【技术】离析沥青混合料配合比设计研究
离析沥青混合料配合比设计研究
付新光
平顶山市农村公路管理处 河南 平顶山 467000
摘要：本文为在室内模拟不同离析程度的沥青混合料，首先确定沥青和集料等原材料特性，再进行离析混合料的设计和成型。
关键词：离析；沥青混合料；设计研究
沥青混合料的路用性能可以反映沥青路面是否达到优良的使用性能和要求的服务寿命。目前沥青混合料的路用性能主要是针对于路面各种病害提出的，包括高温稳定性、低温抗开裂性能、水敏感性、力学特性等。路用性能不同程度上反映了沥青路面的使用状况及寿命，因此根据混合料不同的路用性能可以在获得试验结果的同时预知沥青路面的服务寿命情况。
为了定量研究发生离析的沥青混合料的性能变异情况，以及评价离析程度对性能的影响，必须在室内模拟不同程度的现场离析，进行非均匀的沥青混合料试验设计。由于发生离析的沥青混合料，其级配、沥青含量和空隙率等都发生了变化，本文在试验中选取关键筛孔通过率、沥青含量、空隙率作为控制指标并作不同程度的变化，以模拟不同离析程度的沥青混合料。
1.原材料设计
1.1集料特性参数
集料为临潼产角闪岩和石灰岩，13.2mm以上各档集料为石灰岩，其余各档集料为角闪岩，矿粉为石灰岩磨制。集料各项参数见表1，矿粉在20℃的表观密度为2.817g/cm3。
表1 集料密度数据表
|
密度g/cm3 |
集料尺寸（mm） |
||||||||||
|
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 |
|
|
毛体积相对密度γb |
2.751 |
2.776 |
2.782 |
2.755 |
2.746 |
2.771 |
—— |
—— |
—— |
—— |
—— |
|
表观相对密度γa |
2.772 |
2.800 |
2.805 |
2.813 |
2.848 |
2.826 |
2.806 |
2.809 |
2.808 |
2.808 |
2.822 |
1.2沥青材料参数
本次试验沥青采用埃索90#基质沥青，沥青的各项指标见表2。
表2 埃索90#沥青性能参数
|
评价指标 |
针入度,0.1mm |
软化点TR&B |
延度,cm |
密度,g/cm3 |
相对密度,g/cm3 |
表观粘度,Pa.s |
|||
|
15℃,100g,5s |
25℃,100g,5s |
30℃,100g,5s |
℃ |
15℃, 5cm/min |
15℃ |
25℃ |
135℃ |
175℃ |
|
|
试验结果 |
33 |
96 |
132 |
46.5 |
≥150 |
1.038 |
1.034 |
0.360 |
0.073 |
沥青的拌和以及压实温度根据沥青的粘温曲线关系确定。最后确定的沥青混合料拌和温度为165℃，压实温度为145℃。
2.无离析沥青混合料设计
本文所选用级配为在我国大面积使用的AC-20。级配设计方法根据美国的Superpave方法由控制点和限制区确定，级配曲线位于限制区下方，属于偏粗型级配，级配曲线见图1。
图1 沥青混合料AC-20S级配曲线
沥青混合料最佳油量的确定以及验证按照SUPERPAVE设计方法进行，AC-20S沥青混合料特性参数见表3。
表3 AC-20S沥青混合料特性参数
|
筛孔尺寸（mm） |
通过率（%） |
混合料特性 |
|
|
26.5 |
100 |
沥青含量（%） |
3.9 |
|
19 |
98.2 |
||
|
16 |
89.2 |
||
|
13.2 |
76.0 |
空隙率（%） |
7 |
|
9.5 |
62.2 |
||
|
4.75 |
37.0 |
||
|
2.36 |
26.7 |
最大理论相对密度（Gmm）（g/cm3） |
2.624 |
|
1.18 |
18.3 |
||
|
0.6 |
12.6 |
||
|
0.3 |
8.1 |
毛体积相对密度（Gmb）（g/cm3） |
2.441 |
|
0.15 |
5.9 |
||
|
0.075 |
5.0 |
||
3. 离析混合料设计
通过钻芯取样发现，现场路面上出现离析的沥青混合料主要是基于正常级配基础上某些筛孔通过率偏离了正常级配，其余筛孔变化不大。国内外相关研究认为，沥青混合料发生离析的程度主要与9.5mm、4.75mm和2.36mm这三个筛孔的通过率有关。
为了在室内真实的模拟现场沥青混合料的离析，根据4.75mm和9.5mm两个筛孔将混合料级配划分为A、B、C三部分。本文选取AC-20S沥青混合料，试验采用级配三部分的比例为：A:B:C=19.7：37.3：43。其中：A——4.75mm筛孔以下部分混合料；B——4.75mm~9.5mm筛孔部分混合料；C——9.5mm筛孔以上部分混合料。
同时，采用燃烧法分别获得A、B、C三档混合料的沥青含量，测得的各部分沥青含量见表4。
表4 混合料各部分沥青含量
|
混合料类型 |
沥青含量 |
|||
|
A |
B |
C |
||
|
AC-20 (A:B:C= 19.7：37.3：43) |
1 |
5.24 |
4.71 |
2.52 |
|
2 |
5.96 |
4.86 |
2.34 |
|
|
平均值 |
5.60 |
4.79 |
2.43 |
|
为了得到A、B、C各部分混合料的集料通过率信息，对燃烧后各部分混合料进行级配筛分，筛分后的通过率见表5。
表5 AC-20筛分后各部分混合料通过率
|
筛孔尺寸（mm） |
累计通过率（%） |
|||||||
|
A |
B |
C |
实际筛分级配 |
|||||
|
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
|
|
26.5 |
100.0 |
100.0 |
||||||
|
19 |
100.0 |
100.0 |
98.2 |
98.2 |
||||
|
16 |
95.8 |
95.7 |
89.0 |
89.0 |
||||
|
13.2 |
100.0 |
100.0 |
75.0 |
74.9 |
74.7 |
75.5 |
||
|
9.5 |
100.0 |
100.0 |
99.0 |
99.2 |
42.8 |
43.3 |
62.6 |
62.2 |
|
4.75 |
99.4 |
99.8 |
33.0 |
34.5 |
14.1 |
13.7 |
38.9 |
38.3 |
|
2.36 |
49.8 |
52.2 |
28.5 |
29.3 |
13.5 |
12.9 |
26.4 |
26.0 |
|
1.18 |
23.1 |
25.1 |
23.2 |
24.1 |
13.1 |
12.6 |
18.6 |
18.6 |
|
0.6 |
16.6 |
17.4 |
18.1 |
18.6 |
11.6 |
11.1 |
14.3 |
14.3 |
|
0.3 |
10.1 |
10.6 |
10.6 |
10.4 |
9.5 |
8.9 |
8.4 |
8.1 |
|
0.15 |
7.4 |
7.5 |
6.9 |
6.9 |
5.5 |
5.2 |
5.5 |
5.5 |
|
0.075 |
5.6 |
5.8 |
5.1 |
5.1 |
3.5 |
3.3 |
4.2 |
4.2 |
3.1离析级配的确定
在初步调试出级配后，按相应的比例进行混合料试验，配制不同离析程度的沥青混合料，通过燃烧法测沥青含量和级配筛分试验，进一步验证其沥青含量和关键筛孔通过率是否在要求离析标准范围之内。筛分的不同离析程度混合料级配见表6所示。
表6 AC-20离析混合料级配筛分数据
|
筛孔尺寸（mm） |
通过率（%） |
||||||||
|
无离析 |
L ** |
M |
H |
F |
|||||
|
1 |
2 |
CHG* |
3 |
CHG |
4 |
CHG |
5 |
CHG |
|
|
26.5 |
100 |
100 |
0.0 |
100 |
0.0 |
100 |
0.0 |
100 |
0.0 |
|
19 |
98.2 |
96.7 |
1.5 |
96.1 |
2.1 |
96.9 |
1.3 |
98.7 |
-0.5 |
|
16 |
89.0 |
88.0 |
1.0 |
85.3 |
3.7 |
84.1 |
4.9 |
92.8 |
-3.8 |
|
13.2 |
75.1 |
68.3 |
6.8 |
62.8 |
12.2 |
58.2 |
16.9 |
80.6 |
-5.6 |
|
9.5 |
62.4 |
53.8 |
8.6 |
45.1 |
17.3 |
35.1 |
27.4 |
71.3 |
-8.9 |
|
4.75 |
38.6 |
32.3 |
6.3 |
26.5 |
12.1 |
19.4 |
19.2 |
40.4 |
-1.7 |
|
2.36 |
26.2 |
22.2 |
4.0 |
20.4 |
5.8 |
16.3 |
9.9 |
27.0 |
-0.7 |
|
1.18 |
18.6 |
16.3 |
2.3 |
16.0 |
2.6 |
13.9 |
4.7 |
19.0 |
-0.4 |
|
0.6 |
14.3 |
12.6 |
1.7 |
12.8 |
1.5 |
11.6 |
2.7 |
14.5 |
-0.2 |
|
0.3 |
8.2 |
7.7 |
0.6 |
7.7 |
0.5 |
7.3 |
0.9 |
9.1 |
-0.8 |
|
0.15 |
5.5 |
4.9 |
0.6 |
4.9 |
0.6 |
4.8 |
0.7 |
6.2 |
-0.6 |
|
0.075 |
4.2 |
3.4 |
0.8 |
3.4 |
0.8 |
3.0 |
1.2 |
4.0 |
0.1 |
**N,L,M,H,F分别表示沥青混合料无离析、轻微离析、中等程度离析、严重离析、细集料离析。*CHG表示级配筛孔通过率与无离析级配通过率的变异差值。
3.2离析混合料沥青含量的确定方法
对不同离析程度的沥青混合料进行燃烧法实测其沥青含量，可以避免因计算带来的不准确性。本文采用HYRS-6型沥青含量测试仪测定不同离析程度沥青混合料的沥青含量。采用燃烧法实测不同离析程度的沥青混合料的沥青含量见表7。
表7 燃烧法实测离析混合料的沥青含量
|
混合料离析类型 |
沥青含量（%） |
||||
|
1 |
2 |
平均 |
CHG |
||
|
AC-20 |
无离析混合料N （A：B：C=19.7：37.3：43） |
3.92 |
3.88 |
3.90 |
0 |
|
轻微离析L （A：B：C=14：32：54） |
3.58 |
3.54 |
3.56 |
-0.34 |
|
|
中等程度离析M （A：B：C=8：26：66） |
3.23 |
3.13 |
3.18 |
-0.72 |
|
|
严重离析H （A：B：C=3：19：78） |
2.86 |
2.98 |
2.92 |
-0.98 |
|
|
细集料离析F （24：43：33） |
4.14 |
4.28 |
4.21 |
0.31 |
|
**N,L,M,H,F分别表示沥青混合料无离析、轻微离析、中等程度离析、严重离析、细集料离析。
4.离析沥青混合料试件的成型
成型试件所采用的是美国TRXOLER公司的旋转压实仪（SGC），该压实仪有两种成型模式，即按压实次数控制和按高度控制模式。现场产生离析的路面由于其级配或可压实性发生了变化，不同地方的空隙率大小并不一致。为了模拟不同离析程度的沥青混合料，若再按正常混合料的压实次数控制成型将是不合理的。因此，本文采用高度控制模式对离析混合料成型试件，通过控制试件的压实高度，模拟现场路面上不同离析程度混合料的空隙率。试验证明，本方法可以较好的控制离析试件的空隙率大小，便于后期性能试验分析。
试件采用旋转压实仪（SGC）高度控制模式，试件尺寸为150×100mm，每种离析程度成型7个试件，以便进行后续离析混合料的室内性能试验和图像分析。
5.结论
根据现场混合料的离析情况在室内设计模拟不同程度离析混合料。采用目标配合比的方法确定模拟的离析级配，参考沥青混合料的离析定量标准，在室内采用旋转压实仪（SGC）的高度控制模式模拟成型不同离析程度的混合料试件。