空隙率对砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的影响*

钟昆志 罗 蓉 樊向阳 方 正 冯光乐

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省交通运输厅工程质量监督局2) 武汉 430014)

空隙率对砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的影响*

钟昆志1)罗 蓉1)樊向阳1)方 正1)冯光乐2)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (湖北省交通运输厅工程质量监督局2)武汉 430014)

为研究空隙率对砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的影响，通过马歇尔设计方法确定混合料级配及最佳沥青用量，改变每次装填混合料质量，利用旋转压实仪成型不同空隙率的汉堡车辙试件.根据砾石沥青混合料50 ℃和60 ℃水浴条件下汉堡车辙试验数据，分析不同空隙率下混合料的浸水抗车辙性能，并以此寻找空隙率与砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的最佳结合点.结果表明，当试验环境为50 ℃水浴时，空隙率与砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的最佳结合点为3.72%；当试验环境为60 ℃水浴时，空隙率与砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的最佳结合点为4.92%.

空隙率；砾石沥青混合料；汉堡车辙；浸水抗车辙性能

0 引 言

沥青路面早期破坏的主要形式包括车辙和水损害等[1-3].我国现有的高速公路即使在建设过程中沥青混合料动稳定度、浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度等指标已经达到规范要求，仍然有不少路段出现车辙、水损害等早期破坏[4-5].由于路面实际服役情况受水和行车荷载等因素的综合影响，因此除检验混合料的常规性能指标外，也应考虑其浸水抗车辙性能.同时，空隙率是影响沥青混合料性能的主要因素之一[6-7]，沥青混合料空隙率与其抗车辙性能存在一个最佳结合点，当空隙率为最佳结合点时，混合料抗车辙性能最好[8].从而应更进一步研究浸水条件下空隙率与沥青混合料的浸水抗车辙性能的最佳结合点.

近年来，在我国某些盛产砾石的地区，由于传统优质沥青路面石料的匮乏及运输成本等问题，越来越多地将砾石用作沥青路面面层材料，这样既能合理利用资源，也能降低工程造价[9].然而，砾石二氧化硅含量高，与沥青粘附性差，在外界水的作用容易与沥青膜剥离，导致路面出现松散、坑槽等水损害现象，并进一步诱发车辙等一系列病害.因此，研究砾石沥青混合料浸水抗车辙性能具有重要意义.

相比于国内车辙试验仪，汉堡车辙试验仪在数据采集、温度调节控制，以及补水保水方面都要先进许多，且汉堡车辙试验的各评价指标是由整个试验过程的变形曲线得到，比国内车辙试验由2点得到动稳定度指标受试验精度的影响要小[10].而且与国内车辙试验试件的轮碾成型方式相比，旋转压实仪的搓揉成型方式更接近路面实际压实状态.因此文中通过汉堡车辙试验，分别在50 ℃和60 ℃水浴条件下对砾石沥青混合料空隙率与其浸水抗车辙性能的最佳结合点进行研究，为砾石在沥青路面建设中的应用和推广提供依据.

1 试验材料与试验方法

1.1 原材料

试验沥青选用普通70#基质沥青，石料1#～4#料选用湖北洪湖生产的砾石，5#料选用湖北洪湖生产的石灰岩，填料选用广西藤县矿粉和普通硅酸盐水泥.沥青相关技术指标参照文献[14]测定，集料、矿粉和水泥的相关技术指标参照文献[15]测定，测量结果均满足文献[16]的要求，具体分别见表1～2.针对该地区夏季温度高、高温持续时间长、重载交通多的特点，试验级配以AC-25C为例.

表1 沥青技术指标

表2 集料及填料技术指标

1.2 试验方案

1.2.1 试件制备

制备试件时，集料级配和最佳油石比的确定参照马歇尔设计方法，沥青混合料试件成型采用旋转压实仪以控制试件的成型高度.在试验过程中，为了排除集料级配和沥青用量对混合料抗车辙性能的影响，所成型的试件均保持级配和油石比不变，最终确定的集料级配见图1.由图1可见，级配曲线位于规范规定的上下限之间，呈现显著的“S”形.在该级配基础上，进一步确定最佳油石比为4%，然后通过改变单次成型试件所需混合料质量来改变混合料毛体积相对密度，最终改变成型试件的空隙率.利用旋转压实仪成型出高140 mm、直径150 mm的沥青混合料试件.

图1 沥青混合料合成级配

待试件冷却后，利用自动切割锯将成型后单个高度140 mm试件切割出2个高度(63±1) mm的试件.然后参照文献[11]中的表干法测量试件空隙率，取空隙率相近的2个试件作为一组，以空隙率平均值作为该组的空隙率，进行50 ℃汉堡车辙试验试件实测体积指标见表3，进行60 ℃汉堡车辙试验试件实测体积指标见表4.

1.2.2 马歇尔试验

马歇尔试验级配设计采用掺加“1.5%矿粉+1.5%水泥”的设计方案，合成级配见图1，在该级配基础上确定的最佳油石比为4%.马歇尔试件相关技术性能指标参照文献[12-13]，具体见表5.

表3 50 ℃试件体积指标

表4 60 ℃试件体积指标

表5 马歇尔试件技术性能指标检测结果

1.2.3 汉堡车辙试验

汉堡车辙试验参照文献[14]，其具体试验指标为：(1)试验环境，50 ℃恒温水浴和60 ℃恒温水浴；(2)加载方式，钢轮轮宽47 mm，荷重705 N，轮压约0.7 MPa；(3)加载速度，50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.

对各组试依次进行汉堡车辙试验，钢轮碾压有沥青包裹的一面，单次试验需大约7 h.试验结束后，以蠕变斜率评价不同空隙率试件的抗车辙性能.

2 试验结果与分析

2.1 50 ℃汉堡车辙试验

对轮碾5 000～18 000次得到的试验数据以车辙深度为纵坐标、碾压次数为横坐标绘制曲线，采用规划求解的方法对该曲线进行回归得到蠕变斜率，以蠕变斜率评价混合料抗车辙性能，并以此寻找空隙率与高温稳定性能的最佳结合点.不同空隙率试件的处理结果见图2.

不同空隙率试件的蠕变斜率计算值见表6.

表6 空隙率与蠕变斜率

图2 不同空隙率试件蠕变斜率处理

将空隙率与蠕变斜率进行二次函数拟合，以此得到空隙率与抗车辙性能的最佳结合点.空隙率与蠕变斜率的拟合见图3.

图3 空隙率与蠕变斜率

由图3可知，当试验环境为50 ℃水浴时，沥青混合料的蠕变速率随空隙率的变化出现一个峰值，该峰值所对应的空隙率大小约为3.72%.

2.2 60 ℃汉堡车辙试验

对轮碾5 000～18 000次或5 000次～试验终止得到的试验数据，以车辙深度为纵坐标、碾压次数为横坐标绘制曲线，并采用规划求解的方法进行回归得到蠕变斜率，以蠕变斜率评价混合料抗车辙性能，并以此寻找空隙率与高温稳定性能的最佳结合点.不同空隙率试件的处理结果见图4.

不同空隙率试件的蠕变斜率计算值见表7.

图4 不同空隙率试件蠕变斜率处理

空隙率/%2．853．714．20蠕变斜率/(mm·次-1)0．0008420．0003040．000497空隙率/%4．676．156．70蠕变斜率/(mm·次-1)0．0002900．0004810．000654

将空隙率与蠕变斜率进行二次函数拟合，以此得到空隙率与抗车辙性能的最佳结合点.空隙率与蠕变斜率的拟合见图5.

图5 空隙率与蠕变斜率

由图5可知，当试验环境为60 ℃水浴时，沥青混合料的蠕变速率随空隙率的变化出现一个峰值，该峰值所对应的空隙率大小约为4.92%.

综合图3、图5可知，当试验环境为50 ℃水浴时，空隙率与砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的最佳结合点为3.72%；当试验环境为60 ℃水浴时，空隙率与砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的最佳结合点为4.92%.说明不同水浴温度下，空隙率与砾石沥青混合料浸水抗车辙性能的最佳结合点不同.

由表5可知，按马歇尔设计方法确定的图1级配设计空隙率为5%，并且混合料的动稳定度、浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比3个技术指标均符合文献[16]技术要求，说明按图1级配设计的砾石沥青混合料配合比设计是合理的.

由图3可知，5%空隙率对应的蠕变斜率为1.42×10-4mm/次，折算成每mm车辙的轴次，即文献[16]中的动稳定度，为7 046次/mm，远大于基质沥青混合料动稳定度≮1 000的要求.同理，由图5可知，5%空隙率对应的蠕变斜率为2.99×10-4mm/次，折算成动稳定度为3 345次/mm，同样符合文献[16]要求.与表5试件检测指标相结合，说明按图1级配设计的砾石沥青混合料不仅高温抗车辙性能和水稳定性分别符合要求，而且具有较好的浸水抗车辙性能.

依托湖北省洪利高速公路工程，按图1级配铺筑了一段300 m长的试验段，从试验段现场检查结果和路面实际情况来看，试验段铺筑效果理想.因此，文中提出的将马歇尔试验和汉堡车辙试验相结合，综合评定砾石沥青混合料配合比设计是否合理的方法是可取的，具有一定的借鉴意义.

3 结 语

1) 砾石沥青混合料空隙率与其抗车辙性能之间存在较好的相关性.

2) 针对文中试验级配，在50 ℃恒温水浴条件下，空隙率为3.72%时砾石沥青混合料浸水抗车辙性能最佳；在60 ℃恒温水浴条件下，空隙率为4.92%时砾石沥青混合料浸水抗车辙性能最佳.

3) 不同水浴温度下，空隙率与砾石沥青混合料的浸水抗车辙性能的最佳结合点不同.

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Effect of Air Voids on the Anti-rutting Performance of Water-immersed Gravel Asphalt Mixture

ZHONG Kunzhi1)LUO Rong1)FAN Xiangyang1)FANG Zheng1)FENG Guangle2)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)2)

The goal of this study is to investigate the effect of air voids on the anti-rutting performance of water-immersed gravel asphalt mixtures with the following test protocol: 1) the aggregate gradation and the optimum asphalt content are determined in accordance with the Marshall mix design method;2) the specimens for Hamburg wheel-tracking test are fabricated utilizing the Superpave Gyratory Compactor (SGC), and the mass of them is well controlled so as to achieve different air voids; 3) the anti-rutting performance of water-immersed gravel asphalt mixtures with different air voids are evaluated by the Hamburg wheel tracking test at 50 ℃ and 60 ℃, through which the air void corresponding to the best anti-rutting performance is determined. Conclusions can be drawn from the test results that the air void corresponding to the best anti-rutting performance of water-immersed gravel asphalt mixtures is 3.72% at 50 ℃ and 4.92% at 60 ℃, respectively.

air voids; gravel asphalt mixture; Hamburg wheel-tracking test; anti-rutting performance

2016-11-02

*交通运输部建设科技计划项目资助(2014318J22120)

U416.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.028

钟昆志(1992—)：男，硕士，主要研究领域为道路与桥梁工程