沥青混合料体积指标对路用性能的影响

王家舒, 高 英

(东南大学 交通学院, 江苏 南京 210096)

随着交通量的增加、汽车轴载加大以及渠化交通的形成,沥青路面出现不同程度的损坏,其中高温车辙、低温开裂和水损害作为主要的破损形式,达到破损总量的80%以上[1].而矿料是沥青混合料的主要成分,占沥青混合料总体积的90%以上[2].集料的形态和分布对沥青混合料的机械性能有着重要的影响,因而沥青混合料的空间结构是影响其路用性能的关键因素[3].级配、体积指标和路用性能间的关系是沥青混合料设计和沥青混凝土使用过程中要注意的最基本的关系.近年来,国内外学者针对这三者之间的关系作了大量的试验和理论研究.文献[3]利用2D成像技术,选择接触点数量、接触面积等表征骨架结构的指标,研究了骨架结构与高温性能的关系.文献[4]通过以VCA和CBR作为集料逐级填充试验的双控指标,探究了不同粒径尺寸粗集料的交互作用,确定了粗集料的关键尺寸,证明了粗集料骨架级配与VCA和CBR具有较好的相关性.文献[5]研究发现粗级配混合料更有利于抵抗高温变形,细级配混合料有利于抵抗水损害、疲劳开裂等.文献[6]利用三维球体模型来分析沥青混合料骨架的力学特征,通过增加接触点的数量,提高了骨料骨架的稳定性.文献[7]基于有限元法,发现相对于骨架空隙结构，悬浮密实和骨架密实具有较好的抗剪切能力和承载能力.文献[8]研究了集料级配对体积指标VV和VMA的影响,证明了骨架密实型AC混合料具有很好的抵抗高温变形的能力.文献[9]用灰色关联度分析方法探究了矿料级配对VV,VMA和VFA的影响.文献[10]验证了贝雷法可以很好地应用于SMA-13级配优化设计和检验中.以上研究主要是针对级配与体积指标、级配与路用性能以及体积指标与路用性能的关系.但是目前对于反映混合料空间结构的体积指标与路用性能关系的研究过少.

为此,本研究中选择能反映混合料骨架紧密程度的指标VCAratio以及反映混合料空隙率的指标VV和VMA,通过建立体积指标与路用性能指标的关系,进而研究不同空间结构对路用性能的影响,并对沥青混合料配合比设计的优化提出建议.

1 沥青混合料的配合比设计

1.1 原材料性能试验

1) 沥青.由于沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)对于沥青质量要求较高,为了保证其性能,对于不同沥青混合料统一使用改性沥青,其密度为1.036 g·cm-3.

2) 纤维.试验中,依据SMA要求,选择木质素纤维，其质量分数为0.3%,密度为1.100 g·cm-3,外观呈絮状、灰白色,pH=7,颗粒直径约为6 mm,具有较强的高温稳定性,能够承受250 ℃以上的温度.

3) 集料.集料采用南京同一矿料厂的玄武岩,其破碎程度、表面纹理、密度和空隙率等技术指标相近.

根据JTG E42—2015《公路工程集料试验规程》,进行粗、细集料的密度试验,测得沥青混合料中集料的主要质量指标见表1.

表1 沥青混合料的主要质量指标

1.2 级配设计

以AC-13作为悬浮密实结构沥青混合料的代表类型.依据中国工程院院士沙庆林教授提出的SAC矿料级配设计方法,通过适当增加粗集料的含量,可以将AC型混合料的空间结构由悬浮密实结构调整为骨架密实结构.因此,以4.75 mm为关键筛孔,以JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中对应级配范围的中值为基础,上下分别波动9%,设计出AC-13(粗)、AC-13(中)和AC-13(细)等3种类型的混合料.选定SMA-13和OGFC-13分别为骨架密实结构和骨架空隙结构的代表类型.根据JTG F40—2004中给定的级配范围的中值作为初始级配设计标准,主要控制4.75 mm和9.50 mm筛孔的通过率.AC-13(粗)、AC-13(中)、AC-13(细)、SMA-13和OGFC-13等5种沥青混合料的级配设计如图1所示.

图1 5种沥青混合料配合比设计

1.3 沥青混合料最佳油石比的确定

本研究采用马歇尔法确定沥青最佳用量,最终确定AC-13(粗)、AC-13(中)、AC-13(细)、SMA-13和OGFC-13的最佳油石比分别为5.0%,5.1%,5.3%, 5.9%和4.7%.

2 沥青混合料的空间结构指标

体积指标VV和VMA与路用性能存在一定的关联性,两者都是判断级配设计是否符合要求的重要依据.两个体积指标都在一定程度上反映了沥青混合料矿料以外空隙的大小,根据其值大小可以有效划分密实结构和空隙结构.

混合料的粗集料骨架间隙率VCAmix小于或等于粗集料干捣骨架间隙率VCADRC,这是判断沥青混合料骨架结构是否形成的基本依据.因此,以VCAmix和VCADRC的比值VCAratio作为分析空间结构的体积指标,可以反映混合料是否形成骨架结构,并且可以判断骨架的紧密程度.当VCAratio<1时,混合料为骨架结构;当VCAratio>1时,混合料为非骨架结构;VCAratio越小,认为骨架结构越好.5种沥青混合料按照选定的级配和最佳油石比制作试件,其VMA,VV,VCAmix,VCADRC和VCAratio测定值见表2.

表2 沥青混合料的体积指标

由表2可知: ① 对于VMA指标,AC-13,SMA-13和OGFC-13具有较大的差异性.其中OGFC-13的VMA值最大,SMA-13的VMA值较AC-13大.随着AC-13中细集料含量和沥青用量的增多,其VMA值逐渐减小.由图1和表1可知,通过增加粒径小于4.75 mm的集料含量,可以有效降低混合料的VMA值. ② 对于VV指标,除OGFC-13空隙率相对较大外,AC-13型和SMA-13因目标空隙率接近,因此这4种混合料的空隙率没有较大的差异性,不能较好地反映4种混合料的空间结构.但由于空隙率指标对于沥青混合料的配合比设计具有重要的意义,并且其对路用性能有较大的影响,在此也将其作为重要的体积指标进行分析.

文献[11]曾利用离散元方法对集料之间的接触状态进行模拟,得出了粒径为4.75～9.50 mm的集料对于接触点数增多有较大的影响.由图1可知:在集料粒径为4.75～9.50 mm时,5种混合料的斜率由大到小的顺序依次为OGFC-13、SMA-13、AC-13(粗)、AC-13(中)和AC-13(细),与骨架紧密程度由大到小的顺序一致.该结果验证了粒径为4.75～9.50 mm的集料含量对骨架结构的形成有较大影响,该粒径范围集料含量越多,对于骨架结构的形成越有利.

3 沥青混合料的路用性能试验

3.1 高温性能试验

按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,用沥青混合料车辙试验来评价混合料抵抗高温变形的能力.变形曲线由记录仪自动记录,试验结果汇总见表3.VMA和VCAratio与高温性能指标的关系如图2,3所示.

表3 5种沥青混合料路用性能指标汇总

由图2a可知:对于VMA-DS曲线,当VMA较小时,随着VMA增大,DS不断增大;从左数第3段增速明显大于第1,2段;结合图3a中VCAratio-DS曲线可以看出,VMA-DS曲线的第3段在VCAratio=1附近.这说明沥青混合料高温性能对骨架结构是否形成更加敏感,对VMA敏感度相对较低.当VMA急剧增大时,高温性能变差.

由图3a中VCAratio-DS的关系可以看出,除左数第1段(VCAratio差距很小,但VMA差距很大)外,其他几段随VCAratio的增大,DS逐渐减小;第2段斜率明显大于第3,4段,而第2段位于VCAratio=1附近.这说明骨架结构的形成对沥青混合料的高温性能有较大的影响,且在VMA差距不大的情况下,VCAratio越小,骨架结构越好,抵抗高温变形的能力越强.

图2 VMA和高温性能指标关系示意图

图3 VCAratio和高温性能指标关系示意图

由图2b中VMA-d2的关系可以看出,除了从左数第4点外,其他几个点均随着VMA的增大,车辙深度逐渐增大,这说明相对于DS,VMA对车辙深度具有更大的影响.第4点和第3点相比,VMA相差不大,但车辙深度明显减小,而第3,4点为骨架结构是否形成的过渡点,这说明骨架结构的形成可以有效减缓车辙的深度.对比图2和图3可以发现,60 min车辙深度和DS并没有较好的正相关性.

从宏观角度看,骨架密实结构的高温稳定性能最优,骨架空隙结构次之,悬浮密实结构相对较差.而对于AC-13型的3种混合料,均未形成骨架嵌挤结构,但AC-13(粗)较AC-13(中)和AC-13(细)更接近于骨架结构,抗车辙能力也较强.

3.2 低温性能试验

在反映小梁低温抗裂能力的几个指标中,最大弯拉应变反映的是沥青混合料下缘的最大弯拉应变,其值越大,表明沥青混合料具有较强的抵抗弯拉变形的能力.由于粗集料变形能力较弱,沥青延性相对较高,因而最大弯拉应变主要取决于细集料含量和沥青用量.抗弯拉强度反映了小梁跨中截面下缘所能承受的最大弯拉应力.与沥青材料相比,较大粒径的集料,其抗拉、抗压强度都大于沥青材料. 在空隙率相差不大时,增大粗集料的含量可以提高沥青混合料的最大弯拉强度.劲度模量为弯拉强度和弯拉应变的比值,其值越大,表明沥青混合料越易断裂,低温抗裂的能力越差.

根据JTG E20—2011要求,用沥青混合料弯曲试验来评价混合料低温拉伸性能,试验结果汇总见表3.VMA和VCAratio与低温性能指标的关系分别如图4-5所示.

图4 VMA和低温性能指标关系示意图

图5 VCAratio和低温性能指标关系示意图

由图4中最大弯拉应变-VMA的关系可以看出,随着VMA的增大,对于左数第1,2段,最大弯拉应变减小较快,而对于左数第3,4段,最大弯拉应变减小较慢,说明在VMA较小时,最大弯拉应变对VMA的敏感度较大.整体趋势上看,随着VMA的增大,最大弯拉应变呈现不断减小的趋势.弯曲劲度模量与VMA的关系与其分析结果相似,但整体上呈增大的趋势.

由图5中最大弯拉应变-VCAratio的关系可以看出,左数前2个点的VCAratio值相差不大,但最大弯拉应变迅速增加;而左数第2,3和4段曲线斜率基本一致,在VCAratio=1附近,斜率并没有发生明显变化.这说明,VCAratio与1的大小关系对最大弯拉应变影响不大.弯曲劲度模量和VCAratio的关系与其分析结果相似,但整体上呈减小的趋势.

在图4的抗弯拉强度-VMA的关系中可以看出,左数第1,2和3段斜率不断增大,但第3段斜率最大;而第3段是骨架结构是否形成的过渡点,说明骨架结构是否形成对最大抗弯拉强度有较大影响.但随着VMA的继续增大,抗弯拉强度逐渐减小,这说明即使形成骨架结构,当VMA过大时,会使混合料抗弯拉强度急剧下降.

宏观上,SMA-13型混合料的抗弯拉强度明显高于AC-13型,而AC-13型的劲度模量小于SMA-13型.对于OGFC-13型混合料,低温抗裂性能最差.

3.3 水稳定性试验

根据JTG E20—2011的要求,选择沥青混合料冻融劈裂试验来评价混合料抵抗水损害的能力,试验结果汇总见表3.VMA和VCAratio与水稳定性指标的关系示意图分别如图6-7所示.

图6 VMA和水稳定性指标关系示意图

由表3中冻融劈裂强度对比指标TSR可知,5种混合料的强度均符合JTG E20—2011的要求,并没有较大的差异性,这说明5种沥青混合料抵抗水损害的能力均较强.

由图6-7可知:VMA和VCAratio的4条曲线变化趋势非常接近,这说明5种混合料在经受和未经受冻融循环条件下,其抵抗冻融劈裂的规律相似;仅在经受冻融循环后,抗劈裂能力有所降低.现仅分析经受冻融劈裂后5种沥青混合料抵抗劈裂的规律性.

通过观察图6中RT2-VMA的关系可以看出,随VMA的增大,左数第1,2段曲线斜率较大,且呈下降趋势;左数第3段较为平缓;左数第4段曲线呈下降趋势,斜率与左数第1,2段相比较小.这说明,随着VMA的增大,沥青混合料劈裂抗拉强度逐渐减小;在VMA较小时,冻融劈裂强度对VMA值的敏感度较大.

图7 VCAratio和水稳定性指标关系示意图

图7中,由曲线RT2-VCAratio的关系可知,左数第1段曲线斜率较大,且呈上升趋势.而左数第1段曲线的VCAratio差距较小,VMA值相差较大,这说明沥青混合料的水稳定性对VMA值的敏感度较大.左数第2段曲线呈缓慢下降的趋势,而第2段为骨架结构是否形成的过渡段,这说明骨架结构是否形成对沥青混合料的水稳定性影响较小.整体趋势上,随着VCAratio的增大,沥青混合料的水稳定性逐渐增强.

在宏观上,5种沥青混合料劈裂抗拉强度由大到小的顺序依次为AC-13(细)、 AC-13(中)、SMA-13、 AC-13(粗)和OGFC-13.这个结果与小梁弯曲试验的结果有一定的相似性,悬浮密实结构的水稳定性优于骨架密实结构,而骨架空隙结构的水稳定性较差.

4 结 论

1) 体积指标VMA和VCAratio可以较好地反映沥青混合料空间结构.通过调整4.75 mm筛孔的通过率,可以有效调整骨架的紧密程度;试验结果验证了粒径为4.75～9.50 mm的集料含量对骨架结构的形成有较大影响,该粒径范围的集料含量越多,对于骨架结构的形成越有利.

2) 沥青混合料的高温性能对于是否形成骨架结构更加敏感,而对VMA的敏感度较差.在VMA差距不大的情况下,VCAratio越小,骨架结构越好,抵抗高温变形的能力越强.相对于DS,VMA对车辙深度的影响更大;60 min车辙深度和DS并没有较好的相关性.从宏观角度看,骨架密实结构的高温稳定性能最优,骨架空隙结构次之,悬浮密实结构最差.

3) 沥青混合料的低温性能对VMA的敏感度较大.整体上,随着VMA减小,沥青混合料的低温稳定性变好.VCAratio与1大小关系对沥青混合料低温性能影响较小,但适当增加粗集料的含量可有效提高混合料的抗弯拉强度.宏观上,悬浮密实结构的低温稳定性最好,而骨架空隙结构最差.

4) 在经受和未经受冻融循环两种条件下,沥青混合料抵抗劈裂的规律相似;但在经受冻融循环后,抗劈裂能力有所降低.沥青混合料水稳定性与体积指标的规律性与小梁弯曲试验相似.