基于抗剪切性能的大粒径沥青混合料级配设计

朱 昆， 扈惠敏

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

随着高速公路路龄的增长，道路基层的维修量逐渐增大，大粒径沥青混合料在基层病害维修中所占比例越来越大。当基层出现纵向裂缝时，在车辆荷载作用下，沥青层承受的剪应力显著增大［1］。不同级配对沥青混合料的抗剪切能力不同，即抗裂性能差异较大。针对沥青混合料的低温抗裂性能，通常研究其低温抗弯拉能力［2］。本文针对带裂缝基层维修中应用的大粒径沥青混合料，从抗剪切能力角度，提出级配优化设计方法。

1 原材料组成与特性

（1）沥青。试验采用的道路石油沥青，其主要技术性质见表1所列。

（2）集料。试验采用的集料为石灰岩，各档集料规格如下：1＃为20～37.5mm，2＃为19～26.5mm，3＃为10～20mm，4＃为5～10mm，5＃为0～3mm。集料压碎值为16.6%，冲击值为9.1%，坚固值为3.1%。1＃～4＃集料中针片状颗粒质量分数分别为：2.749%、2.734%、2.746%、2.737%。1＃～5＃集料的表观密度分别为：2.749、2.734、2.746、2.737、2.691g／cm2。

矿粉为石灰岩磨制的石粉，其表观密度为2.750g／cm2。

各档集料通过筛孔百分率见表2所列。

表1 沥青的技术指标试验结果

表2 各档集料通过筛孔百分率 %

2 级配设计

2.1 设计思路

通过采用稳定骨架型级配，可实现大粒径沥青碎石材料强度与抗裂性能的优化，问题的焦点集中在碎石级配设计方法与指标上。以往对于大粒径沥青碎石或沥青碎石级配设计方法的研究都注重体积指标，本文不仅注重体积指标，同时考虑抗剪强度。级配研究关注如下3个方面：① 不同骨架类型的比较；② 不同细集料用量的比较；③不同级配的空隙率及抗剪强度指标。抗剪切性能评价采用单轴贯入法［3－8］。贯入法试件尺寸与大马歇尔试件相同。

2.2 粗集料级配

2.2.1 一级骨架设计

一级骨架是由37.500～19.000mm颗粒与19.000～9.500mm颗粒组成的骨架结构，首先确定两者用量比例。试验拟定比例分别为25∶75、30∶70、35∶65、45∶55、60∶40、65∶35，形成6种级配，分别表示为：1－1，1－2，…，1－6。为使试件成型加入4＃集料，其占集料总质量的5%。

本试验按击实法成型各组大马歇尔试件时，油石比与矿粉用量均为3%。通过测试试件空隙率及贯入试验强度指标判定最佳比例。贯入试验的沥青碎石6种级配曲线如图1所示，其中筛孔号1～12分别对应筛孔0.075、0.150、0.300、0.600、1.180、2.360、4.750、9.500、13.200、19.000、26.500、31.500mm，下文同此。

图1 一级骨架设计级配曲线

每组级配成型3个标准大马歇尔试件［9］，试件空隙率见表3所列。

表3 一级骨架设计马歇尔试件空隙率 %

将试件放入－5℃的低温环境箱中6h后，进行单轴贯入试验，试验仪器为路强仪。试验采集位移－压力曲线如图2所示，试验结果见表4所列。

图2 单轴贯入位移－压力曲线

表4 一级骨架设计贯入试验破坏荷载与位移

依据单轴贯入最大荷载及试件孔隙率指标，一级骨架37.500～19.000mm 颗粒与19.000～9.500mm颗粒的最佳比例确定为45∶55。

2.2.2 二级骨架设计

二级骨架设计主要是在一级骨架的基础上，确定37.500～26.000mm颗粒与19.000～26.000mm 颗粒用量比例，试验选定两者用量比例分别为30∶70、35∶65、40∶60、45∶55，形成4种级配，分别表示为：1－7，1－8，1－9，1－10。

4组级配曲线如图3所示。

图3 二级骨架设计级配曲线

测试马歇尔试件空隙率见表5所列。其中1－8级配试件空隙率最小，为25.94%。试验温度－5℃，试件单轴贯入试验结果见表6所列。

表5 二级骨架设计马歇尔试件空隙率 %

表6 二级骨架设计贯入试验破坏荷载与位移

数据结果显示，37.500～26.000mm 颗粒与19.000～26.000mm颗粒的比例不同，贯入试验强度不同，随着骨架中后者增多，强度先增大后减小，两者比例为35∶65时（编号为1－8），强度最高，而此时试件的空隙率最小。

2.2.3 9.5mm筛孔通过率

骨架结构确定后，还应确定形成骨架结构的集料在整个矿料级配中所占的比例，即小于9.500mm颗粒的比例。试验选定9.500mm通过率分别为27%、31%、35%、38%、42%，形成5种级配，分别表示为：2－1，2－2，…，2－5。5组试件的级配曲线如图4所示。

图4 9.500mm通过率下的级配曲线

试件空隙率见表7所列。由于加入了更小粒径的集料，同粗集料骨架相比，空隙率大幅下降，空隙率约降低10%。随着骨架中小于9.500mm颗粒的增多，空隙率逐渐减小。试件单轴贯入试验结果见表8所列。

表7 9.500mm通过率下的马歇尔试件空隙率 %

表8 9.500mm通过率下的贯入试验破坏荷载与位移

试验数据显示最佳级配编号为2－3，即级配9.500mm最佳通过率为35%，此时空隙率为14.24%。

2.3 细集料级配

在大粒径沥青碎石中，细集料起到降低空隙率，增加黏结力的作用。下面试验探讨细集料用量的影响，4.750mm筛孔通过率选为16%、19%、22%、24%、26%。形成5种级配，分别表示为：3－1，3－2，…，3－5。5 组试验级配曲线如图 5所示。

马歇尔试件空隙率见表9所列。单轴贯入试验结果见表10所列。

随着细集料用量的增加，试件强度先增大后减小，当4.750mm通过率24%时，贯入试验破坏强度最大，此时空隙率指标为14.06%，较为适宜。综合以上关于空隙率及抗剪强度的试验结果，可得出大粒径沥青碎石的级配曲线，如图6所示。

图5 考虑细集料用量级配曲线

表9 细集料级配下马歇尔试件空隙率 %

表10 细集料级配下贯入试验结果

图6 最佳级配曲线

3 级配优化前后试验对比

用本试验集料来源地施工现场拌制的大粒径碎石混合料（集料、矿粉、沥青用量与本试验相同），制作2组试件，一组采用本文确定的最佳级配，另一组为施工现场未优化前的级配，每组3个试件，试验结果用于对比级配优化的效果，见表11所列。试验结果显示，采用最佳级配的大粒径沥青碎石与优化前相比，其单轴贯入破坏强度提高16.7%。

表11 破坏荷载与位移对比

4 结 论

（1）根据贯入试验确定的大粒径沥青混合料的最佳级配所成型的马歇尔试件，其单轴贯入破坏荷载比级配优化前的大粒径沥青混合料试件大16.7%，抗剪强度明显提高。

（2）基于抗剪切强度及空隙率指标，采用逐级填充法设计出的稳定骨架结构，骨架的级配曲线呈S型。大粒径沥青碎石的最优级配：19.000mm通过率为70.8%、9.500mm 通过率35%、4.750mm 通过率为23.8%。

（3）试验所提出来的大粒径沥青混合料最佳级配的空隙率为14%，排水性能良好。

（4）通过大粒径沥青混合料抗剪切性能的级配设计，为大粒径沥青混合料的抗裂性研究提供了可靠的级配基础。

［1］郑健龙，周志刚，张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法［M］.北京：人民交通出版社，2002：1－5.

［2］葛折圣，黄晓明，许国光.用弯曲应变能方法评价沥青混合料的低温抗裂性能［J］.东南大学学报：自然科学版，2002，32（4）：653－655.

［3］毕玉峰，孙立军.沥青混合料抗剪试验方法研究［J］.同济大学学报：自然科学版，2005，33（8）：1036－1040.

［4］孙立军，谭忆秋，胡小第 等.重载交通下沥青混合料设计方法的新思考［C］／／第一届全国公路科技创新高层论坛论文集：公路设计与施工卷.北京：外文出版社，2002：61－69.

［5］崔 鹏，邵敏华.沥青混合料抗剪试验标准研究［J］.建筑材料学报，2008，11（3）：3－7.

［6］邵显智.沥青混合料抗剪性能影响因素及剪切疲劳性能研究［D］.上海：同济大学，2005.

［7］林绣贤.关于沥青混凝土路面设计中抗剪指标的建议［J］.公路，2004（12）：66－69.

［8］杜顺成，戴经梁.以剪切模量为控制指标的级配设计方法［J］.公路交通科技，2010，（05）：47－50.

［9］JTG E20－2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.