基于路用性能的瀝青混合料粉膠比確定方法

曾京松

摘要：為了確定瀝青混合料的最佳粉膠比，文章選定AC-16級配混合料進行配合比設計，并采用7個不同粉膠比水平混合料進行高溫穩定性、低溫穩定性及水穩定性等路用性能指標試驗，分別根據粉膠比對各性能指標的影響，確定滿足路用性能指標的最佳粉膠比范圍。

關鍵詞：道路工程;粉膠比;路用性能;瀝青混合料

中圖分類號：U416.217A050164

0 引言

瀝青混凝土路面由于直接與行車荷載、外界水、溫環境等直接接觸，其路用性能的優劣直接決定著面層各結構層使用壽命。作為典型的粘彈性材料，瀝青膠漿具有較礦物級配不同的力學特性[1，2]。粉膠比作為瀝青膠漿的重要表征指標，表示礦粉與瀝青之間的相對比例，其在混合料三級空間網狀結構分散體系中起到重要作用。近年來已有較多學者對其進行了廣泛研究，但大部分研究均偏向于粉膠比對瀝青膠漿性能影響[3-10]。而由于混合料研究因素的復雜性，上述研究均未能較好地將粉膠比對膠漿性能與混合料路用性能影響進行關聯分析，為此本文直接將粉膠比與混合料路用性能進行關聯分析，以期望能闡明粉膠比對路用性能的影響規律，為混合料配合比設計提供有效參考。

首先選定某級配混合料進行配合比設計，然后擬采用7個不同粉膠比水平混合料進行各項路用性能指標試驗，分別根據粉膠比對各性能指標影響確定最佳粉膠比，最后綜合分析確定滿足路用性能指標的最佳粉膠比范圍。

1 試驗設計

比較瀝青路面各結構層級配類型，目前高等級公路上面層一般采用SMA類級配，中下面層一般采用AC類級配?？紤]SMA類級配具有礦粉摻量大的特點，若選取SMA類級配進行研究不具備普適性，因此應選取中下面層常用的AC類級配為研究對象。又由于下面層路用性能要求相對較低，為此選取中面層常用中粒式密級配瀝青混合料AC-16進行試驗設計。然后采用不同水平粉膠比分別進行各項路用性能試驗，依據粉膠比對各性能指標的影響規律確定適宜于瀝青混合料的最佳粉膠比摻量，進而為道路工作者配合比設計工作提供理論參考。

其中，上述不同水平粉膠比為：0.8～1.4、摻量間隔為0.1，共7個摻量水平。為減小混合料級配對路用性能的影響，進行粉膠比摻量變化時，適當調整各檔集料比例，以保證混合料級配尤其是0.075 mm通過率不發生較大改變。

1.1 級配設計

為實現目標配合比精準控制及便于保證不同粉膠比下級配一致性的調整需要，采用單檔集料進行配合比設計試驗。其中，粗集料采用4.75～19.0 mm各單檔石灰巖粗集料，細集料采用粒徑規格為0～2.36 mm、2.36～4.75 mm優質石灰巖機制砂，礦粉采用石灰巖研磨礦粉。瀝青采用東海牌AH-70#基質瀝青。各原材料均滿足現行規范要求，混合料配合比設計如表1所示。

1.2 最佳油石比計算

馬歇爾試驗結果如表2所示。

最佳油石比計算如下：

根據規范確定：OAC1=4.675%;根據規范規定各指標范圍確定OACmin=4.3%，OACmax=4.8%，計算得到OAC2=4.55%;故最佳油石比取均值計算為4.6%。

2 路用性能分析

2.1 高溫穩定性

選取上述7個水平粉膠比制備瀝青混合料車轍試件，采用標準車轍試件（300 mm×300 mm×50 mm）進行60 ℃高溫車轍試驗，每組粉膠比混合料進行2個車轍試驗取均值。試驗結果如圖1和圖2所示。

對圖1～2分析可知：

隨著粉膠比增大，動穩定度與車轍深度分別呈現明顯“凸型”與“凹形”變化規律：車轍試件動穩定度先增大后減小、車轍深度先減小后增大，即混合料高溫穩定性先增強再逐漸減弱。其中，當粉膠比為1.2時高溫穩定性達到最佳。這是由于在混合料級配未發生變化條件下，混合料高溫穩定性主要受瀝青膠漿性能影響。在粉膠比較低時，瀝青膠漿中自由瀝青與同礦粉混合的結構瀝青同時存在，礦粉的加入使得結構瀝青較自由瀝青具有一定的“加筋”作用，使得瀝青膠漿粘聚性增強，因而具有較好的抗高溫變形性能。隨著粉膠比摻量繼續增加，瀝青膠漿中瀝青已不足以完全裹覆礦粉全部形成結構瀝青，導致多余礦粉“游離”于瀝青膠漿內部，降低了膠漿粘聚性，進而引起高溫穩定性逐漸下降。因此配合比設計時，一定范圍內可通過增加礦粉用量提高粉膠比進而提高混合料高溫穩定性，但不能通過單獨增加礦粉用量持續增強混合料高溫穩定性。因此在油石比一定條件下，宜控制0.075 mm通過率在一定限制范圍內。根據以上試驗結果，粉膠比在1.1～1.3范圍之外時，混合料動穩定度接近規范最小限值1 000次/min，存在不滿足要求風險。因此為保證混合料高溫穩定性，粉膠比宜控制在1.1～1.3。

2.2 低溫穩定性

選取上述7個水平粉膠比制備標準小梁試件，將試件于-10 ℃環境中低溫處理45 min后進行小梁彎曲試驗，加載速率選取50 mm/min每組粉膠比小梁進行2個小梁彎曲試驗取均值。試驗結果如圖3～5所示。

對圖3～4分析可知：

（1）隨著粉膠比增大，小梁試件-10 ℃抗彎拉強度、抗彎拉應變均呈現“凸型”變化，表明在粉膠比增大初期，混合料低溫穩定性逐漸加強;粉膠比繼續增大，-10 ℃抗彎拉強度、抗彎拉應變逐漸下降，且抗彎拉應變相較抗彎拉強度減小幅度更加顯著。不同的是，抗彎拉強度、抗彎拉應變最大值分別出現在粉膠比為1.1和1.0時。這是由于隨著粉膠比增大，礦粉與瀝青組合成瀝青膠漿體系，密集的空間網狀結構增強了瀝青的低溫力學穩定性，提高了混合料低溫穩定性。粉膠比繼續增大，礦粉不足以全部被瀝青裹覆形成有效的瀝青膠漿，多余的礦粉并不具備較好的力學穩定性，導致混合料低溫穩定性降低。