基于高温稳定性能的沥青路面中面层级配设计研究

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(1.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410004； 2.海南省路桥投资建设有限公司,海南 海口 570110)

矿料级配对于沥青路面的重要性不言而喻，良好的级配设计能够达到形成结构稳定、使用性能及服务性能良好的沥青路面的效果[1]。在沥青混合料高温稳定性能中，矿料级配的贡献率占了主要部分[2-4]。通过堆积密度试验、正交试验及关键筛孔通过率与动稳定度关系试验等方法进行中面层AC—20沥青混合料工程设计级配范围的优化。

1 粗集料堆积密度试验

1.1 试验思路

对基于高温稳定性能的AC—20矿料级配设计来说，主要解决3个方面的问题：粗集料的合理结构的组成；填充细集料的合理组成；作为填充料的细集料合理结构组成；粗细集料之间形成合理比例。本文基于粗集料堆积密度试验得到粗集料最佳组成比例，从而选定粗集料的合理组成结构；通过沥青混合料正交设计马歇尔试验与关键筛孔通过率与动稳定度关系试验得到作为填充料的细集料合理组成结构及粗细集料之间的合理比例。

1.2 堆积密度试验方案与结果分析

按堆积密度试验方案进行粗集料堆积特性分析，从而得到AC—20粗集料合理组成结构。见表1。

参考表2的堆积密度试验，(26.5～19)∶(19～16)以1∶2的比例进行逐级堆积时的2种间隙率均达到最小值，将该比例作为第1阶段的最佳堆积比例，下一阶段堆积试验以此最佳比例为基础开展。见表3。

表1 AC—20第1阶段堆积密度试验方案粒径组成类型粒径比例粒径(mm)分计比例191613 29 54 751∶111///(26 5～19)∶(19～16)1∶212///1∶313///

表2 AC—20第1阶段堆积密度试验结果粒径组成类型组成比例合成毛体积密度/(g·cm-3)自然堆积间隙率/%捣实堆积间隙率/%1∶12 83447 9841 33(26 5～19∶(19～16)1∶22 83347 7940 011∶32 83247 1040 71

表3 AC—20第2阶段堆积密度试验方案粒径组成类型组成比例粒径(mm)分计比例191613 29 54 75 1∶1123//1．5∶1122//(26 5～16)∶(16～13 2) 2∶1121．5// 3∶1121// 1∶2126// 1∶3129//

根据表4堆积试验结果得到(26.5～16)∶(16～13.2)最佳比例为1.5∶1，当超过1.5∶1时即当13.2 mm颗粒增多时，集料自然堆积间隙率与捣实堆积间隙率两者变大的趋势越来越显著。按第2阶段的最佳比例进行第3阶段堆积密度试验。见表5。

表4 AC—20第2阶段堆积密度试验结果粒径组成类型组成比例合成毛体积密度/(g·cm-3)自然堆积间隙率/%捣实堆积间隙率/% 1∶12 83146 3739 801 5∶12 83145 4339 22(26 5～16)∶(16～13 2) 2∶12 83245 7839 76 3∶12 83247 2341 07 1∶22 83046 8940 69 1∶32 83147 1240 98 注：(26 5～16)∶(16～13 2)中，26 5～16表示26 5～19和19～16两档料之和，其余类同。

表5 AC—20第3阶段堆积密度试验方案粒径组成类型组成比例粒径(mm)分计比例191613 29 54 751∶11225 /(26 5～13 2)∶(13 2～9 5)2∶11222 5 /3∶11221 7 /4∶11221 25/

第3阶段堆积试验中，(26.5～13.2)中各档单粒径分别按照第1、第2阶段中粗集料最佳比例逐级进行。参考表6的试验结果，(26.5～13.2)∶(13.2～9.5)以2∶1的比例进行逐级堆积的间隙率达到最小值，表明该比例为第3阶段的最佳组成比例。按此最佳比例，进行第4阶段堆积密度试验。见表7。

表6 AC—20第3阶段堆积密度试验结果粒径组成类型组成比例合成毛体积密度/(g·cm-3)自然堆积间隙率/%捣实堆积间隙率/%1∶12 83144 6839 12(26 5～13 2)∶(13 2～9 5)2∶12 83243 2238 833∶12 83145 3539 584∶12 83146 3240 53

参考表8试验结果，(26.5～9.5)∶(9.5～4.75)以1.5∶1的比例进行逐级堆积的间隙率均最小，表明该比例为第4阶段的最佳组成比例；当加入9.5～4.75 mm这一档粗集料时，相较于第3阶段，矿料的间隙率出现明显的减小，说明9.5～4.75 mm这一档粗集料对沥青混合料具有较好的填充作用。

综合4个阶段的堆积密度试验，得到AC—20粗集料各档的最佳比例为：1∶2∶2∶2.5∶5。

表7 AC—20第4阶段堆积密度试验方案粒径组成类型组成比例粒径(mm)分计比例191613 29 54 75 1∶11222 57 5(26 5～9 5)∶(9 5～4 75)1 5∶11222 55 2∶11222 53 75 3∶112222 5

表8 AC—20第4阶段堆积密度试验结果粒径组成类型组成比例合成毛体积密度/(g·cm-3)自然堆积间隙率/%捣实堆积间隙率/% 1∶12 82742 4537 84(26 5～9 5)∶(9 5～4 75)1 5∶12 82941 4637 35 2∶12 83041 7837 63 3∶12 83043 1138 42

2 正交马歇尔试验

2.1 因素和水平的选取

采用正交试验法进行标准马歇尔试验，以马歇尔指标和体积指标作为目标参数进行研究。正交马歇尔试验主要考虑矿料级配主要筛孔通过率与油石比两个控制参数。AC—20沥青混合料矿料级配这个控制参数主要考虑筛孔16、9.5、4.75、2.36 mm等4粒径主要控制筛孔的通过率(分别用A、B、C、D表示)，4种筛孔通过率在施工技术规范规定的级配范围内取上限、上中值、中值、下中值和下限5种水平，其中施工技术规范中规定的4.75 mm通过率下限为26%，当其值与2.36 mm通过率上限44%组合时，会出现负值，不符合实际情况。为此，根据交通部对高速公路重载路段、江苏省和长沙理工大学及沙庆林院士对AC—20型沥青混合料矿料级配推荐的级配范围，0.075 mm筛孔的通过率选取规范推荐级配范围中值5%。对于油石比因素，选取3.8%、4.1%、4.4%、4.7%和5.0%等5种水平(用E表示)，各因素水平见表9。

表9 AC—20级配优化正交表设计水平因素各筛孔通过率/%16mm(A)9 5mm(B)4 75mm(C)2 36mm(D)油石比(E)/%1897250285 02866644244 73836139214 44805634194 15785028163 8

2.2 正交试验方案

基于正交试验法，对5因素5水平进行马歇尔试验方案设计，正交设计试验方案如表10。

表10 正交设计马歇尔试验方案试验编号各筛孔通过率/%16mm9 5mm4 75mm2 36mm油石比/%1897250285 02896644244 73896139214 44895634194 15895028163 86867244214 17866639193 88866134165 09865628284 710865050244 411837239164 712836634284 413836128244 114835650213 815835044195 016807234243 817806628215 018806150194 719805644164 420805039284 121787228194 422786650164 123786144283 824785639245 025785034214 7

2.3 试验结果与分析

基于正交设计马歇尔试验方案的25组矿料级配进行正交马歇尔试验，相关试验结果如表11。

表11 正交设计试验试验结果试验编号VV/%VMA/%VFA/%稳定度/kN流值/mm毛体积密度/(g·cm-3)13 012 876 410 552 832 56224 413 765 69 782 562 55636 114 257 410 932 552 49548 816 447 810 252 412 476510 116 942 57 622 352 46867 315 052 59 802 412 48478 015 146 810 43 162 47987 316 857 39 883 002 48396 715 858 28 933 102 490105 414 162 711 522 862 538117 116 056 811 252 932 489125 513 961 813 832 882 541136 914 854 612 402 622 492147 114 451 610 522 222 490156 015 962 410 853 132 497165 512 957 614 882 762 536173 513 574 211 223 182 560184 413 768 614 923 182 554197 315 854 112 82 962 486204 312 566 110 452 922 558219 017 148 612 322 542 474225 913 957 811 662 632 496234 612 163 111 222 822 551242 913 276 513 952 662 564253 413 072 811 622 922 563

将正交设计试验结果进行极差分析，极差分析结果见表12。

根据表11、表12，对空隙率和饱和度进行极差分析，满足《公路沥青路面施工技术规范》中空隙率4%～6%的各因素取值范围：A：80%～90%，B：50%～68%，C：32%～50%，D：20%～28%，E：4.4%～5.0%；满足《公路沥青路面施工技术规范》中饱和度65%～75%的各因素取值范围A：78%～90%，B：50%～70%，C：27%～54%，D：16%～40%，E：4.4%～5.2%。4.75 mm、油石比和2.36 mm对空隙率的影响是显著的。同时通过对矿料间隙率、稳定度、流值进行极差分析发现，三者的影响因素主次各不相同。

综合满足规范要求的各因素取值范围为：A：80%～90%，B：50%～68%，C：32%～50%，D：20%～28%，E：4.4%～5.0%。

表12 极差分析结果 类别16mm9 5mm4 75mm2 36mm油石比K16 4806 3805 1604 8204 540K26 9405 4605 9205 0205 200空隙率K36 5205 8605 6805 4806 660K45 0006 5606 1007 2406 640K55 6005 8407 2407 5407 060R1 9401 1002 7202 0802 520K114 80014 76013 78013 42014 440K215 36014 02014 50013 74014 440K315 00014 32014 20014 02015 020矿料间隙率K413 68015 12014 60015 64014 520K513 86014 48015 62015 88014 280R1 6801 1001 8402 4600 740K157 9458 3863 4265 1269 36K255 5061 2459 5463 4064 40K357 4460 2060 7261 7056 92饱和度K464 1257 6459 4654 8455 76K563 7661 3061 3053 7052 32R8 623 663 6611 4217 04K19 82611 76011 83410 99611 290K210 10611 37810 89012 50611 300K311 77011 87011 39610 81812 280稳定度K412 85411 29012 09211 74810 912K512 15410 41210 49810 64210 928R3 0281 4581 5941 8641 368K12 5402 6942 7442 9102 960K22 9062 8822 7762 6922 938K32 7562 8342 8442 6562 758流值K43 0002 6702 7942 8842 598K52 7142 8362 7582 7742 662R0 4600 2120 1000 2540 362

3 关键筛孔4.75 mm通过率对车辙试验影响

为研究分析AC—20沥青混合料关键筛孔4.75 mm通过率与动稳定度之间的影响关系，选定AC—20沥青混合料6条设计级配的关键筛孔2.36 mm通过率依次为25%、30%、35%、40%、45%、50%，级配编号依次为1#、2#、3#、4#、5#、6#，根据设计级配，在相应最佳油石比条件下成型试件来开展车辙试验，试验结果如图1。

图1 关键筛孔4.75 mm通过率与动稳定度关系图

根据试验结果，对关键筛孔4.75 mm通过率与动稳定度进行二次项式回归分析，二次回归方程为：y=-10.819x2+810.54x-8 416，R2=0.89，两者相关性良好。从图中可知关键筛孔级配由粗到细，动稳定呈现近乎开口向下的抛物线型，当关键筛孔4.75mm通过率处于35%～45%，动稳定度处于最佳范围，即此时沥青混合料的高温稳定性能处于一个相对来说最佳的范围。对比规范中AC—20关键筛孔4.75 mm通过率范围26%～56%，优化后的4.75 mm筛孔通过率范围明显缩小。

4 AC-20工程设计级配范围的提出

综合粗集料堆积密度、正交设计马歇尔试验结果及关键筛孔通过率与动稳定度关系试验结果及沥青路面施工均匀性的需要，以规范工程级配范围为基础，提出优化矿质混合料工程设计级配范围。提出的级配范围在级配设计中，主要以满足其他指标的前提下，着重考虑高温稳定性能的设计。增大粗集料、减小细集料用量以适应夏季温度高、高温持续时间长且设计空隙率较高的要求[5]。粗集料各关键筛孔通过率按正交设计马歇尔试验结果调整优化级配范围，粗集料其余筛孔按堆积密度试验结果进行调整，同时参考规范工程级配范围，调整细集料级配范围，其中0.075 mm级配范围采用规范规定值，即矿粉与水泥等填料的用量按照规范规定使用。推荐的AC—20工程设计级配范围见表13。

表13 推荐的AC—20工程设计级配范围粒径/mm上限/%下限/%粒径/mm上限/%下限/%26．51001002．36342019100901．1828161691800．6201213．278620．31589．568500．151154．7545350．07573

5 结论

1) 通过进行粗集料的堆积密度试验，得到AC—20粗集料各粒径组成的最佳比例为：1∶2∶2∶2.5∶5。

2) 通过对AC—20矿质混合料级配进行正交试验及关键筛孔通过率与动稳定度关系试验分析，得到混合料矿料级配主要筛孔通过率范围。

3) 综合粗集料堆积密度试验结果、正交设计试验结果以及关键筛孔通过率与动稳定度关系试验结果及沥青路面施工均匀性的需要，基于规范工程级配范围，提出了AC—20工程设计级配范围。

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