矿料级配对沥青混合料路用性能影响的试验分析

矿料级配对沥青混合料路用性能影响的试验分析
彭浩;王福成;杨涛;艾长发
【摘要】以典型的AC-13沥青混合料为基础,通过系统室内对比试验,对5组由粗到细级配的沥青混合料的基本物理性质、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳耐久性等路用性能进行了研究.试验结果表明,级配变化对沥青混合料路用性能有直接的影响,且存在一定的规律性,总体表现为靠近规范级配中值附近其综合性能较好；不同级配类型的沥青混合料路用性能的优点表现不一样,粗级配更有利于抗高温变形的提高,细级配更有利于抗水损害、抗弯拉破坏、抗疲劳开裂等性能的提高.研究成果为沥青混合料级配选择和优化设计提供参考.
【期刊名称】《公路工程》
【年(卷),期】2013(038)002
【总页数】5页(P36-39,64)
【关键词】沥青混合料;级配;路用性能;空隙率
【作者】彭浩;王福成;杨涛;艾长发
【作者单位】西南交通大学道路工程四川省重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学道路工程四川省重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学道路工程四川省重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学道路工程四川省重点实验室,四川成都 610031
【正文语种】中文
【中图分类】U414.1
0 引言
沥青路面由于其优异的路用性能而被广泛使用，然而沥青混合料作为沥青路面的面层材料，其直接承受车辆行驶反复荷载和气候变化的作用，更由于胶结沥青具有显著的粘弹性特征，在使用过程中其性能和状态都会发生改变。

为了保证沥青路面的使用性能和使用寿命，沥青混合料应具有抗高温变形、抗低温脆裂、抗疲劳开裂、抗滑性和耐久性等路用性能［1］。

对于沥青混合料的路用性能的影响因素有很多，其中包括沥青的类型、油石比、集料的类型以及混合料的级配。

对于前3个影响
因素国内外诸多学者进行了大量的试验和理论研究［2－4］。

矿料级配类型对沥
青混合料路用性能有着重要的影响，文献［5］提出了一种新的折断级配，并对各种级配混合料的路用性能进行了全面对比分析，文献［6］通过试验对比分析了SMA—13、AC—13、AC—16、AC—20型沥青混合料的路用性能。

为研究同种类型不同级配沥青混合料的路用性能，本文以典型的AC—13沥青混合料为基础，设计了5组由粗到细的级配类型，通过系统室内对比试验，分别对其基本物理指标、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳耐久性等路用性能进行研究，分析级配型式对混合料性能的影响规律，以期为沥青混合料级配优化设计提供参考。

1 原材料性能测试
1.1 沥青
考虑到现有公路路面实际工程中的应用情况，本文试验中沥青材料选用的现有常用的SBS改性沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)［7］对其性能进行测试，其技术性能指标试验检测结果见表1。

表1 SBS改性沥青技术指标试验结果Table 1 The parameters test result of the SBS modified asphalt检测指标试验结果技术要求针入度(25 ℃，5 s，100
g)/(0.1 mm) 62.0 ≥60软化点(环球法)/℃ 70.2 ≥55延度(5 ℃，5 cm/min)/cm
38.3 ≥30运动粘度(135℃)/(Pa·s) 2.8 ≤3弹性恢复25℃/% 90.7 ≥65 RTFOT后
残留物质量变化/% ≤±1.0－0.14残留针入度比25℃/% ≥60 68.9延度5℃/cm
≥20 22.5
1.2 矿料
结合现有四川高速公路集料选用的特点，对于粗集料采用取之峨眉山的玄武岩，依照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)对其进行物理力学指标的相关测试，试验检测结果见表2。

同样对于细集料选用玄武岩机制砂，填料采用碱性石料磨细的矿粉，其各项指标均满足相关技术规范的要求。

表2 粗集料技术指标试验结果Table 2 The parameters test result of coarse aggregate技术指标测试结果技术要求压碎值/% 6.43 ≤26洛杉矶磨耗率/%
9.00 ≤28坚固性/% 1.12 ≤12表观相对密度2.944 ≥2.60水洗法＜0.075 mm颗粒含量/% 0.20 ≤1对沥青的粘附性/级5 ≥5软弱颗粒含量/% 0.31 ≤3
2 试验级配类型
试验以规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中规定的沥青混合料AC—13级配范围为基础，共取5组级配组成，其中A组为规范中给定的级配下
限值、C组为规范中给定的级配中值、E组为规范中给定的级配上限值3种代表型级配，另外B、D两组取级配下限值与级配中值的平均值和级配上限值与级配中值的平均值两种级配。

各组级配筛孔通过率见表3。

根据密级配沥青混合料AC—13的规定，级配 A、B、C 中2.36 mm 筛孔的通过率小于40%，为粗型级配，D和
E为细型级配。

5组级配曲线见图1。

通过马歇尔试验确定中值级配C沥青混合料的最佳沥青用量约为4.4%，为了便于试验结果的对比分析，5组试验中沥青混合
料的沥青用量均采用4.4%。

表3 5种级配的筛孔通过率Table 3 The gradations of five types concrete级
配通过下列筛孔尺寸(mm)的矿料质量百分率类型/%16 13.2 9.5 4.75 2.36 A 100
90 68 38 24 B 100 92 72 46 30 C 100 95 76 53 37 D 100 98 80 60 44 E 100 100 85 68 50通过下列筛孔尺寸(mm)的矿料质量百分率/%1.18 0.6 0.3 0.15
0.075 15 10 7 54 20 14 10 8 5 26 19 14 10 6 32 24 17 12 7 38 28 20 15 8
图1 5组不同级配曲线Figure 1 Grading curve of five types concrete
3 沥青混合料试验结果及分析
3.1 基本物理指标试验
根据规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，对于各组沥青混合料，采用表干法测量其毛体积相对密度，采用真空法测量其理论最大相对密度，求得的体积参数见表4。

从表4可以看出:在沥青用量一致的情况下，从级配A到级配E，沥青混合料的毛
体积相对密度rt在中值级配附近存在一个最大值，混合料的最大理论相对密度rf、空隙率VV以及间隙率VMA则依次减小。

中值级配沥青混合料由于其矿料逐级填充密实，毛体积相对密度较大;粗级配沥青混合料中由于粗集料含量较多，形成的
骨架空隙结构，导致其最大理论密度、空隙率和间隙率都较大，而沥青饱和度则较小。

表4 各组沥青混合料的体积参数Table 4 Volumetric parameter of asphalt mixture级配类型毛体积相对密度rt理论最大相对密度rf空隙率VV/%间隙率VMA/%饱和度VFA/%A 2.394 2.590 7.5 17.7 57.6 B 2.470 2.563 3.6 14.1 74.5
C 2.500 2.557 2.2 12.9 82.9
D 2.498 2.531 1.3 12.0 89.2
E 2.492 2.503 0.4
11.0 96.4
3.2 浸水马歇尔稳定度试验
进行5组不同级配的马歇尔试件的稳定度试验，用于评价老化后沥青混合料的抗
水损害能力。

测试结果见图2和图3。

图2 浸水30 min和浸水48 h的马歇尔稳定度Figure 2 Marshall stability of 30
min and 48 h Immersion Marshall Test
图3 级配类型与马歇尔残留稳定度的关系Figure 3 Relationship between gradation type and Marshall Remnant Stability
从图2可以看到从级配A到级配E，不管是浸水30 min还是浸水48 h，沥青混
合料的马歇尔稳定度先增大后减小，其中，浸水30 min时级配类型D的稳定度
最大，浸水48 h时，级配类型C的稳定度最大，两者均说明在规定级配范围内，中值附近级配沥青混合料的强度最大，细级配沥青混合料的马歇尔稳定度明显高于粗级配的，这是由于细级配沥青混合料中细集料含量较多，更容易形成密实结构，水难以渗入试件内部，难以削弱沥青与集料的粘结性。

从图3中还可以看出:中值
级配沥青混合料的残留稳定度最大，且粗级配混合料的残留稳定度高于细级配的，细级配混合料中的胶结料较多，在长时间高温及水的浸泡条件下，其粘结力下降，结构变得松散，混合料的强度损失量更大。

而粗级配沥青混合料中由于粗集料玄武岩较多，且玄武岩与沥青的粘附性较好，抗水破坏能力较强，故其残留强度较大。

3.3 冻融劈裂试验
按规范［7］要求，将成型好的马歇尔试件分成两组，一组进行冻融循环，另一组不进行冻融循环，然后测试两组试件的最大破坏荷载，进而计算出劈裂强度。

测得的数据见表5。

表5 沥青混合料的劈裂强度Table 5 Cleavage strength of asphalt mixture级
配类型未经冻融循环试件劈裂强度RT1/MPa经受冻融循环试件劈裂强度
RT2/MPa 冻融劈裂抗拉强度比TSR/%A 0.700 0.606 86.57 B 0.750 0.650 86.67 C 0.861 0.756 87.81 D 0.882 0.809 91.72 E 0.860 0.792 92.09
从表5中可以看出:从级配A到级配E，未经冻融循环和经受冻融循环的沥青混合
料的劈裂强度均呈先递增后下降的趋势，细级配沥青混合料的劈裂强度高于粗级配。

粗级配沥青混合料的空隙率较大，经过真空饱水后，水进入沥青混合料孔隙内，由
于集料与水的吸附力强于集料与沥青的粘附力，加上温度应力的反复变化，导致集料表面沥青膜的脱落，沥青结合料的粘结力下降，从而混合料的强度降低。

而从表中可以看出:从粗级配到细级配，混合料的冻融劈裂强度比逐渐增大，细级配沥青混合料的空隙率比较小，抽真空后进入空隙中的水较少，冻融循环过程中对混合料结构产生的破坏较小，故其残留劈裂强度较大。

3.4 高温稳定性试验
根据规范［7］有关高温稳定性的试验规定，将成型好的车辙板置于试验温度60℃、轮压为0.7 MPa的车辙试验仪中，测试其动稳定度，以评价沥青混合料的高温抗车辙能力。

测得的结果见图4。

图4 级配类型与动稳定度的关系Figure 4 Relationship between gradation type and dynamic stability
从图4可以看出:从级配A到级配E，沥青混合料的动稳定度依次下降，级配A的动稳定度约是级配E的两倍，粗级配沥青混合料的高温抗车辙性能明显优于细级配，其原因主要是由于粗级配混合料中粗集料的含量较多，更易形成骨架结构，具有较大的内摩擦角，抵抗反复荷载作用的能力较强;而细级配混合料中，粗集料含量少，难以形成骨架结构，同时由于空隙率较小，在环境温度较高的情况时沥青发生膨胀，由于过小的空隙率不足以满足沥青的体积变化，使混合料失稳，在荷载的作用下易发生流动，易形成车辙。

图4中的动稳定度虽呈下降趋势，但从级配C 到级配E，动稳定度下降趋势变得比较平缓，主要是由于细级配的密实结构，车辙在试验后期的变形量不大，因此动稳定度相差不大［9］。

3.5 低温弯曲试验
沥青混合料的低温弯曲试验是在低温环境下，对规定尺寸的小梁，在跨中加载至小梁断裂的过程。

由破坏时的最大荷载求得小梁的抗拉强度，由跨中挠度求得小梁的弯拉应变，两者的比值为弯曲蠕变劲度模量，通常采用弯拉应变来评价沥青混合料
的低温抗裂性。

将成型好的车辙板切割成尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的小梁，跨径为200 mm，加载方式为中央集中加载，加载速度50 mm/min，试验
温度为－10℃，该温度条件下小梁处于刚性状态，在荷载的作用情况下，小梁底
部出现裂缝，变形越来越大直至破坏。

试验结果见图5。

从图5中可以看出:从级配A到级配E，小梁的弯拉应变呈上升趋势，沥青混合料
的低温抗裂性越来越好。

这是因为在细级配沥青混合料中，细集料与沥青的粘结力强，在低温环境下，表现出一定的韧性，持续荷载作用下，不会因为小变形而立即破坏，具有较好的低温抗裂性能。

3.6 小梁弯曲疲劳试验
图5 级配类型和弯拉应变的关系Figure 5 Relationship between gradation type and flexure tensile strain
试验所用小梁尺寸为250 mm×35 mm×30 mm，采用应力控制模式，进行三分
点加载，荷载作用周期为0.5 s，温度为0℃。

在制得小梁试件后，首先进行0℃
的小梁弯曲试验得到破坏荷载P的大小，以P′=0.4P为小梁弯曲疲劳试验的加载量。

各级配类型的疲劳测试结果如图6所示。

图6 级配类型与疲劳次数的关系Figure 6 Relationship between gradation type and fatigue loading times
由图6中可以看出:从粗级配到细级配沥青混合料，抗疲劳性能逐渐增强，这是因
为空隙率越大，沥青混合料内部的空隙和微裂缝就越多，在荷载的反复作用下就越易引发裂缝的扩展，从而导致结构的破坏，使疲劳性能降低。

细级配沥青混合料中，由于沥青、矿粉和细集料形成的胶结料充满整个骨架结构，整体抵抗弯拉应力反复作用的能力较强，具有更好的抗疲劳性能［10］。

4 结论
本文针对5组不同沥青混合料级配类型，通过系统室内试验研究了其对沥青混合
料整体性能的影响，取得的主要结论如下:
①沥青混合料的级配组成对沥青混合料的性质和路用性能有直接影响，在规定级配范围内，从粗级配到细级配沥青混合料，冻融劈裂强度比、弯拉应变和弯曲疲劳次数逐渐增大，稳定度、残留稳定度呈先增大后下降趋势，动稳定度逐渐下降，各路用性能指标随级配变化的规律不一样，总体上靠近规范级配中值附近其各项性能均体现出较好的状态。

②粗、细级配沥青混合料的路用性能优点表现不一样，粗级配沥青混合料有利于提高其抗高温变形性能，细级配沥青混合料有利于提高其抗水损害、抗弯拉破坏、抗疲劳开裂等性能。

对于沥青路面而言，影响其上述路用性能的因素还有很多，这些因素对于某一特定路用性能贡献大小不一。

从试验结果可以看出，上述性能是相互矛盾或相互制约的。

为了单独追求某一路用性能，可能会导致其他路用性能的降低。

因此沥青混合料级配的选择，实际上是在平衡各种路用性能的关系，对于高等级沥青路面，还应根据当地的气候条件和交通状况做具体分析［11］。

［参考文献］
［1］ JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.
［2］敖盛.天然沥青改性沥青混合料路用性能研究［J］.公路工程，2010，
35(3):159－162.
［3］刘忠根，刘成铭，王珐玮，等.骨料特征、沥青含量与沥青混合料路用性能
关系［J］.吉林建筑工程学院学报，2008，25(1):43－46.
［4］梁建红，胥亮，冯超，等.集料对沥青混合料的性能影响研究［J］.公路工程，2011，36(4):193－195.
［5］沈爱琴，蒋庆华，祁秀林.矿料级配对沥青混合料路用性能的影响［J］.长安大学学报(自然科学版)，2002，22(6):1－4.
［6］郭德栋，许宏妹，李小刚，等.级配类型对纤维沥青混合料路用性能的影响［J］.广西大学学报:自然科学版，2010，35(1):116－119.
［7］ JTG E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.
［8］ JTG E42—2005，公路工程集料试验规程［S］.
［9］李昆，黄卫东，王伟.基于高温性能的橡胶沥青混合料级配选择［J］.公路工程，2009，34(5):57－59.
［10］郝培文，张景涛，张登良，等.不同级配类型沥青混合料抗疲劳特性研究［J］.石油沥青，1998，12(2):20－24.
［11］胡松，谷莉，彭红卫.适用于高温多雨地区AC—13沥青混合料级配优化设计［J］.公路工程，2010，35(4):100－102.。