基于抗车辙性能的AC—25沥青混合料级配设计

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【摘要】以密实度最大为原则，采用逐级填充方法，研究了粗集料级配和细集料级配；采用理论计算法确定了粗细集料比例和最佳油石比。在此基础上，通过室内车辙试验对上述级配进行优化，提出了具有高抗车辙性能的AC-25沥青混合料。路用性能分析表明：该级配的高稳定性和水稳定性明显优于规范级配，低温抗裂性与规范级配相差不大，表明提出的抗车辙型AC-25沥青混合料具有优秀的路用性能。

【关键词】道路工程；AC-25沥青混合料；级配设计；抗车辙；路用性能

引 言

自八十年代中期以来，我国公路交通事业迅速发展，为推动现代化建设做出了巨大贡献，沥青路面因其良好的行车舒适性和优异的使用性能得到了广泛应用。但是随着公路交通量的增加、车辆轴载的增大和渠化交通的形成，沥青路面的病害问题也越发突出，车辙更是其中问题最尖锐、危害最严重的一种。研究表明，沥青面层内部最大剪应力分布于路面深度4～10cm范围内，而该区域一般为沥青路面结构的中面层位置，因此可以确定沥青路面的中面层为主抗车辙区。目前，我国高等级公路沥青面层基本上是按全功能要求设计的，结果必然顾此失彼，很难与各沥青层力学和功能要求相适应，从而造成沥青路面早期损坏。为了最大程度的缓解路面多功能要求所引起的矛盾，且充分发挥材料潜力，降低成本，有必要针对路面各结构层的层位功能的要求对沥青面层材料组成设计进行研究。

基于此，本文首先采用逐级填充的方法，以密实度最大为原则确定了粗集料级配和细集料级配，其次采用理论计算法确定了粗细集料比例和最佳油石比，最后通过室内车辙试验对上述级配进行优化，进而提出了具有高抗车辙性能的中面层AC-25沥青混合料级配并对其路用性能进行了分析。

1、原材料

沥青：新加坡90号SBS改性沥青，密度为0.985 g/cm3，经检验其它各项指标均符合规范要求；

碎石：石灰岩，平均视密度为2.690 g/cm3，压碎值为12.6；

矿粉：为石灰石研磨而成，塑性指数为2.2，经检验其它各项均符合规范要求。

2、级配拟定与优化

2.1 粗集料级配的确定

（1）I级填充试验

取20kgD0（26.5～31.5mm集料），令D1（19～26.5mm集料）与D0按不同比例混合进行I级捣实试验，试验结果见图1。

图1 I级填充试验结果

由图1可知，当D0：D1=1：2时，混合粗集料的捣实密度最大。

（2）II级填充试验

在I级填充试验结果的基础上，取6kgD0和12kg D1，令D2（16～19mm集料）与（D0+D1）按不同比例混合进行II级捣实试验，试验结果见图2。

图2 II级填充试验结果

由图2可知，当（D0+D1）：D2=1：2时，混合粗集料的捣实密度最大。

（3）III级填充试验

在I、II级填充试验结果的基础上，取3kgD0、6kg D1和18kgD2，令D3（13.2～16mm集料）与（D0+D1+D2）按不同比例混合进行III级捣实试验，试验结果见图3。

图3 III级填充试验结果

由图3可知，当（D0+D1+D2）：D3=3：1时，混合粗集料的捣实密度最大。

（4）IV级填充试验

在I、II、III级填充试验结果的基础上，取2kgD0、4kg D1、12kgD2和6kg D3，令D4（9.5～13.2mm集料）与（D0+D1+D2+D3）按不同比例混合进行IV级捣实试验，试验结果见图4。

图4 IV级填充试验结果

由图4可知，当（D0+D1+D2+D3）：D4=4：1时，混合粗集料的捣实密度最大。

（5）V级填充试验

在I、II、III、IV级填充试验结果的基础上，取2kgD0、4kg D1、12kgD2、6kg D3和6kg D4，令D5（4.75～9.5mm集料）与（D0+D1+D2+D3+D4）按不同比例混合进行V级捣实试验，试验结果见图5。

图5 V级填充试验结果

由图5可知，当（D0+D1+D2+D3+D4）：D5=5：1时，混合粗集料的捣实密度最大。

综上，以混合粗集料捣实密度最大为原则，确定粗集料的级配比例确定为1：2：6：3：3：3。

2.2 细集料级配的确定

细集料级配采用N法确定。本文参照国外规定与国内经验，选用N=0.4～0.6时对应的细集料级配，按上述粗集料级配组成混合料进行试验，并以捣实密度最大为原则获取最佳N值，试验结果见图6。

图6 细集料填充试验结果

由图6可看出，当N=0.5时，混合料捣实密度最大。故本文以N=0.5确定细集料级配，如表1所示。

表1 细集料级配

筛孔（mm）2.361.180.60.30.150.075

通过率（%）29.5 20.714.310.4 7.3 17.8

2.3 粗细集料比例与油石比的确定

理论计算法是根据粗集料骨架空隙率以及沥青混合料设计空隙率，确定粗细集料比例和沥青用量，使细集料体积、沥青胶浆体积和沥青混合料设计空隙率的总和等于主骨架空隙的体积，如式（1）、式（2）和式（3）所示。粗细集料合成计算结果见表2。

（1）

（2）

（3）

式中：VD为粗集料的间隙率（%）：Mc、Mf、Mp、Ma分别为粗集料、细集料、矿粉质量百分数及油石比（%）；ρlf、ρlp为细集料、矿粉的表观密度（g/cm3）；ρlc为粗集料的松装密度（g/cm3）；ρca为粗集料的合成毛体积密度（g/cm3）；ρa为沥青的密度（g/cm3）；VVS为沥青混合料设计空隙率（%）。

表2 粗细集料合成计算结果

序号项目及计算公式单位数值

（1）粗集料实测密度g/cm31.584

（2）细集料实测密度g/cm31.625

（3）合成粗集料毛体积密度g/cm32.724

（4）选择密度下粗集料间隙率=（1-（1）/（3））*100%41.8

（5）1立方米单位体积粗集料质量g2.316

（6）粗细集料合成有效密度g/cm32.748

（7）粗细集料所留空隙率=（1-（5）/（6））*100%15.7

（8）预留空隙率%2.5

（9）预期粉胶比--1.5

（10）沥青密度g/cm31.038

（11）矿粉密度g/cm32.657

（12）胶浆体积%14.2

（13）沥青质量g0.085

（14）矿粉质量g0.127

（15）油石比%3.8

（16）合成毛体积密度g/cm32.678

（17）预测VMA%11.5

（18）4.75mm通过量%35

（19）0.075mm通过量%5

2.4 基于高温性能的沥青混合料级配优化

相关研究表明[7～8]，4.75mm集料含量直接影响沥青混合料的高温稳定性，因此，上下5%的变换4.75mm的通过量确定四组AC-25级配，如表3所示。

表3 合成级配

级配集料通过下列筛孔（（mm））的质量百分比（%）

31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075

110092 76 63 54 42 30 23 18 14 12 10 5

210093 78 66 57 46 35 27 20 16 13 11 5

310093 79 69 61 51 40 30 23 18 14 12 5

410094 81 71 64 55 45 34 25 20 15 13 5

按四组设计级配制备沥青混合料进行高温车辙试验，并以动稳定度最高为原则确定最优级配。试验结果见表4。

表4 车辙试验结果

级配

类型变形（45min）

（mm）变形（60min）

（mm）动稳定度

（次/mm）

级配13.153.79984

级配21.471.624200

级配32.392.563705

级配42.522.822100

3、路用性能

根据表4结果，选取级配2和规范级配中AC-25上、中、下限，在最佳油石比下进行路用性能分析。

（1）高温车辙试验

不同类型沥青混合料车辙试验结果见表5。

表5 车辙试验结果

级配

类型变形（45min）

（mm）变形（60min）

（mm）动稳定度

（次/mm）

级配21.471.624200

AC-25中值4.35 4.70 1896

AC-25上限4.78 5.40 1057

AC-25下限5.28 5.82 1216

由表5可知，级配2的高温稳定性明显高于规范级配。这是由于高温稳定性与粗集料含量具有直接联系，级配2因其强大的骨架嵌挤结构，获得了较高的结构稳定性，故具备了较好的高温稳定性。

（2）水稳定性试验

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来检验沥青混合料的水稳定性，试验结果见表6。

表6 浸水残留稳定度

级配级配2AC-25中值AC-25上限AC-25下限

残留稳定度/%92.691.389.182.9

冻融劈裂试验强度比92.490.387.579.2

由表6可知，级配2的残留稳定度和劈裂强度比都高于其他级配，说明设计级配具有很好的水稳定性。这是由于级配2的细集料充分填充粗集料形成的骨架空隙，从而材料具有更好的抗水破坏能力。

（3）低温抗裂试验

通过-10℃条件下的沥青混合料低温弯曲试验评价不同类型沥青混合料的低温特性，试验结果见表7。

表7 低温弯曲试验结果

级配级配2AC-25上限AC-25中值AC-25下限

最大弯拉强度（MPa）9.9 9.9 10.1 9.8

最大弯拉应变（104）3198 3168 3132 3206

由表7可知，级配2的低温抗裂性能与规范级配相差不大，可满足冬寒区对沥青混合料低温性能的要求。

综上，本文提出的AC-25的高稳定性和水稳定性明显优于规范级配，虽然低温稳定性略低于规范级配，但基本上仍可满足冬寒区对沥青混合料低温性能的要求，表明提出的抗车辙型沥青混合料具有优秀的路用性能。

结 论

（1）以密实度最大为原则，采用逐级填充法确定了沥青混合料的粗集料级配和细集料级配；采用理论计算法确定了粗细集料比例和最佳油石比；通过室内车辙试验对上述级配进行优化，提出了具有高抗车辙性能的AC-25沥青混合料。

（2）路用性能分析表明，本文提出的抗车辙型AC-25沥青混合料的高稳定性和水稳定性明显优于规范级配，低温抗裂性与规范级配相差不大，表明该级配具有优秀的路用性能。

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