C2D3E1F3，各因素取值范围见表4。

表4 各因素最优组合下的筛孔通过率取值范围

孔隙率、矿料间隙率、稳定度和流值指标分析方法类似，这里不再赘述。以上5个指标的正交试验分析结果表明：

(1)油石比是影响马歇尔稳定度最大的因素，马歇尔稳定度随着沥青混合料油石比的增加呈现先增加后减小趋势。在油石比为3.6%时，稳定度值达到最大，这说明油石比并不是越大越好。

(2)4.75 mm筛孔通过率是对孔隙率、矿料间隙率影响最小的因素，9.5 mm筛孔是沥青饱和度和稳定度的最小影响因素；2.36 mm筛孔是流值最小影响因素。

(3)19 mm筛孔通过率是稳定度、流值的关键影响因素，且19 mm筛孔通过率越高，沥青稳定度和流值越高。油石比是沥青饱和度、孔隙率和矿料间隙率关键影响因素，且油石比越高；沥青混合料饱和度越高，沥青混合料孔隙率越小，间隙率也越小。

(4)对于不同的马歇尔指标或体积指标，得到的最优组合不同，鉴于此，不能片面追求某一指标来确定最终级配优化结果。

3 正交试验级配优化验证

根据正交试验分析结果可以进一步缩小现行规范中对ATB-25级配要求范围，结合工程实践经验，可以得到优化后筛孔通过率大小，并由此确定最优推荐级配。根据以上正交试验分析结果给出级配试验验证范围，如表5所示。

表5 正交试验优化结果级配试验验证范围

为了检验上述各因素的优化结果，按单粒径精确配料的方法成型马歇尔试件，试验所得体积指标试验结果如表6所示。

表6 正交优化级配试验体积指标检测结果

由表6可以看出：级配上限和推荐级配的体积指标都较好，但推荐级配更易于压实，压实得到的沥青路面结构密度也更大。结合上述试验结果，可确定实际生产采用的最优级配，相应的设计级配曲线如图2所示。

图2 ATB-25混合料级配优化曲线

4 30#沥青与常用沥青ATB-25混合料高温抗变形性能对比

为比较30#、70#和SBS改性沥青这3种常用沥青对应的ATB-25混合料高温抗变形性能，采用优化后的ATB-25级配，分别成型相应的车辙板和旋转压实试件，开展车辙试验和单轴贯入试验测定其动稳定度值和竖向变形量来评价其高温稳定性能。通过分析30#、70#和SBS改性沥青下的ATB-25混合料车辙试件的动稳定度和竖向总变形量来评价其高温抗变形能力。车辙试验和单轴贯入试验结果如表7所示。

表7 三种沥青ATB-25混合料试验结果对比

由表7可以看出：3种不同的沥青对应ATB-25车辙试件动稳定度都大于规范规定值，按其动稳定度大小排列顺序为：ATB-25(30#)>ATB-25(SBS)>ATB-25(70#)，且竖向总变形量与动稳定度具有较好的相关性。ATB-25(30#)混合料动稳定度最大，约为ATB-25(70#)混合料动稳定度的两倍；ATB-25(30#)混合料竖向总变形量最小，是ATB-25(70#)混合料竖向总变形量的0.43倍。而ATB-25(SBS)混合料与ATB-25(30#)混合料动稳定度、竖向总变形量二者分别相差9%、6%，ATB-25(SBS)混合料高温抗变形性能比ATB-25(30#)混合料略差，原因在于30#沥青的硬质黏稠性能使其不易发生塑性变形，提高了高温抗变形能力。综上所述，对于基质沥青，30#沥青能显著提高ATB-25混合料高温抗变形能力，用于沥青路面基层中能有效减小沥青路面竖向永久变形。与采用SBS改性沥青相比，ATB-25(30#)混合料不仅保证了高温抗变形能力得到一定程度的提高，而且还节约了工程造价。