改进型薄层罩面AC-5沥青混凝土性能室内试验研究

李睿　傅琴

摘要：为了探讨AC-5沥青混凝土的路用性能，文章通过结合传统马歇爾试验与肯塔堡飞散试验、谢伦堡析漏试验的改进型设计法来确定最佳油石比，并对其性能进行了室内试验研究。结果表明：（1）以马歇尔试验为主，以肯塔堡飞散试验、谢伦堡析漏试验为辅的设计方法适用于改进型薄层罩面AC-5最佳油石比的确定及验证;（2）通过改良的设计方法确定了改进型薄层罩面AC-5的最佳油石比为5.5%;（3）改进型薄层罩面AC-5不仅具有良好的高低温性能和水稳定性能，而且还能够提高路面的抗滑能力。

关键词：道路工程;薄层罩面AC-5;改性沥青混合料;室内试验;路用性能

中国分类号：U416.03文章标识码：A

0 引言

随着国内绝大部分高速公路步入维养时期，越来越多的预防性养护方法应运而生[1-3]。其中，薄层罩面AC-5凭借其使用寿命长、全寿命周期费用低，能形成舒适平坦的行车路面，提供优质的行驶质量及不断提高行车安全性，同时对原路面的结构也有一定补强作用等诸多优点，近年来受到了更多的关注[4-6]。但是，国内对薄层罩面AC-5的相关研究并不多，应用到实体工程中的成功案例也寥寥无几[7-9]。同时，目前国内先行标准未对AC-5沥青混凝土粗细集料的分界筛孔提出明确要求，且其对砂粒式AC-5的空隙率设计要求仍旧依据不同气候分区笼统地采用3%～6%的选择范围[10-12]。而有研究表明空隙率为8%时，薄层罩面AC-5的高低温性能均能满足规范要求且具有不错的抗渗能力[13]。因此，本文将综合国内外的相关研究资料，优选出改进型薄层罩面AC-5的级配曲线，运用两种不同的试验方法确定最佳油石比，并对其路用性能开展室内试验测试。

1 改进型薄层罩面AC-5沥青混凝土设计

1.1 原材料

相对于传统的密实型沥青混合料，改进型薄层罩面AC-5的空隙率偏大，因此周围环境中的各种因素譬如水、空气、行车荷载等对其会产生较大的影响，从而导致用于拌制这种混合料的沥青对集料要求有很强的粘附力和很好的包裹力，同时抗剥离性也必须满足较高要求[14]。综合以上各种因素，本次研究选用的是由中远海运国际贸易有限公司提供的SBS改性沥青（I-D）。遵照规范要求的试验方法对其开展了技术指标测试，试验结果如表1所示。

1.2 改进型薄层罩面AC-5矿料级配研究

通过收集整理国外薄层罩面AC-5的相关资料，将其与国内的AC-5规范要求进行对比，综合拟定出改进型薄层罩面AC-5的体积参数范围，如表5、下页表6所示。

从表5的级配范围可以看出，2.36～9.5 mm和0.075 mm筛孔是国外各地区关键的控制筛孔，但是国内却对每级筛孔的通过率都做出了限制，这种做法对于薄层罩面AC-5在国内得以广泛应用产生的阻碍作用是显而易见的。因此，基于以上级配范围的最大公共区域，借鉴连续级配的设计原理对其进行等分，求得优化的级配曲线[15]，如下页表7所示。

有学者研究发现，连续型矿料级配在掺入改性沥青当中进行拌制时的最佳油膜厚度为7.00～9.00 [WTBZ]μm[16]。本文采用8.00 [WTBZ]μm的油膜厚度对薄层罩面AC-5拟定级配进行初始沥青用量的理论计算，然后按照计算得出的初始沥青用量进行5个级配的马歇尔试验并测试其体积参数，试验结果如下页表8所示。

表8中的数据表明，级配4的各项指标均能满足要求且空隙率最接近8%，级配5的空隙率和沥青用量两项指标都超出了要求范围。所以，综合对比两种级配之后，对级配4进行微调得到级配6，如表9所示。

对级配6进行马歇尔试验并测试其体积参数，试验结果如表10所示。

表10的数据显示，级配6的各项体积参数的试验结果均能满足前文综合拟定AC-5的参数范围。因此，将级配6确定为改进型薄层罩面AC-5的矿料级配。

1.3 改进型薄层罩面AC-5最佳油石比确定方法的研究

沥青混凝土的路用性能是随着沥青用量的多少而变化的，合适的沥青用量不仅能最大程度地节约成本，而且可以将混合料的优质性能发挥到最大。一般情况下，沥青混合料的最佳油石比是采用马歇尔试验方法来确定的，但是本文采用的改进型薄层罩面AC-5的空隙率达到8%，这已超出规范中规定的空隙率要求范围，不再属于传统密级配沥青混合料范畴。而大空隙开级配排水式沥青混合料OGFC的最佳油石比确定方法，采用的是谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验相结合的方式，进行综合计算得出。因此，本文将基于改进型薄层罩面AC-5的矿料级配，对两种方法进行比较分析，从而探索出一种更适合改进型薄层罩面AC-5的最佳油石比确定方法。

1.3.1 马歇尔试验设计法

以改进后的级配为基础，在油石比为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%的条件下制作马歇尔试件。然后对其相关指标分别测试及计算，绘制出油石比与各项指标的关系图，如图1～7所示。

（1）按照规范要求，根据图1～3和图6中的数据，可得OAC1=（5.8+4.8+5.7+5.7）/4=5.5。

（2）取各项指标满足要求的油石比最大值及最小值，由图7可得OAC2=（4.8+6.1）/2=5.45。

（3）综合OAC1和OAC2的取值，可得最佳油石比OAC=5.5。

因此，由马歇尔试验确定的最佳油石比为5.5%。

1.3.2 析漏-飞散试验设计法

在交通荷载作用下，大空隙沥青混合料由于沥青用量或粘结性不足，路面表面集料会发生脱落而散失的情况。针对此类问题，国外研究者专门开发了肯塔堡飞散试验和谢伦堡析漏试验。本文研究的改进型薄层罩面AC-5目标设计空隙率8%已经超出我国传统密级配3%～6%的空隙率范围，所以借鉴以上两种试验来探索改进型薄层罩面AC-5的最佳油石比。以上文确定的矿料级配，按4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%的油石比进行两项试验，试验结果如下页图8和图9所示。

由图8、图9可以得到油石比上、下限值分别为5.7%和5.4%，然后取其平均值5.5%为最佳油石比。

由以上两种设计方法得出的最佳油石比值一致可以看出，无论是比较普及的马歇尔试验设计法还是专门为大空隙沥青混合料研究出的析漏-飞散试验设计法，其用在改进型薄层罩面AC-5上的效果是殊途同归的。由此可以看出，传统密级配沥青混凝土和大空隙沥青混凝土的特点在改进型薄层罩面AC-5上都有所体现，所以才会得出最佳油石比一致的结果。然而，大空隙沥青混凝土的空隙率一般>12%，相对而言8%的空隙率更加接近于密级配沥青混凝土的空隙率范围，同时改进型薄层罩面AC-5的矿料级配和体积参数均是基于密级配AC-5沥青混合料的。所以，建议以马歇尔试验设计法为主来确定最佳油石比，以析漏-飞散试验设计法为辅来验证最佳油石比。

2 改进型薄层罩面AC-5室内性能试验

按照5.5%的最佳油石比和前文选出的矿料级配，对改进型薄层罩面AC-5沥青混合料进行路用性能室内试验验证。

（1）高温性能验证

车辙试验结果如表11所示。

由表11可知，其高温稳定性满足规范要求。

（2）低温性能验证

低温弯曲试验结果如表12所示。

由表12可知，其低温性能良好。

（3）水稳定性能验证

浸水马歇尔试验结果、冻融劈裂试验结果如表13所示。

由表13可知，其水稳定性满足规范要求。

（4）疲劳性能验证

在恒应力控制的连续半正弦波加载模式下，将温度控制在25 ℃，应力比控制在0.5，加载频率控制为10 Hz，开展四点小梁弯曲疲劳试验，试验结果如表14所示。

由表14可知，其具备一定程度的抗疲劳能力。

（5）抗滑性能验证

构造深度试验结果如表15所示。由表15可知，其抗滑性能较好。

（6）抗剥落性能验证

浸水飞散试验结果如表16所示。由表16可知，其抗剥落性能良好。

（7）力学性能验证

单轴压缩动态模量试验结果如表17、图10所示。

据表17和图10显示，随着荷载施加频率的增大，改进型薄层罩面AC-5的动态模量也是逐渐增大且趋于水平的，这说明常温下，改进型薄层罩面AC-5具有一定抵抗低频荷载的能力。

综合以上试验结果可知，油石比为5.5%的改进型薄层罩面AC-5不仅具有良好的高低温性能和水稳定性能，而且还能够在提升路面抗滑能力方面起到一定作用。

3 结语

本文通过研究整理国内外相关资料，优选出改进型薄层罩面AC-5的级配曲线，运用两种不同的方法对其最佳油石比的确定进行了研究分析，然后在最佳油石比的条件下对其室内性能试验进行验证，得出了以下结论：

（1）改进型薄层罩面AC-5的最佳油石比，建议采用马歇尔试验设计法确定，以析漏-飞散试验设计法用于验证。

（2）通过传统马歇尔试验方法与析漏-飞散试验设计法确定了改进型热拌薄层AC-5最佳油石比为5.5%。

（3）对改进型热拌薄层AC-5的路用性能进行了室内试验验证，发现其不仅具有良好的高低温性能和水稳定性能，而且还能够提高路面的抗滑能力。

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作者简介：

李 睿（1991—），硕士，工程师，主要从事道路工程材料试验检测与性能测试工作;

傅 琴（1967—），博士，教授级高级工程师，主要从事公路建设及养护工作。