矿料级配类型对沥青混合料路用性能影响的试验研究

2015-07-25范大宇申兰丽

陕西水利 2015年5期

范大宇申兰丽

（山东黄河工程集团有限公司山东济南 250013）

沥青路面具有优异的使用性能和良好的行车舒适性，并且建设周期短，养护和维修方便，在我国高等级公路中普遍采用【1】。近几年来随着国民经济的迅速发展，交通量迅速增长，超载，重载，渠化交通等问题严重降低了路面的使用性能和使用寿命。对于沥青混合料路用性能影响因素很多，其中矿料级配对沥青混合料的路用性能有着重要影响，尤其是对于沥青玛蹄脂混合料，其形成的骨架嵌挤结构对路面的使用性能起着举足轻重的作用。本文以SMA-13沥青混合料为基础，采用5组不同的级配，对沥青混合料的抗滑性能，高温稳定性能，低温抗裂性能，抗疲劳性能进行了详细的研究，分析了级配类型对沥青混合料路用性能的影响规律，以期为沥青混合料级配优化设计提供参考。

1 试验材料

1.1 沥青

沥青结合料要求具有良好的延度，较高的粘度，与集料有良好的粘附性，考虑到现有公路路面的实际应用情况，设计选用SBS改性沥青，其技术指标见表1。

1.2 矿料

用于SMA的粗集料为玄武岩，质地坚硬，表面粗糙，形状接近立方体，试验结果见表2。矿粉为石灰岩磨细的粉末，细集料采用机制砂，各项指标均满足要求。

1.3 纤维

研究中纤维采用松散木质素，其单位质量的纤维根数多，分散性好，具备较强的沥青吸附能力，其技术指标如表3所示。

2 矿料级配

研究以SMA-13沥青混合料级配范围为基础，选取规范【2】中规定的级配下限作为粗级配A1，选取级配上限作为细级配A5选取级配中值作为中级配A3，选取级配下限与中值级配的平均值作为偏粗级配A2选取的级配上限与中值级配平均值作为偏细级配A4，各组集配筛孔通过率见表4，各组级配曲线见图1

表1 改性沥青技术指标

表2 粗集料技术指标

表3 纤维技术指标

表4 沥青玛蹄脂碎石SMA-13矿料级配范围

图1 不同矿料类型的级配曲线

图2 摩擦系数随级配类型的变化图

图3 构造深度随级配类型的变化图

3 试验结果及分析

3.1 混合料的抗滑性能试验

路面的抗滑性能是指车辆受到制动时沿表面滑移所产生的力，是保证公路行车安全和确定允许行车速度的一项重要指标。表征沥青混凝土抗滑性能的指标主要有摩擦系数和构造深度。通过对5种不同级配类型对应混合料的抗滑性能试验，确定不同级配类型对混合料抗滑性能的影响规律，试验结果如图2、图3所示

从图2和图3可以看出：从粗级配A1到细级配A5，混合料的摩擦系数和构造深度依次减少，即混合料的级配类型在粗级配时对应的抗滑性能最好，在细级配时对应的抗滑性能最差。其主要原因是粗级配时，混合料中粗集料含量较多，相应的空隙率较大，表面粗糙程度明显，其对应的构造深度和摩擦系数大，抗滑性能好；细级配中粗集料含量较少，细集料含量较多，混合料相应的空隙率较小，因此摩擦系数和构造深度较少，抗滑性能差。

3.2 混合料的高温稳定性试验

沥青路面的高温稳定性是指夏季高温时，路面在交通荷载作用下，抵抗车辙、拥包和推移变形的能力。动稳定度是评价沥青混合料高温稳定性的一个重要指标，它是通过成型车辙板，在60℃温度条件下，以轮压为0.7MPa实心橡胶轮胎在上行走，测量车辙板在变形稳定期内，每增加1mm变形所要行走的次数。通过进行5种不同级配类型对应混合料的车辙试验，确定不同矿料级配对混合料高温稳定性的影响规律，试验结果如图4所示。

从图4可以看出：从粗级配A1到细级配A5，混合料的动稳定度呈先增加后减少的变化趋势，混合料的级配类型在中级配时对应的动稳定度最大，即高温稳定性最好。分析认为粗级配中粗集料含量较多，细集料含量较少，导致集料的比表面积小，集料与胶泥产生的粘聚力减少，所以高温稳定性较差；细级配中细集料含量较多，粗集料含量较少，难以形成骨架，同时过小的空隙率难以满足沥青体积变化，使混合料失稳，进而导致其高温稳定性下降；中级配中，粗集料足以形成骨架，而细集料又较好的填充骨架空隙，沥青混合料单位面积胶泥接触面大，其粘聚力相对较大，所以沥青混合料的高温稳定性好。

骨架在沥青混合料的强度构成中起重要作用，但是提高沥青路面的高温稳定性，不能片面增加混合料中粗集料的用量，而忽略了混合料的密实程度与玛蹄脂的劲度模量对稳定性的影响。

图4 动稳定度随级配类型的变化图

图5 弯拉应变随级配类型的变化图

图6 疲劳寿命随级配类型的变化图

3.3 混合料的低温抗裂性试验

评价沥青混合料低温抗裂性能试验方法有很多，美国SHRP提出的约束试件温度应力试验以及J-积分试验，我国“八五”攻关专题提出的低温弯曲蠕变试验，沥青混合料低温压缩能实验以及低温弯曲试验等【3】。其中低温弯曲试验确定的破坏应变是我国现行规范中针对改性沥青混合料低温抗裂性能提出的低温抗裂技术要求。研究采用低温弯拉应变评价混合料低温抗裂性能，试验结果如图5所示。

从图5可以看出：从级配A1到级配A5，混合料的弯拉应变呈先增加后减少的变化趋势，混合料的级配类型在中级配时对应的弯拉应变最大，即低温抗裂性最好。分析认为粗级配时混合料中细集料含量较少，空隙率较大，较小的变形就可导致沥青混合料开裂，因此低温抗裂性差；相反细级配时细集料多，空隙率很小，其低温劲度大，变形能力差，抵抗开裂能力小，因此弯拉应变较小；混合料取中级配时，空隙率适中，沥青玛蹄脂劲度适中，抵抗低温变形能力强，因此低温抗裂性最好。

3.4 混合料的抗疲劳性能试验

为研究级配类型对混合料抗疲劳性能影响，研究采用间接疲劳试验，利用电液同服疲劳试验机，应力加载控制，试验温度为0℃，荷载采用正弦波重复荷载，周期为0.秒，整个过程通过软件控制，试验结果如图6所示。

从图6可以看出：矿料级配类型由粗变细，混合料的疲劳寿命显著增大。其主要原因是沥青混合料的疲劳寿命与空隙率关系密切，随着空隙率增大，疲劳寿命显著降低沥青混合料内部存在很多微裂缝，而且空隙率越大，微裂缝数量越多，在荷载的反复作用下，微裂缝容易扩展破坏，因此混合料的疲劳寿命降低。对于细级配沥青混合料，细集料增多，混合料的空隙率较小，整体抵抗弯拉应力反复作用的能力较强，因此具有更好的抗疲劳性能。