沥青混合料组成对路用性能的影响

张素云

（合肥工业大学土木工程学院 合肥 230051） （安徽交通职业技术学院 合肥 230051）

国内外大量研究与路面病害分析表明，车辙和水损害主要与中面层相关［1－4］.工程实践也表明，随着夏季高温多雨、湿度偏大与重载车辆、渠化交通等因素的影响，AC－20沥青混凝土结构常出现车辙和水损害问题.因此，中面层应具有很强的高温抗变形能力，以抵抗荷载的重复作用.国内学者对此进行了相关研究［5－6］，有力地提升了沥青混合料设计水平，这些研究主要集中于表面层的原规范AC－16、AK－13型级配［7－8］，对研究常用于中面层的AC－20沥青混合料组成设计与施工细节控制对路用性能的影响研究还较少.笔者在总结前人的研究成果和现行规范［9］级配的基础上，进一步研究沥青混合料组成对综合路用性能的影响，以提高路面使用性能和耐久性.

1 基于沥青混合料组成设计的优化

1.1 试验原材料与设计

粗集料为石灰岩，细集料为石灰岩机制砂，填料为矿粉，结合料为SBS I－D级改性沥青，原材料技术指标均符合规范要求.采用正交试验设计，按照L25（5）6安排试验［10］，适当放大文献［9］级配下限值，尽可能将影响马歇尔技术指标的各因素列入其中，并考虑因素水平搭配组合时不出现负值，选取9.50，4.75，2.36，0.075mm筛孔通过率和油石比的5因素5水平（分别以A，B，C，D，E表示），见表1.

表1 正交设计（AC－20）因素水平

1.2 结果分析

按规程［11］要求成型沥青混合料试件，击实温度为（163±2.5）℃，采用真空法实测理论最大相对密度，每组击实有效试件6个.由于极差分析中不能估计试验过程中必然存在误差大小的缺点，本文同时采用方差分析对各因素的显著性水平给出一个定量分析.方差分析结果如表2所列.

1）2种分析计算结果表明，空隙率和饱和度的影响因素大小排序为D＞E＞A＞C＞B，E＞D＞A＞C＞B.其中，0.075，9.5和2.36mm通过率以及油石质量比为显著影响因子，而4.75mm通过率影响并不显著.表明空隙率并没有因为级配区间变化越大而随之发生较大变化，如0.075 mm筛孔通过变化只有4%，该水平下空隙率均值变化32.8%，据此可优化确定满足此类沥青混合料设计空隙率为3%～6%和饱和度为65%～75%要求的各因素取值范围：A为48%～62%，B为28%～45%，C为19%～28%，D为4.5%～7%，E为4.3%～4.7%.

表2 方差分析结果

2）影响马歇尔稳定度的因素大小排序为A＞D＞C＞B＞E.除9.5mm通过率影响接近显著外，其他因素影响不显著，表明合理优化9.5 mm通过率可显著提高沥青混合料的高温承载力；间隙率和毛体积密度的影响因素大小排序为D＞A＞C＞B＞E，D＞C＞A＞E＞B.说明优化0.075mm和9.5mm通过率可显著降低矿料间隙率.

综上所述，影响马歇尔技术指标因素的极差和方差分析结果基本一致，表明试验结果并不是由于试验误差引起的，而是因素本身对试验结果产生显著影响；优化0.075，2.36和9.5mm通过率可有效降低空隙率水平和增大试件毛体积密度；毛体积密度和空隙率的影响因素排序不同，主要原因是混合料密度大小不仅取决于空隙率大小，一定程度上更取决于集料组成的空隙率大小，增大油石比可显著降低空隙率，但并不能有效增大试件密度.建议优化集料组成可显著提高沥青混合料组成设计水平.

2 沥青混合料组成对TSR与DS的影响分析

施工中常因原材料技术质量与施工施工工艺质控制不够严格而对路面内在质量造成较大影响，本文基于施工质量过程控制，选取细集料砂当量、填料类型、粉胶比和空隙率作为因素水平，采用L9（3）4安排试验设计，见表3.

先实测机制砂砂当量，采用通过研磨并经过0.075mm筛孔筛分，将小于0.075mm筛孔通过率的泥土作为配制表3设计要求的砂当量使用；固定油石质量比为4.3%，保持2.36mm筛孔通过率不变，调整矿粉和细集料，变化0.075mm筛孔通过率，依次得到粉胶质量比为0.6，1.1，1.6；通过调整马歇尔击实次数得到不同空隙率水平.以冻融劈裂强度比（TSR）和动稳定度作为评价依据，每组试验有效试件4个，试验仪器为LDR－2型沥青混合料冻融劈裂仪，主要技术参数为最大荷载50kN，荷载范围5～35kN，加载速率（50 ±5）mm／min.取4个试件平均值作为试验结果，见表4，极差分析结果见表5.

表3 正交设计（AC－20）因素水平表

表4 正交试验设计与结果

注：DS为动稳定度，mm／次；RT2为未冻融劈裂强度，MPa；RT1为冻融劈裂强度，MPa；TSR为冻融劈裂强度比.

表5 冻融劈裂强度和车辙极差分析结果

从表5分析可知：（1）未冻融和冻融劈裂强度的影响因素排序均为I＞F＞H＞G，表明空隙率和砂当量均为水稳定性的主要影响因素，空隙率由4.5%增至10%时，冻融劈裂强度单调衰减46.2%；TSR的因素排序为F＞I＞G＞H.表明冻融劈裂强度与TSR影响因素的影响程度不一致，TSR不仅取决于未冻融劈裂强度值，也取决于作为分母的冻融劈裂强度值，TSR增大仍存在冻融劈裂强度值小的问题.砂当量由80%降至60%时，TSR衰减10.6%，但当砂当量由80%降低到40%时，冻融劈裂强度比单调降低27.3%.分析认为，试件经过3阶段水循环后的冻融劈裂强度衰减主要取决于试件的内在空隙率大小，空隙率越大，其衰减越明显；（2）影响60℃动稳定度的因素排序为I＞H＞G＞F.空隙率和粉胶质量比较其他因素对动稳定度有显著影响，空隙率由4.5%增至10%，60℃动稳定度衰减34.2%；粉胶质量比由0.6增加到1.6，60℃动稳定度增加29.5%.表明增大施工压实度和适当提高粉胶比有助于提高抗车辙性能.综上所述，以TSR作为评价沥青混合料抗水损害的同时，应结合冻融劈裂强度值的大小综合考虑，以提高路面的力学性能；砂当量宜控制在70%以上，成型路面空隙率宜控制在6%以下，粉胶质量比宜控制在1.1～1.6.

3 沥青混合料组成对高温抗车辙性能的影响分析

由于中面层在沥青路面结构设计和实际使用性能中具有最为显著的抵抗高温抗剪切变形能力，结合本文研究发现4.75mm筛孔通过率对马歇尔性能指标的影响不显著，专门在高温条件下，通过70℃动稳定度试验研究这类沥青混合料的高温抗车辙特性，以探讨常用于路面结构中面层的AC－20沥青混合料抵抗高温车辙性能的作用.4.75mm筛孔通过率依次确定为24%，27%，30%，33%，41%，49%，级配见表6.油石质量比为4.3%，以马歇尔试件密度成型车辙板，每组3块板变异系数均小于20%，取平均值作为试验结果，如图1～图4.

表6 AC－20合成级配组成设计

图1 动稳定度与4.75mm筛孔通过率关系

图2 动稳定度与空隙率关系

图3 试件空隙率与各筛孔通过率关系

图4 试件空隙率与各筛孔通过率关系

由上述试验结果可知，随着级配由粗型变为细型，70℃动稳定度呈明显抛物线型，4.75mm通过率为30%～33%时出现峰值，达到近4 000次／mm，此时试件空隙率为4.7%.之后随着4.75 mm通过率逐渐增大，70℃动稳定度由3 913次／mm衰减到1 772次／mm，衰减54.7%；70℃动稳定度与4.75mm通过率的线性相关性（80.9%）明显优于与2.36mm和9.5mm通过率的线性相关性；试件空隙率与2.36mm和9.5mm通过率的线性相关性较4.75mm通过率关系更为密切，表明通过调整2.36mm和9.5mm通过率使空隙率偏小或偏大并不能提高高温抗车辙性能，也进一步印证了本文采用正交均匀理论分析的4.75mm通过率对此类混合料空隙率并不显著结论的正确性.表明尽管4.75mm通过率对马歇尔性能指标影响较小，但对高温70℃抗车辙性能贡献很大，优化4.75mm筛孔通过率可有效提高沥青路面的高温抗车辙性能.

4 结 论

1）应用正交试验设计研究了AC－20沥青混合料马歇尔性能指标的影响因素与排序.结果表明，0.075，9.5和2.36mm通过率和油石质量比为显著影响因子，而4.75mm通过率影响并不显著.据此优化提出了混合料组成设计建议范围.

2）基于施工质量控制的AC－20沥青混合料综合路用性能优化表明，空隙率和细集料的洁净程度是影响路面水稳定性的关键因素，空隙率与粉胶比是影响60℃动稳定度的又一关键因素，降低成型路面空隙率，采用洁净的原材料，适当提高粉胶比可有效提高路面的抗水损害性能和抗车辙性能.

3）尽管4.75mm通过率对马歇尔性能指标的影响不显著，但对常用于沥青路面结构中面层的AC－20沥青混合料具有显著抵抗高温车辙性能作用，推荐4.75mm通过率范围宜控制在30%～33%之间.

［1］刘志明，王哲人.沥青路面水损害与车辙的分析研究［J］.公路交通科技，2004，21（8）：1－4.

［2］王国军.高速公路沥青混凝土路面车辙调查及分析［J］.北方交通，2007（3）：37－41.

［3］徐 伟，张肖宁，韩大建.高速公路早期车辙病害调查及处治试验分析［J］.公路，2004（3）：113－116.

［4］谭积青，张肖宁.三层式沥青面层车辙组成及发展的调查与分析［J］.公路交通科技，2006，23（1）：20－23.

［5］孙立军.沥青路面结构行为理论［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］冯俊领，郭忠印，陈崇驹.高温多雨条件下沥青混合料水损害模拟研究［J］.建筑材料学报，2007（5）：40－44.

［7］朱梦良，赵 平，高新亮，黄谟钊.AK16抗滑表层的矿料级配优化［J］.中国公路学报，2003，16（1）：10－14.

［8］邱颖峰，许志鸿，黄启舒.级配对沥青混合料高稳定性影响的研究［J］.重庆交通学院学报，2006，26（2）：75－79.

［9］中华人民共和国交通部.JTG F40－2004公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［10］方开泰，马长兴.正交与均匀试验设计［M］.北京：科学出版社，2001.

［11］中华人民共和国交通部.JTJ052－2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2000.