沥青混合料AC-20C矿料的施工组成设计分析

黄小慧 曹毅 韦增增

摘要：文章模拟评价施工过程中2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、19～26.5 mm的分计筛余量波动对一种粗型密级配AC-20C的性能影响。其中，AC-20C的矿料组成19 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm通过率分别为90.8%、50%、33.2%、23.8%，试验采用SGC旋转搓揉成型方法和马歇尔击实法评价了AC-20C的压实特性，采用马歇尔法评价了AC-20C的145 ℃、165 ℃的体积参数，并采用动稳定度、单轴贯入强度和冻融劈裂残留强度比三个指标评价了AC-20C的高温稳定性能及水稳定性能。试验结果表明：2.36～26.5 mm的粗集料在AC-20C中起骨架作用，其中，9.5 mm的通过率宜控制在50%～55%，19～26.5 mm粗集料的适当用量可以提高沥青混合料的抗变形能力，随着嵌挤粗集料4.75～9.5 mm用量的增加，AC-20C的矿料间隙率增加，毛体积相对密度降低、空隙率增大，最大剪应力下降，其用量宜≤24%，次级嵌挤粗集料2.36～4.75 mm粗集料宜≤12%，SBS改性沥青混合料AC-20C的60 ℃动稳定≥6 000次/mm，冻融劈裂抗拉强度比>75%。

关键词：道路工程;沥青混合料;矿料组成;空隙率;动稳定度;贯入强度;冻融劈裂强度比

0 引言

由于黑色路面的吸热特性，三层沥青路面的中面层的温度相对最高，而沥青作为一种胶结料，具有时温等效特性。为此，必须重视中面层常用的粗型密实配沥青混合料AC-20C的矿料组成设计及其施工过程的质量控制，以确保路面在使用过程中，在荷载应力及一定的温湿度环境条件下沥青混合料AC-20C的变形处于蠕变迁移稳定阶段，黏性应变的累积变形量≤6 mm。本文结合广西高速公路常用的粗集料关键筛孔19 mm、9.5 mm、2.36 mm对应通过率分别是90.8%、50%、23.8%的粗型密级配AC-20C的矿料组成设计，模拟施工过程比对分析粗集料2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、19～26.5 mm的分计筛余量波动对AC-20C的压实特性、高温稳定性、水稳定性的影响，以提出粗型密级配AC-20C施工允许波动的合理级配范围。

1 AC-20C的矿料级配组成设计

粗型密级配的AC-20C的三个级配组成如表1所示，其中，2.36 mm的通过率控制在23%～24%，0.075 mm的通过率控制在5%～6%。

从表1、表2可以看出，级配二为设计目标级配，级配一、级配三为级配二的波动级配。在AC-20C的三个级配中，级配三中4.75 mm的通过率最低，即混合料中>4.75 mm的粗集料用量最多，但其中未掺配粗集料19～26.5 mm，粗集料4.75～9.5 mm的分计筛余为24.8%。与级配三不同，在级配一、级配二中，粗集料19～26.5 mm的分计筛余量在7%～10%之间。级配二与级配三的差异主要在于：级配二以粗集料4.75～26.5 mm做骨架，级配一以粗集料2.36～26.5 mm做骨架。

试验采用SBS改性沥青，按AC-20C的油石比3.8%成型马歇尔法试件，试件体积指标如表3所示。

由表3中可以看出，三个级配的理论最大相对密度一样，空隙率关系为级配二<级配一<级配三，沥青饱和度关系为级配三<级配一<级配二，矿料间隙率关系为级配二<级配一<级配三，三个级配的指标关系是相对应的。级配三的矿料间隙率、空隙率相对最大，这表明了粗集料嵌挤料4.75～9.5 mm用量对骨架的相对干涉作用。

为进一步评价三组级配的压实特性，分别采用SGC旋转搓揉成型方法、马歇尔击实法制作试件，经160次旋转压实下各级配毛体积相对密度实测值如表4所示。

根据SGC压实的特点，记录指定压实次数下试件的高度，计算各次数下的压实度后，绘制压实次数与压实度关系曲线图，如图1所示。

（1）旋转压实SGC下的级配分析

从图1可以看出，在相同旋转压实次数下，压实度关系分别为级配一>级配二>级配三，而同一压实度下，级配一所需压实次数最少，级配二次之，级配三最多。这表明在相同压实功下，级配一最易压实，级配二次之，级配三最难压实。

由图1可以看出两种空隙率下混合料的旋转次数，如表5所示。

由表5可知，三种级配的N2/N5关系为级配一>级配二>级配三，说明级配三最难以压实，级配二次之，级配一最易压实。这也进一步表明了粗集料嵌挤料4.75～9.5 mm用量对骨架的相对干涉作用，用量相对越多，矿料间隙率相对越大。

（2）两种不同成型方式的各级配体积参数对比

100次设计旋转压实下马歇尔成型各级配相关参数如表6所示。

根据不同成型方式下马歇尔的体积参数，绘制不同成型方式下的各级配体积参数对比图如图2所示。

由图2及表6可以看出，与马歇尔成型方式相比，相同级配下SGC旋转压实条件下成型的试件毛体积密度更大，级配一密度提高了0.68%，级配二密度提高了0.24%，级配三密度提高了1.2%，影响程度为级配三>级配一>级配二;空隙率明显小于马歇尔成型的试件，其中，级配一降低了0.7%，降幅为21.9%，级配二降低了0.3%，降幅为10%，级配三降低了7.6%，降幅为11.3%，影响程度为级配一>级配三>级配二;而沥青饱和度均要大于马歇尔成型方式的试件的，分别增加了4.2%、2.2%和7.6%，增幅分别为5.7%、3.0%和11.3%，影响程度为级配三>级配一>级配二;矿料间隙率则要更小，三个级配分别降低了0.4%、0.2%和1.0%，降幅分别为3.4%、1.8%和8.0%，影響程度为级配三>级配一>级配二。

综上所述，三个级配受成型方式影响的程度大小排列关系为：级配三>级配一>级配二，4.75～9.5 mm单粒径达24.8%时，AC-20C相对难以压实。

为了模拟施工现场碾压温度对AC-20C的压实特性的影响，采用马歇尔双面击实各75次分别在145 ℃、165 ℃成型马歇尔试件，对试件体积参数进行测试的结果如表7所示。

由表7可以看出，随着成型温度的降低，级配一与级配二的毛体积相对密度均呈现降低的趋势，级配一的毛体积相对密度降幅最大，级配一、级配二、级配三中>2.36 mm的用量基本一致，级配一中嵌挤粗集料2.36～4.75 mm的单粒级用量为12.4%，用量相对最多。

2 AC-20C的性能验证

2.1 车辙试验、单轴贯入强度试验

AC-20C三种级配类型的沥青混合料的车辙试验结果如表8所示。

由表8可以看出，不考虑变异系数的影响，随着粗集料含量的增加，沥青混合料车辙动稳定度先减小后增大，但三种级配下沥青混合料高温稳定性均远高于规范要求。从级配一到级配二，粗集料含量从63.4%增加至66.8%，粗集料含量增加3.4%，动稳定度从13 639次/mm降低至7 760次/mm，但车辙总变形量从1.604 mm降低至1.401 mm，总变形反而有所降低;从级配二到级配三，粗集料含量从66.8%增加至70%，粗集料含量增加3.2%，动稳定度从7 760次/mm增加至9 021次/mm，车辙总变形量从1.401 mm增加至1.746 mm，总变形反而有所增加。

从级配一和级配二的车辙动稳定度与总变形试验结果对比来看，级配二在4.75 mm筛孔通过率较低，粗集料含量高，同时9.5 mm筛孔通过率也较低，级配一4.75～9.5 mm区间粗集料占19.3%，级配二虽然4.75 mm以上粗集料比级配一多，但4.75～9.5 mm区间粗集料仅为16.8%，因此级配二骨架结构比级配一更稳定，因此动稳定度变形更小。而级配三4.75 mm粗集料含量达到70%，但4.75～9. 5 mm区间的粗集料也达到了24.8%，因此级配二比级配三的矿料骨架更稳定，级配三的动稳定度变形比级配二的相应更高。

为进一步评价沥青的抗变形能力，采用单轴贯入试验。AC-20C沥青混合料的单轴贯入试验结果见表9和图3。

从图3可以看到：（1）抗剪强度大小依次为级配一>级配二>级配三，级配二的抗剪强度比级配三提高11.6%，级配一的抗剪强度比级配二提高19.7%，比级配三的抗剪强度提高33.5%;（2）剪切破坏时变形量大小依次为级配一>级配二>级配三，但相差不大。

从三种级配的沥青混合料的矿料级配组成来看，以4.75 mm筛孔为界，级配二比级配一粗集料比例高3.4%，级配三比级配二粗集料比例高3.2%，比级配一粗集料比例高6.6%。对比这三种级配的沥青混合料试验结果可知，级配一具有更好的抗剪切性能，级配三的抗剪切性能最差。这表明AC-20C以粒径2.36 mm为界，>2.36 mm的粗料部分形成混合料的骨架，19～26.5 mm的适当用量可以提高沥青混合料的抗变形能力，4.75～9.5 mm的用量宜在24%以下，不宜过多，9.5 mm的通过率宜控制在50%～55%之间。

2.2 浸水马歇尔和冻融劈裂试验的水稳定性验证

AC-20C沥青混合料的水稳定性验证采用浸水马歇尔、冻融劈裂试验进行评价，结果见表10。

从表10可以看出，三种级配下沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂残留强度比均满足规范要求。

3 结语

（1）筛孔为0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通过率分别为5%、23.8%、33.2%、50%、90.8%的粗型密级配沥青混合料AC-20C具有良好的高温稳定性能、水穩定性能。

（2）沥青混合料AC-20C的19 mm、9.5 mm、4.75 mm的通过率波动范围分别宜控制在90%～100%、50%～55%、30%～36%，而2.36 mm的通过率应≤24%。

参考文献：

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[2]沈金安.关于沥青混合料的均匀性和离析问题[J].公路交通科技，2001，18（6）：20-24.

[3]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

作者简介：黄小慧（1984—），工程师，主要从事施工、监理以及试验检测工作;

曹 毅（1975—），工程师，主要从事公路养护施工与管理工作;

韦增增（1997—），硕士研究生，研究方向：道路材料、施工技术等。