基于矿料最紧密状态的硬质沥青混合料材料组成设计及工程应用

时间：2024-08-31

范宝庆

（河北路桥集团有限公司，河北石家庄 050011）

0 引言

北京长安街的公交车道是城市道路中典型的重载交通路面，2006年、2007年和2008年交通运输部公路科学研究院的调查数据表明：长安街公交车道日交通量处于125000～160000辆之间，轮胎接地压强均在0.96～1.0MPa。2009年7月前，长安街旧公交车道停车港湾路段以车辙、坑槽为主要病害形式，南侧公交车道车辙最严重的路段为复兴门～国贸桥，公交车道的平均车辙深度为10mm以上，最大值为33.59mm；北侧公交车道车辙最严重的路段为新兴桥～建国门桥，平均车辙深度约为10mm，最大值为33.85mm。北京市公联公路联络线有限责任公司等在2009年7月对长安街进行了罩面大修，其中在公交车道结构补强方案中采用低标号硬质沥青混凝土作为实施的方案之一，以提高路面的抗重载变形性能，这在北京还是第一次[1]。

关于低标号硬质沥青混凝土的应用技术[2]，法国、英国、比利时、保加利亚、波特兰、斯洛文尼亚和巴西等国先后进行了系统深入的研究，其中以法国LCPC 实验室Jean－Pierre 等人、英国TRL 的Nunn、Smith等人研究较为系统深入，先后对高模量沥青混凝土的材料组成设计、路用性能、施工工艺以及试验段性能监测等方面内容进行了研究。试验研究采用的手段与方法主要有两种[3]：一是法国LCPC 实验室采用的系列试验设备及方法，如Duriez －LCPC method，LCPC wheel tracking machine，LCPC MAER machine 和LCPC fatigue test；二是采用NBN EN 的试验方法及设备，如12697－22车辙试验方法、NBN EN 12697－23水稳定性试验方、NBN EN 12697－26模量试验方法和NBN EN 12697－24疲劳试验方法等。试验结果均表明其性能优良，具有较好的承载能力和抗永久变形能力。法国、比利时等地的实体工程结果也表明，低标号硬质沥青混凝土用作重载交通道路的承重层，具有优秀的抗车辙能力，并可延长公路使用寿命，节约养护维修费用。

但值得指出的是，国外采用富油系数对硬质沥青混合料进行分类和材料组成设计，混合料最大工程粒径通常为14mm或10mm，且国外筛孔尺寸与国内标准方孔筛尺寸存在一定差异。因此，不能完全照搬国外的材料组成设计方法，必须考虑我国公路工程实际情况，进行硬质沥青及其混合料的应用。

本文正是基于此，针对长安街大修基层用ATB—25型矿料级配及原材料，采用矿料最紧密状态对应的油石比作为最佳油石比，并对其进行了室内路用性能验证和实体工程实践，结果表明，该方法可行且效果良好。

1 矿料最紧密状态法设计原理

对于一种固定矿料和级配的沥青混合料，在某一标准的压实功作用下（如马歇尔击实75次／面或者旋转碾压100次），在油石比不断变化过程中，混合料应存在且唯一存在一种最紧密状态，即当混合料的油石比较小时，混合料中的矿料之间存在一种排列状态；随着油石比逐渐增加，沥青在矿料间润滑作用逐渐增加，导致矿料间的排列状态越来越紧密，进而出现一个最为紧密的状态；但随着沥青进一步的添加，矿料中自由沥青偏多，导致矿料间的紧密状态被逐渐撑开。矿料结构被撑开之前的状态为混合料的最紧密状态，此时对应的油石比为混合料最紧密状态下的最佳油石比[4]。

采用混合料的矿料间隙率或者混合料的干密度等指标可以准确评价在不同油石比下混合料紧密状态的变化规律，以及最终得到混合料的最紧密状态，并以此得到混合料相应的最佳油石比。

这两个参数具体的表达形式依次如下：

式中：VMA——矿料间隙率；

Gm——试件毛体积密度；

Gm,s——试件中全部矿料的毛体积密度；

ω0——试件的油石比。

式中：Gg,m——混合料试件的矿料干密度。

对于某一种固定级配的沥青混合料，粗集料的毛体积密度Gb,ca、矿料毛体积密度Gm,s都相对固定，因此，在计算VMA和混合料的矿料干密度（简称干密度）参数时，可以认为是常数。

采用二次曲线模型回归分析沥青混合料的矿料间隙率和干密度随油石比变化的规律，采用二次曲线函数来拟合各项体积指标与油石比的相关关系，主要是由于：a）二次曲线具有极值唯一的特点，且极值点的物理意义明确；b）反复尝试证明二次曲线拟合的相关系数普遍较高。根据二次曲线的极值特性，可以得到混合料矿料间隙率的最小值和混合料干密度的最大值。这些最小值和最大值的物理意义就是混合料在这种压实条件下的最紧密状态，并以此确定混合料的最佳油石比。从理论上讲，这两个极值对应的混合料油石比应该完全相等，但在试验过程中，由于试验误差，这两个极值对应的油石比可能存在一定的误差。为此，采用这两个油石比的平均值作为混合料在最紧密状态下的最佳油石比，见式（3）。

式中：ACopt——混合料最紧密状态下的最佳油石比；

ACG,ACVMA——混合料干密度最大和混合料矿料间隙最小时所对应的油石比。

2 试验方法及材料

2.1 试验方法

沥青混合料配合比设计用试件采用意大利controls旋转压实仪成型，旋转压应力600kPa，旋转角度1.25°，转速30r／min。旋转压实最大次数为100次，成型温度150℃。

高温稳定性能评价按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052—2000）T0719—1993执行，试件尺寸为300mm×300mm×100mm，试验温度为60℃。车辙试件采用最佳油石比及其对应的旋转压实试件体密度的98%计算材料用量。

水稳定性能采用冻融劈裂强度比来评价，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052—2000）T0729—2000执行，试件采用旋转压实方法成型，采用高度控制模式，尺寸为直径150mm、高度95.3mm的圆柱体。

低温性能采用-10℃小梁弯曲、-10℃中梁弯曲和低温约束冻断试验来评价，其中低温弯曲试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052—2000）T0715—2000执行，加载速率50mm／min，小梁试件尺寸长250mm，宽30mm，高35mm；中梁试件尺寸长380mm，宽51mm，高64mm。低温约束冻断试验按照AASHTO TSRST：TP10—93执行，冻断试件尺寸为长220mm，宽50mm，高50mm，降温速率为10℃／h。

疲劳性能按照EN 12697—24方法执行，疲劳试件尺寸为长380mm，宽51mm，高64mm，采用常应力三分点加载模式，荷载加载频率10Hz，试验温度为10℃[6]。

水稳定性、低温性能和疲劳性能评价采用的试验设备均为万能材料试验机UTM—100。本试验梁式试件均采用轮碾成型，圆柱体试件均采用旋转压实高度控制模式成型，并采用沥青混合料切割机制成各试验用试件的尺寸。各试件均采用最佳油石比及其对应的旋转压实试件体密度的98%计算材料用量。

2.2 材料[8]

本工程用硬质沥青为中海油气开发利用公司采用氧化工艺生产的AH—30硬质沥青。其质量检测结果如表1所示.

表1 AH—30硬质沥青质量检测结果

从试验结果明显可见，30#沥青的低温延度明显偏低，延度不满足规范要求。从国外有关用于高模量沥青混凝土的低标号沥青指标（欧洲标准）可见，多数规范均没有提出延度的指标要求。

本工程采用河北唐山产石灰岩质粗集料、细集料和矿粉，相关的密度试验结果见表5和表6。矿料密度检测方法根据现行《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）执行，矿料按照标准筛筛分成单档集料进行密度检测，其中粒径为2.36mm以上的集料按照网篮法T0304—2005测试毛体积相对密度和表观相对密度；0.6mm、1.18mm档细集料按照坍落筒法T0330—2005测试毛体积密度，按照T0328—2005 测试表观密度，0.3mm、0.15mm、0.075mm及矿粉密度测试采用李氏比重瓶法测定表观密度。

表2 各档矿料料密度

2.3 矿料级配

本次试验采用的矿料级配如表3所示。

表3 矿料级配

3 试验结果及分析

3.1 基于矿料最紧密状态法确定油石比

按照上述试验方法进行旋转压实，并分别采用T0705和T0711 进行旋转压实试件的毛体积密度测定及其混合料最大理论相对密度的测定，结果如表4、图1和图2所示。

表4 旋转压实试件体积参数试验结果

图1 矿料干密度与油石比关系曲线

图2 矿料间隙率与油石比关系曲线

由表4、图1和图2可知，矿料干密度最大值和矿料间隙率最小值对应的油石比分别为3.48%和3.47%，即矿料最紧密状态对应的油石比为两者均值——3.5%，此时，对应的空隙率为3.2%（规范要求为3%～5%），矿料间隙率为11.1%（规范要求大于11%），沥青饱和度为71.3%（规范要求为55%～70%）。值得注意的是，除沥青饱和度超出沥青路面施工技术规范中对于ATB—25的技术要求外，其余技术指标均满足规范要求。

本次试验以矿料最紧密状态对应的油石比（3.5%）为最佳油石比，进行路用性能和模量等参数验证，最佳油石比对应的旋转压实试件毛体积密度为2.5622g／cm3，试件体密度为2.4597g／cm3。

3.2 路用性能验证试验结果

按照上述试验方法，进行硬质沥青混合料和改性沥青混合料的高温车辙试验、冻融劈裂试验、小梁低温弯曲试验、中梁低温弯曲试验、低温约束冻断试验和疲劳试验，其中，改性沥青混合料的沥青采用北京地区常用的SBS改性沥青Ⅰ—C，粗细集料、矿粉及矿料级配、油石比及成型时的密度均与硬质沥青混合料相同。试验结果汇总如表5和表6所示[8]。

表5 路用性能评价试验结果

表6 沥青混合料疲劳试验结果

图3 常应力控制模式下的疲劳方程

由路用性能验证结果可知，在其他条件相同条件下，硬质沥青混合料与改性沥青混合料相比，高温性能、水稳性能与改性沥青混合料基本相当；低温性能略有降低，降低幅值在2%以内；在各应力水平下的疲劳性能都相对较高。

ATB—25最大公称粒径为26.5mm，小梁试件尺寸宽30mm、高35m，采用小梁试件进行低温弯曲时，受尺寸因素影响较大，小梁弯拉应变数值较小，不满足设计要求；但当采用中梁试件（宽51mm、高64mm）时，弯拉应变数值得到明显提高。说明在评价集料公称粒径较大的沥青混合料低温弯拉应变时，宜适当考虑试件的尺寸效应。

4 工程应用情况

在以上试验结果基础上，于2009年6月进行了长安街复兴门—建国门段公交车道停车港湾的基层硬质沥青混合料铺筑，铺装厚度为8～12cm，各档集料比例为20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm：矿粉=50∶8∶10∶28∶4，油石比为3.5%[8]。

施工参数[9]分述如下：石料加热温度190～210℃；硬质沥青加热温度165 ～170℃；出料温度170 ～185℃；摊铺温度不低于160℃；摊铺速度1～3m／min；松铺系数1.17。

施工碾压工艺为：初压温度155℃以上，重胶轮2遍，速度3km／h；复压温度140℃以上，双钢轮振动压路机，采用“高频、高振”的模式，5～6遍（前进、后退均开振），速度4～5km／h；终压温度不低于90℃，双钢轮压路机，静碾压至无轮迹，速度6～8 km／h。

截止2012年10月，经过3个寒暑的考验，硬质沥青混合料补强基层处的公交车道停靠港湾处路面无明显车辙和开裂现象。据2009年交通运输部公路科学研究院的调查报告[1]统计：长安街公交车日交通量在125000～160000辆之间，轮胎接地压强在0.96～1.0MPa之间，交通荷载繁重。由此可见，采用矿料最紧密状态法进行硬质沥青混合料油石比设计是可行的，有利于提高路面结构的抗重载性能。