小粒径骨架密实型沥青混凝土设计与性能评估

小粒径骨架密实型沥青混凝土设计与性能评估

杜西江 徐良

中交一公局第五工程有限公司

摘要：本文开展小粒径断级配骨架密实型沥青混凝土级配设计，通过室内试验研究结构的高温、低温和水稳性能，并对常见的密实型沥青混凝土性能开展对比。研究结果表明断级配骨架密实型结构具有优良的路用性能，部分指标优于传统结构性能，为沥青路面中、上面层材料的选择提供优良方案，有效提高结构力学性能与耐久性。

关键词：沥青混凝土；断级配；骨架密实结构；路用性能

中图分类号：U416.217 文献标识码：A

0引言

沥青混凝土是我国公路交通基础设施的常用建筑材料，沥青混凝土路面结构对社会经济的健康发展提供了坚实基础。沥青混凝土的级配设计对其力学性能具有重要影响，目前常见的级配类型以悬浮密实、骨架空隙及骨架密实为主，其中骨架密实结构由于具备较好的高温、低温性能而得到广泛应用^[1-2]。目前SMA、OGFC等均采用断级配骨架结构，通过增加粗集料比例提高抗滑与高温性能^[3-4]，但高比例的粗集料对沥青混凝土的疲劳性能和密水性均有不利影响。本研究拟设计小粒径断级配骨架密实型级配结构，其本质为以优化粗集料颗粒点支撑稳定性为基础，提出与SMA混凝土具有路用性能相似性，同时具备较好密水性能的沥青混凝土结构。研究通过试验分析了高温、低温与水稳定性等多种路用性能指标，以期提出适用于道路中、上面层应用的沥青混凝土结构。

1配合比设计

1.1 原材料基本性质

矿质集料是沥青混凝土的重要组成部分，为保证混凝土结构的力学性能，本研究选用坚硬、耐磨的玄武岩集料，集料颗粒的公称最大粒径选为9.5mm，以提高其密水性能，表1列出了本研究所用玄武岩集料颗粒的基本性能。

表1玄武岩矿质集料颗粒基本性能

沥青材料选用SBS改性沥青，所用材料的主要性能指标列于表2所示。

表2 SBS改性沥青性能指标

1.2 级配设计

粗集料颗粒的多点支撑设计法是以体积参数为主要指标的设计方法^[5]，其假设压实后的沥青混凝土中，粒径大于4.75mm的粗集料构成骨架结构，其结构特征与粗集料颗粒紧密堆积类似，细集料和填料完全填充在骨架间隙VCA中，填充后的空隙率为VMA，而VMA中不包含沥青的部分则为空隙率VV，如式（1）所示。

（1）

式中：G为粗集料颗粒比例，%；g为细集料颗粒和填料比例，%；_g为细集料和填料混合后的密度，g/cm³；_s为粗集料的紧密堆积密度，g/cm³；VCA为粗集料紧密堆积状态下的空隙率，%；VMA为矿料间隙率，%；P_a为混合料的油石比，%；

_a为沥青的密度，g/cm³；VV为沥青混合料的空隙率，%。

对于粗集料颗粒，多点支撑骨架结构粗颗粒D应占的体积百分率如式（2）所示。

_（2）

式中：V₀为堆积密度/表观密度；D为粗颗粒的直径；d为细颗粒直径。

对于细集料和填料，可依据最大密实度填充理论，按式（3）进行计算。

（3）

式中：P_i为粒径为d_i的通过百分率，%；D为细集料混合料中的最大粒径；n为试验指数，建议在0.20~0.45范围内取值。

根据上述理论，本研究得到n=0.30时，粗集料颗粒与细集料颗粒用量，如表3所示。沥青混凝土合成级配曲线如图1所示，为进行对比，本文同时列出SMA-10结构的级配曲线。

表3粗、细集料比例及油石比计算结果

图1合成级配曲线

由图1可知，本文设计的级配与SMA级配结构均具有明显的断级配特征，为了防止出现混凝土析漏损失，试验中参加0.5%的木质素纤维。采用马歇尔试验确定沥青混凝土结构的最佳油石比为6.56%，对照组SMA-10的最佳油石比为6.4%。

2沥青混凝土结构力学性能研究

2.1 高温变形性能

本节测试设计结构的高温稳定性能，采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2019）^[6]中规定的“沥青混合料车辙试验”（T0719-2011）开展测试，车辙板试件为300mm300mm50mm，试验结果如表4所示。

表4高温车辙试验结果（60℃）

由表4数据可知，本文设计结构具有较好的抗高温变形性能，与骨架密实结构SMA-10相比，其60min累计变形与动稳定度指标有所提高，同时孔隙率更小，表明其具备更好的密水性能。

2.2 低温弯曲试验

本节采用小梁弯曲试验来评价结构低温性能，主要指标是试件破坏时的抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量。试验样品为250mm×30mm×35mm的小梁试件，加载设备采用UTM-25型试验机，小梁三点弯曲跨径为200mm，试验温度设定为-10℃，结果如表5所示。

表5低温弯曲试验结果

由表5可知，本文设计结构具有良好的抗弯拉性能，其抗弯拉强度大于SMA-10的10.31MPa；但最大弯拉应变相对于SMA-10有所降低，低温条件下的变形能力变弱。其原因为在沥青混凝土低温弯曲破坏过程中，裂缝的传播和扩散过程中集料颗粒越大，则裂缝延伸速率加快，破坏应变减小。此外，本文设计结构的弯曲劲度模量相对于SMA-10有所增加，低温脆性有所加重。

2.3 水稳定性试验

本研究采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中规定的“浸水马歇尔试验”（T0709-2011）和“冻融劈裂试验”（T0729-2000）来评价设计结构的水稳定性。操作过程参照规范要求进行，试验结果如表6所示。

表6冻融劈裂和浸水马歇尔试验结果

由表6可知，设计结构的残留稳定度和TSR均满足规范要求，与改性沥青SMA-10相当，说明该结构具有良好的水稳定性。试件的残留稳定度和TSR低于SMA-10，可见，设计结构虽然和SMA-10的孔隙率均较小，但在设计结构内部可能存在更多的贯穿通道，出现水损伤的影响相对较大。

2.4抗滑性能试验

本文所设计的级配结构最大公称粒径为9.5mm，因此有必要对其抗滑性能开展试验研究，试件为成型的车辙板试件，利用摆式摩擦仪测量摆值量化不同结构表面的抗滑性能，并采用铺砂法测量构造深度MTD，试验结果如表7所示。

表7抗滑性能试验结果

由表7数据可知，本文设计级配结构的BPN和构造深度均满足抗滑性能要求，同时略微优于SMA-10结构。分析原因，主要得益于4.75mm粒径粗集料的含量相较SMA结构有所提高，因此具备更好的构造深度，而BPN指标主要与混凝土结构表面的宏观粗糙度有关，受到集料颗粒表面微观形貌影响，因此采用相同矿质集料颗粒的差异较小。

3 结论

本文开展了小粒径骨架密实型沥青混凝土的级配设计，并进行高温、低温和水稳等路用性能试验，同时对比了SMA-10的相关性能，主要研究结论如下。

（1）基于多点支撑设计法的结构属于断级配结构，其结构特征与SMA具有较好的相似性，但在关键筛孔的通过率方面有所调整。

（2）设计结构保持了SMA-10结构优良的高温抗车辙能力，动稳定度、累积变形等指标优于改性沥青SMA-10，残留稳定度和TSR均满足规范要求，表现出良好的水稳定性。

（3）设计结构具有良好的抗弯拉性能，最大弯拉应变相对于SMA-10有所降低，低温条件下的变形能力变弱，弯曲劲度模量相对于SMA-10有所增加，低温脆性有所提高。

（4）设计结构具有较好的抗滑性能，其构造深度与摩擦系数指标满足规范要求。

参考文献

1. 佘金波. 沥青路面的抗滑性分析及OGFC抗滑表层设计[D] :[硕士学位论文]. 南京: 东南大学, 2005.

2. 刘忠根. SMA矿料级配及配合比优化设计方法[D] :[硕士学位论文]. 西安: 长安大学, 2002.

3. 邱志雄. 基于宏观轮廓的沥青路面抗滑性能试验研究[D]: [博士学位论文]. 广州: 华南理工大学, 2014.

4. 路贺伟, 张宏超, 王健, 等. 基于MMLS3的沥青混合料高温稳定性研究[J]. 建筑材料学报, 2012, 14(5): 624-629.

5. 赵永利. 沥青混合料的结构组成机理研究[D]: [博士学位论文]. 南京: 东南大学, 2005.

6. 中华人民共和国交通部. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E20-2019）[S]. 北京: 人民交通出版社, 2019.

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