關(guān)鍵詞：道路工程 | 高模量瀝青混合料 | 礦料級(jí)配 | 力學(xué)性能 | 動(dòng)態(tài)模量 | 疲勞性能

瀝青混合料由礦料與瀝青兩種材料組成，礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料性能的影響不言而喻。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于礦料級(jí)配設(shè)計(jì)理論的研究較多，如zui大密度線(xiàn)理論、粒子干涉理論、計(jì)算法、骨架嵌擠理論、體積設(shè)計(jì)法等，但這些理論本質(zhì)上是相通或類(lèi)似的，即只有zui大程度的減小粒子干涉效應(yīng)才能達(dá)到zui大密度，才能形成穩(wěn)定的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。

相對(duì)于目前常用的各種瀝青混合料而言，EME在更大的程度上依靠瀝青膠結(jié)料來(lái)提高強(qiáng)度和性能，多采用低針入度的硬質(zhì)瀝青或在混合料中加入外摻劑。正因?yàn)闉r青的性能發(fā)生了顯著改變，因此EME對(duì)級(jí)配的要求相對(duì)寬松。本文采用針入度為30(0.1mm)的低標(biāo)號(hào)瀝青，對(duì)比了國(guó)內(nèi)常用的幾種典型級(jí)配混合料的力學(xué)性能，分析礦料級(jí)配對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量和抗疲勞性能的影響。

礦料級(jí)配

EME級(jí)配要求

法國(guó)EME更傾向于采用連續(xù)級(jí)配，且要求在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下為光滑的曲線(xiàn)，但其標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有對(duì)瀝青混合料礦料級(jí)配曲線(xiàn)(顆粒分布曲線(xiàn))的規(guī)定，僅對(duì)0. 063mm、2mm、4mm及6mm篩孔的通過(guò)率進(jìn)行了規(guī)定。這些規(guī)定并不能直接用于我國(guó)現(xiàn)行的瀝青混合料設(shè)計(jì)體系中。我國(guó)規(guī)范中集料公稱(chēng)zui大粒徑(NMPS)指集料可能全部通過(guò)或允許有少量不通過(guò)(篩余≤10%)的zui小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸，通常比集料zui大粒徑小一個(gè)粒級(jí)；法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中采用的集料zui大粒徑D指滿(mǎn)足2D尺寸篩孔的集料通過(guò)率為100%，1.4D尺寸篩孔集料通過(guò)率為98%~100%，D尺寸篩孔集料通過(guò)率為85%～98%的篩孔尺寸。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中EME的關(guān)鍵篩孔通過(guò)率范圍見(jiàn)表1。

從表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)建議的EME級(jí)配控制范圍較我國(guó)規(guī)范更窄一些，關(guān)鍵篩孔目標(biāo)通過(guò)率較我國(guó)常用的控制值高，也就是說(shuō)法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)高模量瀝青混合料所采用的礦料級(jí)配總體上偏細(xì)。圖1為法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中EME20級(jí)配控制范圍與我國(guó)規(guī)范中AC20瀝青混合料級(jí)配范圍中值曲線(xiàn)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線(xiàn)下的對(duì)比，其中AC20級(jí)配各篩孔的中值通過(guò)率按照內(nèi)插法換算到法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩孔體系下。從圖中可以看出，我國(guó)規(guī)范所采用的級(jí)配與法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)控制的級(jí)配存在較大區(qū)別，同時(shí)我國(guó)規(guī)范中的級(jí)配控制范圍中值在對(duì)數(shù)坐標(biāo)體系下存在駝峰，與法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)光滑級(jí)配曲線(xiàn)的要求相悖。

典型礦料級(jí)配

選取的4種典型級(jí)配，包括河北GTM試驗(yàn)方法采用的級(jí)配、superpave級(jí)配、SAC級(jí)配及采用貝雷法設(shè)計(jì)的礦料級(jí)配，集料zui大公稱(chēng)粒徑均為20mm。其中，貝雷法設(shè)計(jì)的級(jí)配無(wú)級(jí)配范圍的概念，因此先將前3種級(jí)配的級(jí)配范圍繪制在一起進(jìn)行對(duì)比，其中SAC20級(jí)配的上限及下限分別取其級(jí)配中4.75mm篩孔通過(guò)率為40%及30%的級(jí)配曲線(xiàn)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可見(jiàn)，GTM20與SUP20級(jí)配范圍的差異較小，兩者的上限除1.18mm、0.6mm及0.075mm篩孔的通過(guò)率存在2%~3%的差別外，其它各篩孔通過(guò)率zui大相差1%，而兩者的級(jí)配范圍下限除19.0mm篩孔通過(guò)率存在5%的差別外，其它各篩孔的通過(guò)率相差均在1%~2%，但在0.3mm及以下篩孔，GTM20級(jí)配要求的通過(guò)均高于SUP20級(jí)配2%。總體而言，兩者級(jí)配范圍相差較大的點(diǎn)出現(xiàn)在19.0mm篩孔及super-pave級(jí)配范圍的限制區(qū)內(nèi)。

SAC20的級(jí)配范圍與GTM20及SUP20相比則存在顯著不同。首先，其上下限之間的范圍相對(duì)較小，特別是其上下限端部?jī)珊Y孔的通過(guò)率相等，使得其整個(gè)級(jí)配范圍形成閉合;其次，SAC20的級(jí)配整體更粗一些，尤其在9.5mm及以下篩孔，其上限靠近GTM及SUP級(jí)配的中值及下限，而其下限在2.36~9.5mm篩孔范圍內(nèi)均在GTM及SUP級(jí)配范圍的下限之外，但下限的兩端又均在另外兩者的范圍之內(nèi)?？傮w而言，SAC級(jí)配的中間部分篩孔偏粗，而較大篩孔部分偏細(xì)，較細(xì)篩孔部分通過(guò)率適中。

在上述級(jí)配范圍的基礎(chǔ)上，結(jié)合各級(jí)配的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和所采用集料的具體情況，分別確定了EME20、GTM20、SUP20及SAC20的級(jí)配曲線(xiàn)，另外采用貝雷法確定了BAL20級(jí)配曲線(xiàn)，5條級(jí)配曲線(xiàn)的對(duì)比見(jiàn)圖3。

從圖中可見(jiàn)，5條級(jí)配曲線(xiàn)的主要區(qū)別在于中間篩孔的通過(guò)率不同，相比之下，5種級(jí)配由細(xì)到粗的排序?yàn)镋ME→GTM→SUP→BAL→SAC，相應(yīng)的4.75mm篩孔的通過(guò)率由大到小分別為52.8%、44.5%、41.2%、37.5%及35.4%，粗集料含量zui大差值為17.4%。

表2為EME20及4種典型級(jí)配各篩孔的質(zhì)量通過(guò)百分率，從數(shù)值上看，GTM、SUP、SAC及BAL4種級(jí)配0.075mm篩孔的通過(guò)率基本相當(dāng)，zui大差值為0.6%，而EME級(jí)配0.075mm篩孔的通過(guò)率較高，達(dá)到7.3%，5種級(jí)配2.36~4.75mm檔集料的含量分別為19.1%，13.3%、12.5%、9.6%及11.5%，zui大差值為9.5%?？傮w上4種典型級(jí)配細(xì)集料部分的相差不是太明顯，而EME級(jí)配細(xì)集料含量稍多，在4.75mm篩孔以下明顯偏細(xì)。

試驗(yàn)結(jié)果

配合比設(shè)計(jì)

在級(jí)配確定的基礎(chǔ)上，采用30號(hào)瀝青，依據(jù)已有配合比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定混合料的油石比，EME級(jí)配的油石比為4.8%，GTM、SUP及BAL3種級(jí)配均為4.5%，SAC級(jí)配為4.2%，相應(yīng)的瀝青膜厚度分別為EME7.52μm、GTM8.39μm、SUP8.45μm、BAL8.51μm、SAC8.58μm，粉膠比分別為1.52、1.29、1.33、1.31及1.36。

確定配合比后，制備1500px×1000px×325px的大塊試件，切割為上底寬25mm、下底寬70mm、高250mm、厚25mm的梯形試件進(jìn)行試驗(yàn)，梯形試件的體積孔隙率均在2%～3%，無(wú)顯著差異。

動(dòng)態(tài)模量

參照EN12697－26中梯形試件兩點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量測(cè)試，測(cè)試的溫度為15℃，共采用40Hz、30Hz、20Hz、10Hz等4個(gè)加載頻率，采用4個(gè)試件進(jìn)行平行試驗(yàn)。不同頻率下的模量及相位角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、圖4、圖5所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，級(jí)配對(duì)混合料的模量有一定影響，EME及GTM級(jí)配混合料的模量相對(duì)于其它3種級(jí)配較高，平均提高約8%；而superpave、SAC及貝雷法3種級(jí)配混合料的模量相差不大，均在同一水平，相比之下采用較小油石比的SAC級(jí)配混合料模量略高。整體上從級(jí)配分析可見(jiàn)，級(jí)配組成中細(xì)集料含量高有利于提高混合料的彎拉動(dòng)態(tài)模量，這可能與偏細(xì)的級(jí)配具有相對(duì)較大的比表面積有關(guān)。EME級(jí)配的模量略低于GTM級(jí)配或與其瀝青膜厚度較小有關(guān)。

從相位角的對(duì)比上看，EME、GTM與SAC級(jí)配混合料在不同頻率下的相位角基本一致，而superpave級(jí)配混合料與貝雷法級(jí)配混合料在不同頻率下的相位角基本一致，說(shuō)明相應(yīng)級(jí)配混合料的粘彈特性比較接近。

疲勞性能

參照EN12697-24中梯形試件兩點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)方法進(jìn)行疲勞性能測(cè)試，梯形試件尺寸與模量測(cè)試采用的試件尺寸相同。疲勞試驗(yàn)的溫度為10℃，采用25Hz的加載頻率。疲勞試驗(yàn)的失效標(biāo)準(zhǔn)為初始模量衰減50%。每種級(jí)配均采用3個(gè)應(yīng)變控制水平，每水平6個(gè)平行試件，不同級(jí)配混合料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所示。

從表4疲勞試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，依然是級(jí)配越連續(xù)、細(xì)集料含量越多的混合料抗疲勞性能越好，其中在130με水平下，GTM級(jí)配混合料的疲勞壽命達(dá)到SAC及貝雷級(jí)配的2倍以上，較superpave級(jí)配提高25%以上，而EME級(jí)配混合料雖然瀝青膜厚度小于GTM級(jí)配，但其細(xì)集料含量相對(duì)更高，因此疲勞壽命較GTM級(jí)配仍提高近40%，這或與其比表面積更大有關(guān)。

圖6、圖7分別為5種混合料疲勞曲線(xiàn)及130με水平下加載力的衰減曲線(xiàn)，從加載力的衰減曲線(xiàn)看，連續(xù)性越好、細(xì)集料含量越多，疲勞加載過(guò)程中平穩(wěn)階段的加載力(模量)衰減速率也越小，平穩(wěn)階段相對(duì)越長(zhǎng)。

結(jié)論

本文中5種級(jí)配混合料的兩點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量及疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)相同瀝青用量條件下級(jí)配越連續(xù)、細(xì)集料含量越多越有利于提高混合料的兩點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量及抗疲勞性能。

(2)級(jí)配對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響程度總體上并不顯著，在瀝青及用量不變的條件下，調(diào)整級(jí)配對(duì)混合料模量的影響程度不超過(guò)10%。

(3)調(diào)整級(jí)配，增加細(xì)集料的用量可顯著提高混合料的疲勞壽命，提高幅度在20%以上。

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