沥青混合料级配对抗车辙性能的影响研究

麦荣章　杜荣耀

摘要：级配对沥青混合料的抗车辙性有较大影响。文章采用和现场车辙深度相关性较高的汉堡车辙试验仪，研究关键筛孔通过率对沥青路面或沥青混合料抗车辙性能的影响。研究结果表明：（1）最大公称粒径附近粗集料的增多并不能增加沥青混合料的抗车辙能力，反而会使沥青混合料的抗车辙性能降低;（2）级配4.75 mm、2.36 mm通过率的变化对沥青混合料的马歇尔击实空隙率及抗车辙性能影响较大，当空隙率<4.5%时，空隙率越小，汉堡车辙室内试验深度越大，沥青混合料的抗车辙性能越低，而当空隙率>4.5%时，空隙率增大但汉堡车辙深度未见明显变化;（3）沥青混合料马歇尔击实空隙率和汉堡车辙深度试验关系相关性较好，达到0.8，对抗车辙性能要求较高的沥青混合料，建议其设计空隙率应≥4.5%。

关键词：沥青路面;抗车辙;汉堡车辙试验;最大公称粒径;级配

0 引言

车辙是沥青路面的主要病害之一，国内和国外的研究结果表明，汉堡车辙室内试验结果和现场车辙深度相关性较高，可以较好地评价沥青混合料及沥青路面的抗车辙性能[1-3]。沥青混合料级配对混合料的高温性能、水稳定性能有显著的影响[4]，正因为级配对混合料质量的重要性，引起了众多公路工程工作者的重视。

吴志勇等[5]研究表明，沥青混合料的疲劳寿命随应变水平及公称最大粒径的增大而大幅减小，同时沥青混合料的初始劲度模量随应变水平及公称最大粒径的增大而减小，结果显示最大公称粒径粗集料的增多使混合料疲劳寿命大幅降低;贾锦绣等[6]研究表明随公称最大粒径、粗集料含量的增大，摩擦角增大，而粘聚力减小，但未明确指出最大公称粒径通过率对抗车辙性能的影响;刘培荣[7]设计了不同级配空隙率的高粘弹沥青混合料，结果表明，不同级配的高粘弹沥青混合料存在一个与其对应的合理空隙率范围，使得其能获得较强的抗车辙及抗水损害能力;江晓霞等[8]研究表明，随着粒径增大，沥青混合料整体强度增大，粘聚力增大，其研究主要是针对20 ℃模量，但是与抗车辙能力的关系未见相关性;栗培龙[9]研究表明，对于AC-16和AC-20混合料，矿料滑移破坏荷载与混合料的粒径没有显著的关系。

国内较少研究公称最大粒径对沥青混合料抗车辙性能的关系，且研究结论也不尽相同。因此本研究设计不同公称最大粒径附近通过率的级配，通过铺筑试验段，采用无核密度仪采集密度，分析最大公称粒径附近通过率对沥青路面均匀性的影响，并在试验段钻芯取样进行汉堡车辙试验，[JP4]分析公称最大粒径附近通过率对抗车辙性能的影响。同时设计4.75 mm、2.36 mm通过率的级配，分析4.75 mm、2.36 mm通过率的变化对沥青混合料抗车辙性能的影响。采用和现场相关性较高的汉堡车辙试验仪，通过铺筑试验段钻芯取样及成型试样进行汉堡车辙试验，分析关键筛孔通过率对沥青路面或沥青混合料抗车辙性能的影响，成果对指导沥青混合料的抗车辙设计具有一定意义。

1.1 研究方案

（1）原材料

集料及沥青检测结果分别见表1、表2。

集料的压碎值为19.8，由杜荣耀等[10]的研究成果可知，可以用汉堡车辙评价此集料沥青混合料的抗车辙性能。

（2）级配设计结果

本研究依托高速公路项目，设计了三种级配，其中降低了级配三公称最大粒径附近的通过率，并进行了试验段的铺筑。试验段铺筑厚度为6 cm，具体的掺配比例和级配见表3和表4，三个级配的马歇尔及车辙指标见表5。

1.2 试验段施工工艺

试验段摊铺速度为2.5 m/min。试验段的碾压方式为胶轮紧跟钢轮碾压，碾压遍数为钢轮压4遍，胶轮4～5遍。现场共采用3台钢轮压路机和2台胶轮压路机进行碾压，胶轮压路机和钢轮压路机碾压速度为3 km/h，路面摊铺及碾压温度满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）要求。

1.3 试验条件

本研究采用的试验仪器为美国生产的APA试验仪[11]，可以进行汉堡车辙试验和APA车辙试验，采用的试验指标参考国际常用的标准，具体试验指标如下：

（1）试验环境：50 ℃恒温水浴;

（2）加載方式：钢轮宽度为47 mm，荷重为158 LBS，轮压约为0.7 [HTSS]MPa[HTXH];

（3）加载速度：42次/min;

（4）试验终止条件：碾压次数达到20 000次或车辙深度达到12.5 mm。

本研究采用150 mm的钻头钻芯取样，然后将试件切割成62 mm高度的试样后进行汉堡车辙试验，试验所需时间大约为7.5 h，试验规程详见APA使用手册。试验结束后以最终车辙深度评价作为汉堡车辙试验结果。

1.4 路用性能检测

（1）路面空隙率检测结果

[JP4]对铺筑的三个级配试验段进行压实度检测，并采用无核密度仪对路面的均匀性进行评价。试验结果见表6～9。

由表6可知，级配一芯样空隙率要大于级配二和级配三，级配三芯样空隙率存在局部<3%的现象。

由表6～9可知：

采用无核密度仪对试验段进行检测发现，级配一和级配二路面空隙率有100%的空隙率位于3%～7%之间，路面空隙率分布较为均匀;级配三有94.2%的空隙率位于3%～7%之间，均匀性不如级配一和级配二，且存在局部路面空隙率偏大或偏小的现象，由此可见最大公称粒径附近通过率减小影响了路面的均匀性，使路面发生了一定程度的离析。

（2）汉堡车辙检测结果

对试验段一、试验段二及试验段三分别进行钻芯取样，钻芯取样的位置为行车道右轮迹，然后切割为规定高度进行汉堡车辙试验。试验结果见表10。

由表10可知，试验段一的抗车辙能力最优，其次是试验段二，最后是试验段三，级配三试验段的抗车辙性能最差。由此可见在其他筛孔通过率接近的情况下，最大公称粒径附近粗集料的增多并不能增加沥青混合料的抗车辙能力，反而会使沥青混合料的抗车辙性能降低。分析主要原因是虽然最大公称附近粗集料增多了，但也造成了路面粗细离析的增加，路面的均匀性下降较多，路面空隙率关键指标局部偏大或偏小，影响了沥青混合料的整体性能。级配三试验段空隙率为3.9%，是三个试验段中最小的空隙率，这也说明空隙率是影响沥青路面抗车辙能力的关键因素。

对沥青混合料性能影响最为关键的就是沥青混合料级配4.75 mm、2.36 mm通过率，它影响沥青混合料关键空隙率指标。本研究采用CAVF法[12]设计5种不同的沥青混合料4.75 mm、2.36 mm通过率，然后成型试样进行汉堡车辙试验，分析关键筛孔通过率的变化对抗车辙性能的影响。

（1）原材料

集料检测结果见表11，机制砂的砂当量为71。

（2）设计级配

本研究采用CAVF法设计标准级配，然后变化关键筛孔4.75 mm、2.36 mm通过率，研究关键筛孔级配变化对沥青混合料高温性能的影响。本次设计采用AC-13级配，共设计5条级配，油石比为4.8%，目标空隙率分别为5.0、4.5、4.0、3.5、3.0。具体的级配见表12。

根据设计级配进行马歇尔试验，不同级配的马歇尔试验结果见表13。

本次采用国内轮碾仪对5种不同的级配成型300 mm×300 mm×62 mm的方形试件，试件压实度控制在马歇尔击实标准密度的100%±1%，然后使用150 mm的钻芯机钻芯取样，对试样切割后进行汉堡车辙试验，试验结果见表14，空隙率和汉堡车辙深度关系如图1所示。

由表14可知，当设计空隙率<4.5%时，设计空隙率越大，汉堡车辙试验室内车辙深度越小，汉堡车辙试验室内车辙深度越小，则表示沥青混合料具有越高的抗车辙性能;当空隙率>4.5%时，空隙率增大汉堡车辙深度未见明显变化。级配4.75 mm、2.36 mm含量变化，对沥青混合料的马歇尔击实空隙率和抗车辙性能有较大的影响，当其含量增加将导致沥青混合料空隙率变小，沥青混合料的抗车辙能力下降。沥青混合料设计空隙率和汉堡车辙深度试验关系相关性较好，达到0.8。

3 结语

综合以上试验结果和分析，得到如下结论：

（1）最大公称粒径附近粗集料的增多并不能增加沥青混合料的抗车辙能力，反而会使沥青混合料的抗车辙性能降低。分析主要原因是虽然最大公称附近粗集料增多了，也造成了路面粗细离析的增加，路面的均匀性下降较多，路面空隙率关键指标局部偏大或偏小，影响了沥青路面的整体性能。

（2）沥青混合料设计空隙率对沥青混合料的抗车辙性能具有重大的影响。当设计空隙率<4.5%时，空隙率越大汉堡车辙室内试验深度越小，沥青混合料的抗车辙性能越高;当空隙率>4.5%时，空隙率增大汉堡车辙深度未见明显变化。级配4.75 mm、2.36 mm通过率的变化，对沥青混合料的马歇尔击实空隙率和抗车辙性能有较大的影响。

（3）沥青混合料马歇尔击实空隙率和汉堡车辙深度试验关系相关性较好，达到0.8。本课题调查检测了广西7段高速公路[13]，现场检测车辙深度，钻芯280个，使用路面芯样进行汉堡车辙试验，结果表明路面无车辙或轻微车辙时，汉堡车辙室内试验深度均<4 mm，因此建议对抗车辙性能要求较高的沥青混合料，可使用CAVF法设计形成骨架结构，其设计空隙率应≥4.5%。

参考文献：

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[10]杜荣耀，林有贵.汉堡车辙和APA车辙试验适用范围研究[J].中外公路，2019，39（5）：237-242.

[11]Pavement Technology INC.（PTI）.Asphalt Pavement Analyzer User，S Guide[Z].2011.

[12]张肖宁，王绍怀，吴旷怀，等.沥青混合料组成设计的CAVF法[J].公路，2001（12）：17-21.

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