瀝青混合料級配對抗車轍性能的影響研究

麥榮章　杜榮耀

摘要：級配對瀝青混合料的抗車轍性有較大影響。文章采用和現場車轍深度相關性較高的漢堡車轍試驗儀，研究關鍵篩孔通過率對瀝青路面或瀝青混合料抗車轍性能的影響。研究結果表明：（1）最大公稱粒徑附近粗集料的增多并不能增加瀝青混合料的抗車轍能力，反而會使瀝青混合料的抗車轍性能降低;（2）級配4.75 mm、2.36 mm通過率的變化對瀝青混合料的馬歇爾擊實空隙率及抗車轍性能影響較大，當空隙率<4.5%時，空隙率越小，漢堡車轍室內試驗深度越大，瀝青混合料的抗車轍性能越低，而當空隙率>4.5%時，空隙率增大但漢堡車轍深度未見明顯變化;（3）瀝青混合料馬歇爾擊實空隙率和漢堡車轍深度試驗關系相關性較好，達到0.8，對抗車轍性能要求較高的瀝青混合料，建議其設計空隙率應≥4.5%。

關鍵詞：瀝青路面;抗車轍;漢堡車轍試驗;最大公稱粒徑;級配

0 引言

車轍是瀝青路面的主要病害之一，國內和國外的研究結果表明，漢堡車轍室內試驗結果和現場車轍深度相關性較高，可以較好地評價瀝青混合料及瀝青路面的抗車轍性能[1-3]。瀝青混合料級配對混合料的高溫性能、水穩定性能有顯著的影響[4]，正因為級配對混合料質量的重要性，引起了眾多公路工程工作者的重視。

吳志勇等[5]研究表明，瀝青混合料的疲勞壽命隨應變水平及公稱最大粒徑的增大而大幅減小，同時瀝青混合料的初始勁度模量隨應變水平及公稱最大粒徑的增大而減小，結果顯示最大公稱粒徑粗集料的增多使混合料疲勞壽命大幅降低;賈錦繡等[6]研究表明隨公稱最大粒徑、粗集料含量的增大，摩擦角增大，而粘聚力減小，但未明確指出最大公稱粒徑通過率對抗車轍性能的影響;劉培榮[7]設計了不同級配空隙率的高粘彈瀝青混合料，結果表明，不同級配的高粘彈瀝青混合料存在一個與其對應的合理空隙率范圍，使得其能獲得較強的抗車轍及抗水損害能力;江曉霞等[8]研究表明，隨著粒徑增大，瀝青混合料整體強度增大，粘聚力增大，其研究主要是針對20 ℃模量，但是與抗車轍能力的關系未見相關性;栗培龍[9]研究表明，對于AC-16和AC-20混合料，礦料滑移破壞荷載與混合料的粒徑沒有顯著的關系。

國內較少研究公稱最大粒徑對瀝青混合料抗車轍性能的關系，且研究結論也不盡相同。因此本研究設計不同公稱最大粒徑附近通過率的級配，通過鋪筑試驗段，采用無核密度儀采集密度，分析最大公稱粒徑附近通過率對瀝青路面均勻性的影響，并在試驗段鉆芯取樣進行漢堡車轍試驗，[JP4]分析公稱最大粒徑附近通過率對抗車轍性能的影響。同時設計4.75 mm、2.36 mm通過率的級配，分析4.75 mm、2.36 mm通過率的變化對瀝青混合料抗車轍性能的影響。采用和現場相關性較高的漢堡車轍試驗儀，通過鋪筑試驗段鉆芯取樣及成型試樣進行漢堡車轍試驗，分析關鍵篩孔通過率對瀝青路面或瀝青混合料抗車轍性能的影響，成果對指導瀝青混合料的抗車轍設計具有一定意義。

1.1 研究方案

（1）原材料

集料及瀝青檢測結果分別見表1、表2。

集料的壓碎值為19.8，由杜榮耀等[10]的研究成果可知，可以用漢堡車轍評價此集料瀝青混合料的抗車轍性能。

（2）級配設計結果

本研究依托高速公路項目，設計了三種級配，其中降低了級配三公稱最大粒徑附近的通過率，并進行了試驗段的鋪筑。試驗段鋪筑厚度為6 cm，具體的摻配比例和級配見表3和表4，三個級配的馬歇爾及車轍指標見表5。

1.2 試驗段施工工藝

試驗段攤鋪速度為2.5 m/min。試驗段的碾壓方式為膠輪緊跟鋼輪碾壓，碾壓遍數為鋼輪壓4遍，膠輪4～5遍?，F場共采用3臺鋼輪壓路機和2臺膠輪壓路機進行碾壓，膠輪壓路機和鋼輪壓路機碾壓速度為3 km/h，路面攤鋪及碾壓溫度滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）要求。

1.3 試驗條件

本研究采用的試驗儀器為美國生產的APA試驗儀[11]，可以進行漢堡車轍試驗和APA車轍試驗，采用的試驗指標參考國際常用的標準，具體試驗指標如下：

（1）試驗環境：50 ℃恒溫水浴;

（2）加載方式：鋼輪寬度為47 mm，荷重為158 LBS，輪壓約為0.7 [HTSS]MPa[HTXH];

（3）加載速度：42次/min;

（4）試驗終止條件：碾壓次數達到20 000次或車轍深度達到12.5 mm。

本研究采用150 mm的鉆頭鉆芯取樣，然后將試件切割成62 mm高度的試樣后進行漢堡車轍試驗，試驗所需時間大約為7.5 h，試驗規程詳見APA使用手冊。試驗結束后以最終車轍深度評價作為漢堡車轍試驗結果。

1.4 路用性能檢測

（1）路面空隙率檢測結果

[JP4]對鋪筑的三個級配試驗段進行壓實度檢測，并采用無核密度儀對路面的均勻性進行評價。試驗結果見表6～9。

由表6可知，級配一芯樣空隙率要大于級配二和級配三，級配三芯樣空隙率存在局部<3%的現象。

由表6～9可知：

采用無核密度儀對試驗段進行檢測發現，級配一和級配二路面空隙率有100%的空隙率位于3%～7%之間，路面空隙率分布較為均勻;級配三有94.2%的空隙率位于3%～7%之間，均勻性不如級配一和級配二，且存在局部路面空隙率偏大或偏小的現象，由此可見最大公稱粒徑附近通過率減小影響了路面的均勻性，使路面發生了一定程度的離析。

（2）漢堡車轍檢測結果

對試驗段一、試驗段二及試驗段三分別進行鉆芯取樣，鉆芯取樣的位置為行車道右輪跡，然后切割為規定高度進行漢堡車轍試驗。試驗結果見表10。

由表10可知，試驗段一的抗車轍能力最優，其次是試驗段二，最后是試驗段三，級配三試驗段的抗車轍性能最差。由此可見在其他篩孔通過率接近的情況下，最大公稱粒徑附近粗集料的增多并不能增加瀝青混合料的抗車轍能力，反而會使瀝青混合料的抗車轍性能降低。分析主要原因是雖然最大公稱附近粗集料增多了，但也造成了路面粗細離析的增加，路面的均勻性下降較多，路面空隙率關鍵指標局部偏大或偏小，影響了瀝青混合料的整體性能。級配三試驗段空隙率為3.9%，是三個試驗段中最小的空隙率，這也說明空隙率是影響瀝青路面抗車轍能力的關鍵因素。

對瀝青混合料性能影響最為關鍵的就是瀝青混合料級配4.75 mm、2.36 mm通過率，它影響瀝青混合料關鍵空隙率指標。本研究采用CAVF法[12]設計5種不同的瀝青混合料4.75 mm、2.36 mm通過率，然后成型試樣進行漢堡車轍試驗，分析關鍵篩孔通過率的變化對抗車轍性能的影響。

（1）原材料

集料檢測結果見表11，機制砂的砂當量為71。

（2）設計級配

本研究采用CAVF法設計標準級配，然后變化關鍵篩孔4.75 mm、2.36 mm通過率，研究關鍵篩孔級配變化對瀝青混合料高溫性能的影響。本次設計采用AC-13級配，共設計5條級配，油石比為4.8%，目標空隙率分別為5.0、4.5、4.0、3.5、3.0。具體的級配見表12。

根據設計級配進行馬歇爾試驗，不同級配的馬歇爾試驗結果見表13。

本次采用國內輪碾儀對5種不同的級配成型300 mm×300 mm×62 mm的方形試件，試件壓實度控制在馬歇爾擊實標準密度的100%±1%，然后使用150 mm的鉆芯機鉆芯取樣，對試樣切割后進行漢堡車轍試驗，試驗結果見表14，空隙率和漢堡車轍深度關系如圖1所示。

由表14可知，當設計空隙率<4.5%時，設計空隙率越大，漢堡車轍試驗室內車轍深度越小，漢堡車轍試驗室內車轍深度越小，則表示瀝青混合料具有越高的抗車轍性能;當空隙率>4.5%時，空隙率增大漢堡車轍深度未見明顯變化。級配4.75 mm、2.36 mm含量變化，對瀝青混合料的馬歇爾擊實空隙率和抗車轍性能有較大的影響，當其含量增加將導致瀝青混合料空隙率變小，瀝青混合料的抗車轍能力下降。瀝青混合料設計空隙率和漢堡車轍深度試驗關系相關性較好，達到0.8。

3 結語

綜合以上試驗結果和分析，得到如下結論：

（1）最大公稱粒徑附近粗集料的增多并不能增加瀝青混合料的抗車轍能力，反而會使瀝青混合料的抗車轍性能降低。分析主要原因是雖然最大公稱附近粗集料增多了，也造成了路面粗細離析的增加，路面的均勻性下降較多，路面空隙率關鍵指標局部偏大或偏小，影響了瀝青路面的整體性能。

（2）瀝青混合料設計空隙率對瀝青混合料的抗車轍性能具有重大的影響。當設計空隙率<4.5%時，空隙率越大漢堡車轍室內試驗深度越小，瀝青混合料的抗車轍性能越高;當空隙率>4.5%時，空隙率增大漢堡車轍深度未見明顯變化。級配4.75 mm、2.36 mm通過率的變化，對瀝青混合料的馬歇爾擊實空隙率和抗車轍性能有較大的影響。

（3）瀝青混合料馬歇爾擊實空隙率和漢堡車轍深度試驗關系相關性較好，達到0.8。本課題調查檢測了廣西7段高速公路[13]，現場檢測車轍深度，鉆芯280個，使用路面芯樣進行漢堡車轍試驗，結果表明路面無車轍或輕微車轍時，漢堡車轍室內試驗深度均<4 mm，因此建議對抗車轍性能要求較高的瀝青混合料，可使用CAVF法設計形成骨架結構，其設計空隙率應≥4.5%。

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[13]林有貴，杜榮耀，等.基于芯樣的漢堡車轍試驗廣西地區瀝青混合料抗車轍標準研究[R].廣西交投科技有限公司，2019.