细集料含量对AC-25C沥青路面路用性能影响分析

姑丽比娅·艾斯卡尔

(新疆维吾尔自治区交通运输工程质量监督局， 新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

细集料增多或者减少是施工中一种常见现象，属于级配离析。级配离析比温度离析和沥青离析对沥青混合料的影响时间更长，级配离析可能发生在沥青路面施工的整个过程，级配离析可能造成沥青路面的质量缺陷，从而导致沥青路面出现早期病害[1-2]。

国内外对沥青混合料的级配离析研究较多，研究内容多集中于离析的判断方法、施工经验与预防离析病害的措施、离析的机理等，但对离析的成因、离析的控制标准、离析对沥青混合料的路用性能影响等方面研究深入度不足。目前沥青混合料施工控制标准中并未将离析作为一项验收指标。尽管有一些学者将施工中的材料变异作为一项验收内容，但大多是从视觉的角度对材料离析加以判断，少有定量分析。定量分析的做法一般是进行室内离析配比设计，如对材料的含量进行改变来研究离析程度对沥青混合料的影响程度，有人得到了一些研究成果[3-4]。为此，本文从定量分析的角度，以G3012喀叶墨高速中的AC-25C沥青混合料为研究对象，设计几种细集料含量来模拟离析程度，进行沥青混合料不同细集料含量下的路用性能研究，为AC-25C沥青混合料的施工过程控制提供理论依据。

1 原材料及级配

以G3012喀叶墨高速为例，试验路段选在K140+450～K140+050左幅，全长400m，距离拌和站4.5km。沥青下面层设计为AC-25C混合料，厚度为7cm，腰部宽度为12.00m，采用集中厂拌、机械摊铺。

1.1 原材料

1.1.1粗、细集料

粗、细集料均采用新疆汇利德有限责任公司生产的碎石，粒组规格分别为0～3、3～5、5～10、10～15、15～20、20～25mm。下面层所用集料具有良好的颗粒形状，具有足够的强度和耐磨性，石质坚硬、清洁、干燥，近立方体颗粒，表面粗糙。粗、细集料各项性能指标均满足相关规定的要求，具体结果见表1。

表1 集料主要技术性能检测项目表观相对密度/(g·cm-3)针片状含量/%压碎值/%含泥量/%吸水率/%砂当量/%洛杉矶磨耗损失/%坚固性/%软弱颗粒含量/%10～30 mm碎石2.7173.7—0.50.46—16.54.72.610～20 mm碎石2.7145.420.40.40.59—18.74.32.45～10 mm碎石2.7207.1—0.30.6—18.75.21.53～5 mm碎石2.726——0.80.55—16.6——0～3 mm机制砂2.658——1.3— 66———技术要求≥2.5≤20≤28≤1≤3≥60≤30≤12≤5

1.1.2填料

矿粉采用生产单位自产的石灰石矿粉，基本物理指标均满足规范要求。具体结果见表2。

表2 矿粉质量试验结果类别含水量/%亲水系数表观相对密度/(g·cm-3)试验结果0.30.62.667技术要求≤1<1≥2.5

1.1.3沥青

采用克拉玛依90#A级道路石油沥青，沥青技术指标均满足要求，见表3。

表3 克拉玛依90#A级石油沥青主要技术性能类别针入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1mm)软化点/℃15 ℃延度/cm试验结果88.848.8>100技术要求80～100≥45≥10015 ℃密度/(g·cm-3)集料与石油粘附性(级别)TFOT短期老化质量变化/%残留针入度比/%1.002 5级-0.360664—>4级±0.8≥57

1.2 级配

沥青混合料配比中一般只有一档细集料，而粗集料的粒径档较多。为方便分析，将基准级配下的细集料含量作为基准含量，以增加或者减少细集料的含量来改变级配，从而使基准沥青混合料产生级配离析[5]。

AC-25C沥青混合料不同细集料含量下的级配设置步骤如下：

1) 以基准配比下的细集料占比为基准含量，分别增加或减少6%、12%的细集料；

2)增加或减少了细集料含量则应对应减少或增加相应各个档次的粗集料含量；

3) 分析不同细集料含量下的级配与基准级配偏差值；

4) 调整偏差值，使之达到临界值。若偏差值未达到临界值，则相应地增加或者减少细集料含量，不断地重复以上3个步骤，直至偏差值达到目标临界值。

AC-25C的基准级配为0～3 mm∶3～5 mm∶5～10 mm∶10～15 mm∶15～20 mm∶20～25 mm∶矿粉=25∶14∶14∶11∶14∶18∶4。基准级配中的细集料仅占25%，不易出现严重离析现象，但可能会有轻度或中度离析。本文采用的AC-25C基准级配及不同颗粒各筛孔通过率见表4。

表4 AC-25C不同细集料下的级配设计离析程度级配编号不同粒径材料(mm)的配合比/%0～33～55～1010～1515～2020～25矿粉无基准配比2514141114184轻度离析级配11915151215204级配23113131013164中度离析级配31316161316224级配4371212912144 注:级配1、级配3为细集料分别减少6%、12%,级配2、级配4为细集料分别增加6%、12%。

2 细集料含量对沥青混合料路用性能的影响研究

2.1 高温性能受细集料含量变化影响分析

制作尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙板，在60 ℃温度下进行车辙试验，其中轮压为0.7 MPa，分别记录45、60 min下的车辙变形，计算动稳定度。AC-25C混合料的动稳定度见表5。

表5 AC-25C离析混合料的动稳定度次/mm基准配比级配1级配2级配3级配414 78210 6814 7327 9633 975

由表5可知，不同细集料含量的AC-25C混合料的动稳定度差异较大，细集料含量与基准配比相差越大，动稳定度降低幅度越大。可见，AC-25C沥青混合料的高温稳定性受细集料含量的影响较大，并且增加细集料含量比减少细集料造成的动稳定度下降幅度更大。

AC-25C混合料动稳定度的规范要求为3000次/mm以上，5种离析配比均满足要求，但细集料含量变化后的混合料容易产生早期破坏，若用动稳定度衡量很难选择合理的级配，需要提高对动稳定度指标的要求。

分析其原因：当细集料的含量增加时，混合料的比表面积及沥青含量均增大，内部缺少粗、细集料镶嵌形成的密实骨架结构，从而导致动稳定度极大降低，并且细集料含量越多，动稳定度值越小；当减少细集料含量时，混合料的内部虽然含有的骨架结构增多，但缺少细集料的填充导致粘结力过小，从而造成混合料的内部结构失稳，导致动稳定度降低。

2.2 低温抗裂性能受细集料含量变化影响分析

制作直径为101.6 mm、高为(6.35±1.3)mm的马歇尔试件，在(-10±0.5)℃恒温环境下保存6 h，在马歇尔试验仪上进行低温劈裂抗拉强度试验，计算其低温劈裂抗拉强度。

5种级配的AC-25C沥青混合料低温抗裂性能试验结果见表6。

表6 不同离析级配AC-25C的低温劈裂抗拉强度MPa基准配比级配1级配2级配3级配41.931.850.971.660.91

由表6可知，改变细集料含量使混合料的低温劈裂抗拉强度降低，细集料含量变化越大，混合料低温劈裂抗拉强度降低幅度越大。增加细集料含量比减少细集料含量的低温劈裂抗拉强度值降低幅度更大。

分析其原因：当细集料含量增大时，混合料的比表面积及沥青含量均增大。沥青的收缩系数较细集料的收缩系数高出2个数量级。低温下，沥青收缩变形远高于集料，从而导致沥青从集料表面脱落，使混合料的低温抗裂性能降低。当减少细集料含量时，相当于增大了粗集料含量，降低了沥青含量，此时的混合料应力松弛能力降低，从而降低了混合料的低温抗裂性能，但降低幅度较增多细集料小。

2.3 水稳定性能受细集料含量变化影响分析

制作直径101.6mm、高(6.35±1.3)mm的马歇尔试件，进行沥青混合料的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。AC-25C离析混合料的水稳定性能检测结果见表7。

表7 AC-25C离析混合料的水稳定性能检测结果级配浸水马歇尔残留稳定度/%冻融劈裂比/%基准配比92.187.7级配190.163.3级配2121.788.9级配382.351.2级配4103.289.5

由表7可知，细集料含量影响了AC-25C混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂比。细集料减少时，AC-25C混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂比均小于基准配比；细集料增多时，AC-25C混合料的路面水稳定性反而得到了提高。

分析其原因：当细集料增多时，AC-25C混合料的比表面积大，空隙率小，外部水很难进入混合料内部，从而提高了混合料浸水48 h后的稳定度，使得浸水马歇尔残留稳定度超过100%，同时冻融劈裂比也得到了提高。当细集料减小时，AC-25C混合料的比表面积减少，空隙率增大，外部水更容易浸入到混合料内部，从而降低了混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂比，尤其是冻融劈裂比降低较为明显。

2.4 抗疲劳性能受细集料含量变化影响分析

制作400mm×300mm×75mm的车辙板，切成380mm×63mm×50mm的小梁试件，进行4点弯曲疲劳试验，试验温度为15℃，采用500με应变水平，荷载频率为10Hz。小梁见图1，AC-25C沥青混合料的4点弯曲疲劳试验结果见表8。

图1 小梁实物图

表8 沥青混合料初始劲度模量及疲劳试验结果级配初始劲度模量/MPa达到疲劳寿命时荷载作用次数/次基准配比4 783138 297级配15 378109 822级配24 211158 227级配35 68262 982级配43 989237 651

由表8可知，细集料含量变化影响了混合料的初始劲度模量，随着细集料含量的减少，混合料的初始劲度模量增大。细集料减少6%的级配1的初始劲度模量比基准级配增大了595MPa，而细集料增大6%的级配2初始劲度模量比基准配比的降低了572MPa。5种级配的初始劲度模量从大到小依次为：级配3、级配1、基准级配、级配2、级配4，即：细集料减少级配、基础级配、细集料增多级配。

混合料的疲劳寿命展现了与初始劲度模量受离析程度相反的变化趋势，即5种级配的疲劳寿命由大到小依次为：级配4、级配2、基准级配、级配1、级配3，即：细集料减少级配、基础级配、细集料增多级配。

分析其原因：当细集料增多时，AC-25C混合料的比表面积大，空隙率小，内聚力大，外力荷载需克服较大的内聚力才能使试件发生疲劳破坏，故而疲劳寿命较基准配比的混合料疲劳寿命高；反之，当细集料减少时，AC-25C混合料的内聚力降低，外力荷载需克服的内聚力变小，从而降低了试件的疲劳寿命。

2.5 永久变形性能受细集料含量变化影响分析

制作直径150mm、高172mm的圆柱体试件，钻芯取直径为100mm的芯样，制作成高为(150±2)mm的试件，在UTM-100多功能材料试验机上反复加载，试验温度为15℃，偏应力水平为0.7MPa，采用半正弦波形，以荷载作用次数超过100000次或试件的永久变形量超过5%为试验停止条件。永久变形试验试件见图2，5种AC-25C沥青混合料的三轴压缩试验结果见图3。

图2 永久变形试验试件

图3 5种级配下荷载作用次数-永久变形量曲线

由图3可知，在荷载作用次数小于500时，基准级配的永久变形量最大，达到1%左右；随着荷载作用次数的增多，永久变形缓慢增大，逐渐趋于稳定，在荷载作用次数为10000时，永久变形量接近2%。级配1、级配3的永久变形量在荷载作用下变化急剧，荷载作用4000次时其永久变形量就超过了4%，级配3比级配1的变化更显著。级配2、级配4在荷载作用次数小于7000次时，永久变形量比基准级配永久变形量小；但随着荷载次数增大，级配2、级配4的永久变形量急剧增大，在10000次荷载作用次数后，永久变形量超过4%。

分析其原因：沥青混合料永久变形可分为3个阶段：压密阶段、流动变形阶段、剪切破坏阶段。当细集料增多时，AC-25C混合料的比表面积大，空隙率小，粘聚力大，因此在混合料压密阶段永久变形增长迅速，当荷载次数超过一定次数后(本试验为1000次左右)，AC-25C混合料中的粘结力失效，由于粗集料的骨架咬合力减少，处于流动变形阶段时的变形量增速较大。基准配比下的混合料由于级配良好，存在恰当的粘聚力和骨架结构，故而在压密初始阶段的永久变形量增速较快，后期逐渐趋于稳定。当细集料减少时，混合料的内聚力变小，空隙率变大，反复荷载作用下混合料内部的集料发生移位落入到空隙中，从而使得试件的永久变形急剧增大。因此，实际施工中应控制AC-25C沥青混合料的级配离析，避免产生过大的永久变形。

3 结语

1) 细集料含量变化后的AC-25C混合料的动稳定度发生较大变化，细集料含量变化越大，动稳定度降低幅度越大，并且增加细集料比减少细集料更能影响动稳定度。但细集料含量变化后的混合料容易产生早期破坏，如若用动稳定度衡量很难选择合理的级配，需提高现有标准对动稳定度指标的要求。

2) 细集料含量变化后混合料的低温劈裂抗拉强度降低，细集料含量变化程度越大，混合料低温劈裂抗拉强度降低幅度越大。增加细集料比减少细集料更能降低低温劈裂抗拉强度。

3) 细集料含量变化影响了AC-25C混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂比。细集料减少降低了AC-25C混合料的路面水稳定性；细集料增多时，AC-25C混合料路面的水稳定性能反而得到了提高。

4) 随着级配变粗，混合料的初始劲度模量增大，排序为：细集料减少级配>基础级配>细集料增多级配；随着级配变粗，混合料的疲劳寿命减少，排序为：细集料减少级配>基础级配>细集料增多级配。

5)细集料含量变化降低了沥青混合料的抗变形能力，且与基础沥青混合料相比较，细集料减少比细集料增多更能降低沥青混合料的抗变形能力。