ATB-25沥青稳定碎石在高温多雨地区的配合比优化设计研究①

王余鹏, 韩 伟, 王 亮

(1.福建林业职业技术学院交通工程系,福建 南平353000;2.中铁二十四局集团有限公司,上海200092)

0 引 言

福建闽北地区常年高温,整年雨水多,水对路面结构的侵蚀严重,另一方面,路面基层的ATB沥青稳定碎石级配设计、沥青用量确定方法、材料设计及施工过程难于控制,较易出现质量问题。现行技术规范(JTG F40-2004)给出的配合比范围较为宽裕,其原因是对全国范围内的ATB设计而推荐的,在具体公路ATB设计时,需要综合考虑当地的实际具体条件及路用性能寻求一个最优解的问题。国内众多专家对沥青混合料配合比进行试验研究后认为,粗细集料的真实密实状态并不是现行技术规范给出的配合比范围的中值。因此,应根据高温多雨闽北山区的具体条件和路用功能要求,进行ATB的配合比优化研究。根据闽北山区公路易产生车辙、水损害以及低温开裂等,对路面的空隙率、流值、稳定度性能要求较高,采用分形理论,结合正交试验设计结果,分析ATB-25集料级配分维数值与马氏试验指标的相关性,得出分维数值的范围。根据不同矿料级配曲线的分维数与拟合程度,选取矿料级配范围及目标级配,对沥青混合料的级配设计试验方法进行优化,提出适合于炎热多雨地区的ATB的配合比方案。

1 目标配合比设计优化

主要针对的是优化在多雨高温和重型高速公路下层使用的ATB-25等级。过去,道路技术人员认为,下面层是不产生车辙的主要层次,因为炎热季节中,下层温度相对较低,混合物的粒径相对较粗。但是,研究和分析表明,在我国的高速公路中,特别是在南部炎热多雨的地区,超载和重载非常严重,较低的车辙是不容忽视的。因此,沥青混合料的基本性能要求是:(1)高密度和不渗透性;(2)较强的高温稳定性。其次,从沥青混合料的骨料级配的角度来看,如果沥青混合料是致密且不可渗透的,则骨料间隙率不应太大。通过使用更多的沥青可以使较大的骨料清除率更致密,但这种方法不经济,还降低沥青混合物的高温稳定性。

1.1 矿料级配的确定

根据JTGF40-2004技 术 规 范,ATB-25的矿物材料级配粗细分界以4.75mm筛孔通过率划分。具体如下:

若集料之间接触的松装间隙率为V C A,即

假设合成沥青混合料中的细料质量分数为P(即4.75mm通过率),则粗料质量分数为1-P,可得矿料间隙率VMA A为:

假设粗料刚好达到骨架密实型级配时,其集料间隙率为VMA0即:

将式(3)代入式(2),可得

由式(4)可知:可通过粗、细料的两个间隙率参数,以及两个密度参数计算得到骨架密实型结构的细料质量分数P0。

据此可计算得到骨架密实级配曲线。三条级配的通过率分别为:级配1为36.4%,级配2为30.9%,级配3为25.9%,见图1、表1。

表1 三组不同的矿料级配表

1.2 合理级配的选择

对于选定的三组试验样品,按预期油石3.8%-4.0%之间制作φ101.5尺寸的马氏试件,其击实成型温度为145℃,双面各击实75次,相关试验结果详见表2。

表2 不同级配马歇尔试验结果

(1)级配1与级配2方案的方案比较

级配1与级配2的ATB-25关键控制筛孔4.75mm通过率分别为36.4%和30.9%。

1)水稳性:由表2中马氏试验结果可知,级配1与级配2的残留稳定度分别为:10.14k N和11.15k N,方案2的水稳性较好。

2)高温稳定性:根据表中车辙试验结果,级配1与级配2的60℃的动稳定度分别为1018次/mm和1214次/mm,均能满足现行技术规范要求;而级配2的动稳定度较级配1提高了19.3%,由此可知级配2的粗骨料之间形成嵌挤结构,更有利于提高其耐高温性能,为此抗高温车辙能力更好。

(2)级配2与级配3方案的方案比较

级配2与级配3的ATB-25关键控制筛孔4.75mm通过率分别为30.9%和25.9%。

1)水稳性:由表2中马氏试验结果可知,级配2与级配3的残留稳定度分别为:11.15k N和11.78k N,由此得出级配3的水稳性较好。

2)高温稳定性:根据表中车辙试验结果,级配2与级配3的60℃的动稳定度分别为1214次/mm和1148次/mm,均能满足现行技术规范要求;而级配2的动稳定度较级配3提高了5.75%,由此可知级配2的抗高温车辙效果好。

综合分析,级配1的饱和度已经超过规范上限,致使ATB-25热稳定性较差;级配3粗集料的含量稍高,ATB-25会产生较大的分离,可能发生渗水,所以采取级配2的方案。

1.3 最佳沥青用量

(1)选用级配2,进行间隔为0.3%的3.3、3.6、3.9、4.2、4.5多组油石比,分别制成马氏试件(结果见表3)。根据表3中的各组油石比定为横轴、其它性能指标为纵轴,描制成马氏试验目标确定图,进行马氏试验,最终得出试验室最佳油石比为3.852%,为此选取邻近最佳油石比的油石比(3.9%),进行马氏试验及配合比设计检验,结果为表4、表5。

表3 ATB-25马氏试验结果

表4 油石比3.9配合比马氏试验结果

表5 配合比设计检验

2 ATB-25优化后配合比性能检测

ATB-25的目标配合比设计方案推荐使用级配2集料比例、油石比和集料合成级配如表6所列。为了查验调整后的ATB-25混合料配合比路用性能,需对ATB-25的压实度、高温抗车辙、骨架接触度等进行检验。如下:

表6 ATB-25目标配合比级配组成

(1)压实度检验

压实度基本上在95%～96%,其加权平均为95.4%(以最大理论相对密度为标准);残留空隙率基本在4%～5%,其加权平均为4.6%,满足技术规范要求。

(2)高温抗车辙能力检验

将ATB-25制成300mm×300mm×100mm的试件进行高温车辙动稳定检验,数据结果为4102次,满足规范要求的1000次,表明优化后的ATB-25具备较高的高温稳定性。

(3)骨架接触度检测

骨架接触是指大粒径混合料中粗集料之间的密实接触程度,比例数值越大说明集料之间的骨架特性和接触密度越好,ATB-25的骨架接触度为95.1,满足规范要求的90%。其检测结果如表7。

表7 骨架接触度检测表

3 工程应用

使用该配合比生产ATB-25与福建南平某路面工程进行对比试验。通过钻芯法测定ATB-25面层施工压实度对比;通过耗气量得出每生产1t的ATB-25燃气成本与有害气体的排放量,进行经济和环境效益分析(试验结果如表8)。配合比优化后的ATB-25混合料压实度提高了1.61%;每生产1t沥青混合料的燃气成本节省4.917元,成本降低14.2%,其经济指标较高;有害气体的排放量也有大幅下降,实现了ATB-25的低碳 制造,环境效益显著。

表8 工程应用对比试验表

4 结 论

1)通过室内试验方法对ATB-25基层三阶段设计方案的路面性能进行了测试,并对ATB-25基层的路面性能及其指标进行了分析。包括高温稳定性,水稳定性和渗透性等路用指标,测试结果表明优化后的配合比方案能够满足炎热多雨的南方公路路面结构的要求。

2)根据正交试验设计法分析得出,ATB-25粗集料的级配变化对动稳定度的影响较大,通过试验论证其目标空隙率定为4.0%～4.5%比较合理。与此对应的油石比大约在3.7～4.1之间。在最佳油石比3.9的路用试验对比情况下,每生产1t的ATB-25燃气成本节省4.917元,成本降低14.2%;有害气体的SO2排放量下降10.74%,CO2排放量下降5.62%,NOX排放量下降11.51%,具有较高的经济和环境优势。

3)根据比较,分级方案2的总体高温稳定性,水稳定性和渗透性优于其他两个ATB-25梯度,同时优化后的配合比ATB-25混合料方案的压实度提高了1.61%,并兼有柔性基层和透水透气性,大大提高了ATB-25路面的耐久性,具有优异的高温稳定性,耐低温裂纹性能,充分体现了优化后的配合比的优越性。