基于路用性能的沥青混合料粉胶比确定方法

曾京松

摘要：为了确定沥青混合料的最佳粉胶比，文章选定AC-16级配混合料进行配合比设计，并采用7个不同粉胶比水平混合料进行高温稳定性、低温稳定性及水稳定性等路用性能指标试验，分别根据粉胶比对各性能指标的影响，确定满足路用性能指标的最佳粉胶比范围。

关键词：道路工程;粉胶比;路用性能;沥青混合料

中图分类号：U416.217A050164

0 引言

沥青混凝土路面由于直接与行车荷载、外界水、温环境等直接接触，其路用性能的优劣直接决定着面层各结构层使用寿命。作为典型的粘弹性材料，沥青胶浆具有较矿物级配不同的力学特性[1，2]。粉胶比作为沥青胶浆的重要表征指标，表示矿粉与沥青之间的相对比例，其在混合料三级空间网状结构分散体系中起到重要作用。近年来已有较多学者对其进行了广泛研究，但大部分研究均偏向于粉胶比对沥青胶浆性能影响[3-10]。而由于混合料研究因素的复杂性，上述研究均未能较好地将粉胶比对胶浆性能与混合料路用性能影响进行关联分析，为此本文直接将粉胶比与混合料路用性能进行关联分析，以期望能阐明粉胶比对路用性能的影响规律，为混合料配合比设计提供有效参考。

首先选定某级配混合料进行配合比设计，然后拟采用7个不同粉胶比水平混合料进行各项路用性能指标试验，分别根据粉胶比对各性能指标影响确定最佳粉胶比，最后综合分析确定满足路用性能指标的最佳粉胶比范围。

1 试验设计

比较沥青路面各结构层级配类型，目前高等级公路上面层一般采用SMA类级配，中下面层一般采用AC类级配。考虑SMA类级配具有矿粉掺量大的特点，若选取SMA类级配进行研究不具备普适性，因此应选取中下面层常用的AC类级配为研究对象。又由于下面层路用性能要求相对较低，为此选取中面层常用中粒式密级配沥青混合料AC-16进行试验设计。然后采用不同水平粉胶比分别进行各项路用性能试验，依据粉胶比对各性能指标的影响规律确定适宜于沥青混合料的最佳粉胶比掺量，进而为道路工作者配合比设计工作提供理论参考。

其中，上述不同水平粉胶比为：0.8～1.4、掺量间隔为0.1，共7个掺量水平。为减小混合料级配对路用性能的影响，进行粉胶比掺量变化时，适当调整各档集料比例，以保证混合料级配尤其是0.075 mm通过率不发生较大改变。

1.1 级配设计

为实现目标配合比精准控制及便于保证不同粉胶比下级配一致性的调整需要，采用单档集料进行配合比设计试验。其中，粗集料采用4.75～19.0 mm各单檔石灰岩粗集料，细集料采用粒径规格为0～2.36 mm、2.36～4.75 mm优质石灰岩机制砂，矿粉采用石灰岩研磨矿粉。沥青采用东海牌AH-70#基质沥青。各原材料均满足现行规范要求，混合料配合比设计如表1所示。

1.2 最佳油石比计算

马歇尔试验结果如表2所示。

最佳油石比计算如下：

根据规范确定：OAC1=4.675%;根据规范规定各指标范围确定OACmin=4.3%，OACmax=4.8%，计算得到OAC2=4.55%;故最佳油石比取均值计算为4.6%。

2 路用性能分析

2.1 高温稳定性

选取上述7个水平粉胶比制备沥青混合料车辙试件，采用标准车辙试件（300 mm×300 mm×50 mm）进行60 ℃高温车辙试验，每组粉胶比混合料进行2个车辙试验取均值。试验结果如图1和图2所示。

对图1～2分析可知：

随着粉胶比增大，动稳定度与车辙深度分别呈现明显“凸型”与“凹形”变化规律：车辙试件动稳定度先增大后减小、车辙深度先减小后增大，即混合料高温稳定性先增强再逐渐减弱。其中，当粉胶比为1.2时高温稳定性达到最佳。这是由于在混合料级配未发生变化条件下，混合料高温稳定性主要受沥青胶浆性能影响。在粉胶比较低时，沥青胶浆中自由沥青与同矿粉混合的结构沥青同时存在，矿粉的加入使得结构沥青较自由沥青具有一定的“加筋”作用，使得沥青胶浆粘聚性增强，因而具有较好的抗高温变形性能。随着粉胶比掺量继续增加，沥青胶浆中沥青已不足以完全裹覆矿粉全部形成结构沥青，导致多余矿粉“游离”于沥青胶浆内部，降低了胶浆粘聚性，进而引起高温稳定性逐渐下降。因此配合比设计时，一定范围内可通过增加矿粉用量提高粉胶比进而提高混合料高温稳定性，但不能通过单独增加矿粉用量持续增强混合料高温稳定性。因此在油石比一定条件下，宜控制0.075 mm通过率在一定限制范围内。根据以上试验结果，粉胶比在1.1～1.3范围之外时，混合料动稳定度接近规范最小限值1 000次/min，存在不满足要求风险。因此为保证混合料高温稳定性，粉胶比宜控制在1.1～1.3。

2.2 低温稳定性

选取上述7个水平粉胶比制备标准小梁试件，将试件于-10 ℃环境中低温处理45 min后进行小梁弯曲试验，加载速率选取50 mm/min每组粉胶比小梁进行2个小梁弯曲试验取均值。试验结果如图3～5所示。

对图3～4分析可知：

（1）随着粉胶比增大，小梁试件-10 ℃抗弯拉强度、抗弯拉应变均呈现“凸型”变化，表明在粉胶比增大初期，混合料低温稳定性逐渐加强;粉胶比继续增大，-10 ℃抗弯拉强度、抗弯拉应变逐渐下降，且抗弯拉应变相较抗弯拉强度减小幅度更加显著。不同的是，抗弯拉强度、抗弯拉应变最大值分别出现在粉胶比为1.1和1.0时。这是由于随着粉胶比增大，矿粉与沥青组合成沥青胶浆体系，密集的空间网状结构增强了沥青的低温力学稳定性，提高了混合料低温稳定性。粉胶比继续增大，矿粉不足以全部被沥青裹覆形成有效的沥青胶浆，多余的矿粉并不具备较好的力学稳定性，导致混合料低温稳定性降低。