第27卷第6期重庆交通大学学报(自然科学版)
()Vol.27 No.6
沥青稳定碎石混合料设计方法对比试验研究
何兆益,张政国,黄 刚
1
2
1
(1.重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074;2.四川高速公路建设开发公司,四川成都610041)
摘要:针对大粒径沥青稳定碎石基层,结合9种级配、3种沥青的沥青稳定碎石混合料,通过大马歇尔法、superpave
旋转压实体积法、GTM法对大粒径沥青稳定碎石混合料材料组成设计方法进行了系统的对比试验研究;建立了3种混合料设计方法之间混合料体积及力学指标的关系;在此基础上给出了重载交通条件下大粒径沥青稳定碎石混合料组成设计方法的建议。关 键 词:沥青稳定碎石基层;大马歇尔法;Superpave旋转压实体积法;GTM法中图分类号:U416.217 文献标志码:A 文章编号:167420696(2008)0621071206
ComparativeTestStudyonDesignMethodofBituiabixtures
HE,21
2
1
(1.JiaotongUniversity,Chongqing400074,China;
.&DevelopmentCompany,SichuanChengdu610041,China)
Abstract:atthebituminousstabilizedmacadammixtureswith9typesofgradationand3typesofasphalt,thecom2parativeteststudyofbituminousstabilizedmacadammixturesiscarriedoutsystematiclythroughlargeMarshallmethod,su2perpaverotatecompactionmethodandGTMmethod.Therelationshipsofvolumeandphysicalstrengthindexsofthreetypesdesignmethodsareestablished.Finally,thedesignmethodofbituminousstabilizedmacadammixturesunderheavytrafficconditionisrecommended.
Keywords:bituminousstabilizedmacadam;largeMarshallmethod;Superpaverotatecompactionmethod;GTM(GyratoryTestingMachine)method
0 引 言
沥青稳定碎石基层沥青路面具有优良的使用性能,在国外得到了广泛的应用。与我国高等级公路广泛应用的半刚性基层沥青路面相比,沥青稳定碎石基层沥青路面具有沥青面层与基层受力及变形协调、层间联结良好、使用寿命长等特点,因而成为防治半刚性基层沥青路面早期破坏的重要技术措施之一。目前在我国一些重载交通高速公路沥青路面中已逐步开始使用大粒径沥青稳定碎石基层,但是由于我国高等级公路沥青路面长期采用半刚性基层结构,大粒径沥青稳定碎石基层的研究和工程应用刚开始,对大粒径沥青稳定碎石混合料的组成设计方法及路用性能尚需进一步深入研究,本文结合9种级配和3种沥青的沥青稳定基层混合料,采用目前国际上流行的几种沥青混合料组成设计方法对大粒径沥青稳定碎石组成设计进行对比研究,从而提出适宜于我国重载交通特点的沥青稳定碎石混合料材料组成设计方法建议,以指导理论研究与工程应用。
1 原材料的选择
1.1 沥青
为研究不同沥青对沥青稳定碎石基层混合料组成设计的影响,结合我国高速公路重交通对路面结构性能的要求,选用大港AH250、中海AH270、韩国SKAH270三种重交通道路石油沥青进行试验,技术性质见表1。
表1 沥青技术性质
试验项目
针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)
延度(15℃,5cm/min)/cm延度(10℃,5cm/min)/cm软化点(环球法)/℃针入度指数PI溶解度/%闪点/℃
含蜡量(蒸馏法)/%
质量损失/%
TFOT后
25℃残留针入度比/%
(163℃,5h)
10℃残留延度/cm
韩国SK
AH270
70.1>10024.747-0.8299.592852.2-0.1664.58.7
中海AH270
61.8>10023.550.5-0.9099.592782.3-0.1862.58.0
大港AH250
52.3>8018.252.30.8199.763062.7-0.2965.26.6
收稿日期:2008202226;修订日期:2008205226 基金项目:重庆市科委重点攻关项目(200428637) 作者简介:何兆益(19652),男,云南昭通人,教授,博士生导师,主要从事路基路面和道路材料研究。
10721.2 粗集料
重庆交通大学学报(自然科学版) 第27卷
表4 矿粉性能指标检测结果
试验项目
视密度/(t・m-3)含水量/%亲水系数
实测结果
16.421.52.7240.3254.39.49.39.70.72.1
选用石灰岩集料,粗细集料的技术性能要求和检测结果见表2、表3。矿粉技术性能要求及检测结果如表4。
表2 粗集料性能指标检测结果
试验项目
石料压碎值/%洛杉矶磨耗损失/%视密度/(t・m-3)吸水率/%
对沥青的黏附性/级坚固性/%
针片状颗粒含量/%
粒径>9.5mm针片状颗粒含量/%粒径≤9.5mm针片状颗粒含量/%水洗法
技术要求≤26≤28≥2.60≤2.0≥4≤12≤15≤12≤18≤1≤3
技术要求≥2.50≤1
实测结果
2.7150.40.85967371.1
粒度范围
2 沥青稳定碎石基层混合料组成设计
方法
2.1 级配选择
表3 视密度/(t・m-坚固性(>0.3mm)/%砂当量/%
含泥量(
≥2.50≥12≥60≤3
2.71812.567.52.2
,,经比选,B2549种级配,级4.75mm以上的粗集料骨架间隙率VCA作为粗集料嵌挤作用的衡量指标,根据压实混合料的粗集料间隙率VCAmix小于没有其他集料、结合料存在时粗集料的干插捣实骨架间隙率VCADRC判断是否形成骨架结构,9种级配粗集料骨架间隙率VCAmix、VCADRC试验测定结果见表7。
表5 ATB25采用矿料级配
筛孔/mm
1#2#3#4#5#
通过下列筛孔/mm的百分率/%
0.07524.5446
0.15366.5510
0.358.59.5714
0.6813131218
1.18101717.514.525
2.361523.523.52332
4.7520303029.540
9.[1**********]
13.[1**********]
164857.5586568
[1**********]0
26.[1**********]0
31.[**************]0
表6 ATB30采用矿料级配
筛孔/mm
6#7#8#9#
0.0752436
0.1536.5510
0.359.5714
0.68131018
1.181017.51425
2.361523.52132
4.7520302940
9.531414351
13.23949.55360
1644556166
195362.56772
26.570808490
31.5909593100
37.[1**********]00
表7 不同级配粗集料骨架间隙率VCAmix、VCADRC
级配类型
1#2#3#4#5#6#7#8#9#
油石比/
%2.83.03.13.13.12.82.92.92.9
粗集料合成毛
体积密度ρca/
-3
(g・cm)
2.6972.7022.7012.6972.7062.6852.6882.6952.693
粗集料干捣密度ρ/(g・cm-3)
1.5401.5431.5551.5851.5651.5901.5701.5851.550
沥青混合料毛体沥青混合料积相对密度ρmb/中粗集料比例
-3PCA/%(g・cm)
2.4522.4922.4832.4742.4902.4592.4932.4702.495
80707070.[1**********]
VCADRC/VCAmix/
%42.9042.9142.4341.2342.1740.7841.5941.4942.44
%27.2735.4435.6535.3344.7926.7335.0834.9344.41
第6期 何兆益,等:沥青稳定碎石混合料设计方法对比试验研究 从表7中VCAmix和VCADRC值的比较可知,9种级配中只有5#级配和9#级配的粗集料没有形成嵌挤骨架结构,其余级配都已形成嵌挤骨架结构。对于已形成嵌挤结构的级配,其4.75mm通过率均小于或等于30%,可见NCAT的试验结果对沥青稳定碎石是适用的,在设计沥青稳定碎石级配时,为形成嵌挤骨架结构,4.75mm通过率应接近30%。2.2 大马歇尔试验
对于大粒径沥青稳定混合料,由于集料尺寸效应的影响,传统的马歇尔试验方法已不适用。1996年美国ASTMD5581标准提出了直径为6in(15.24cm)的大型马歇尔试验方法。大马歇尔试验采用直径152.4mm,高度95.3mm尺寸的试件,试件每面击实112次。2.2.1 不同级配的大马歇尔试验
采用韩国SKAH270,9法测得。
图1为不同级配沥青稳定碎石混合料最佳油石比的对比,图2～图6分别为不同级配沥青稳定碎石混合料在最佳油石比时稳定度、流值、矿料间隙率、沥青饱和度和空隙率的对比
。
1073
图4
最佳油石比时不同级配矿料间隙率
图6 最佳油石比时不同级配沥青饱和度
图1
不同级配的最佳油石比对比
图2
最佳油石比时不同级配的稳定度
图3
最佳油石比时不同级配的流值
可以看出:
1)级配对混合料的密度、空隙率,稳定度、流值和饱和度均有一定的影响。
2)沥青稳定碎石混合料稳定度较大,一般都能满足大于15kN的要求,满足流值指标要求的沥青范围也较大,对最佳油石比的确定不起作用,确定沥青稳定碎石混合料最佳油石比时,可不考虑这两个指标。空隙率和饱和度随油石比的变化明显,在确定沥青稳定碎石混合料最佳油石比时,起主要控制作用。
3)沥青稳定碎石的最佳油石比在3%左右,级配对沥青稳定碎石的最佳油石比有一定影响,级配越粗,最佳油石比越小。对于ATB25,最粗的1#级配比最细的5#级配最佳油石比小0.3%。对于ATB30,较粗的6#级配比较细的9#级配最佳油石比小;ATB30一般比ATB25的最佳油石比小,最大相差0.2%。不同级配沥青稳定碎石基层混合料在最佳油石比时的密度、稳定度、流值、空隙率、饱和度、矿料间隙率等指标均有一定的差异。
4)综合考虑不同级配混合料的结构特点、体积指标及稳定度、流值,优选ATB2522#及ATB3027#级配进一步研究。
1074重庆交通大学学报(自然科学版) 第27卷
AH250三种沥青进行了大马歇尔试验。不同沥青混
2.2.2 不同沥青的大马歇尔试验
为了分析沥青对混合料性能的影响,针对2#
和7#级配,采用韩国SKAH270、中海AH270、大港
沥青韩国SKAH270
级配
2#7#2#7#2#7#
合料的最佳油石比、体积指标及稳定度、流值如
表8。
VV/
VFA/
VA/
表8 不同沥青混合料大马歇尔试验试验结果
最佳油石比/%
3.02.92.92.83.02.9
密度/(g・cm-3)
2.4922.4932.4822.4902.4782.486
VMA/稳定度/
kN28.3629.3229.5931.3533.7434.41
%10.7210.5210.9910.5511.2110.77
%3.493.524.023.794.023.79
%67.466.563.464.164.164.8
%7.237.006.976.767.196.98
流值/(0.1mm)
53.053.147.853.457.456.1
中海AH270
大港AH250
由试验结果知,对于同种级配,沥青对沥青稳定碎石混合料最佳油石比的影响不太明显,对于2#和7#级配,中海AH270沥青的最佳油石比最小,比韩国SKAH270和大港AH250小0.和度、港AH250,50#沥青在常温。2.3 Superpave旋转压实体积法
Superpave旋转压实法是以空隙率为设计目标的沥青混合料体积设计法,试件采用旋转压实机SGC成型,以模拟混合料现场压实情况。
对2#级配,采用大港AH250沥青;对7#级配,采用韩国SKAH270沥青,旋转压实按特重交通标准,初始压实次数9次,设计压实次数125次,压力600kPa。试件在黏度为0.170Pa・s的温度下拌和,黏度为0.280Pa・s的温度下压实。成型试件时,根据大马歇尔试验预估初始油石比,油石比间隔0.5%,为了与大马歇尔试验对比,拌和后不进行短期老化,直接装入试模中。
成型试件后,测定各项参数,根据油石比与空隙率的关系,按空隙率4%确定最佳油石比,得到2#级配的最佳油石比为3.0%,7#级配的最佳油石比为2.8%。试验结果见表9。
表9 旋转压实试验结果
级配
油石比/
%2.0
2#
2.53.03.52.0
7#
2.53.03.5
2.4 ,2#和7710。由图可知,在油石比小、空隙率、饱和度和矿料间隙率差别较大,随着油石比的增大,这种差别逐渐减小,但矿料间隙率仍有较大差别,分析原因可能是油石比小时,大马歇尔击实更易击碎部分集料,使得密度变大,空隙率变小,饱和度增大,采用旋转压实比
大马歇尔法更合理。
大马歇尔法与旋转压实体积法确定的最佳油石比试验结果汇总于表10。可以看出,对于2#级配
,
旋转压实体积法与大马歇尔法确定的最佳油石比几乎没有差别,最佳油石比时试件体积参数也基本相同。对于7#级配,两种方法试验结果也差别不大,旋转压实体积法确定的最佳油石比比大马歇尔法小0.1%。
密度/(g・cm-3)
2.4242.4592.4782.4932.4252.4612.4972.512
VV/VMA/VFA/
%7.595.504.032.737.445.343.221.91
%12.211.411.211.111.811.010.110.2
%37.851.864.075.437.051.568.181.3
图7 不同成型方法的饱和度
第6期 何兆益,等:沥青稳定碎石混合料设计方法对比试验研究1075
图10 表10 旋转压
实体积法
7#2#7#
/
%3.2.93.02.8
/c2.4782.4932.4782.484
/VMA/VFA/
4.023.524.034.00
%11.2110.5211.210.9
%64.166.564.061.7
2.5 三种设计方法对比研究
GTM法是20世纪60年代美国工程兵团为解
图9
不同成型方法的矿料间隙率
决重型轰炸机跑道容易破损的问题而专门研究开
发,并于90年代应用于重交通道路沥青混合料配合比的设计方法。
GTM法采用揉搓压实的成型方法,可根据汽车对路面的实际压强设计沥青混凝土,从而模拟现场压路机和汽车对路面的作用。GTM法以沥青混合料的抗剪强度大于所受的剪应力为混合料设计依据,可较真实地模拟实际路面材料的受力状况,从而避免沥青路面车辙等剪切破坏。
确定最佳油石比时,对选定的级配,选取不同沥青含量进行GTM压实试验,根据试验结果绘制油石比同旋转压实试件稳定度GSI及抗剪强度安全系数GSF的关系曲线,最后根据GSI、GSF曲线的变化趋势及最大密度确定最佳油石比,根据国外经验,对于重交通沥青混合料,一般要求GSI≤1.1;GSF≥1.3。
对于2#级配,采用中海AH270沥青、大港AH250沥青两种沥青,根据ASTMD3387—96规范,进行GTM试验,设计压强采用0.7MPa,机器角0.8°。最后得到中海AH270沥青的油石比范围为2.9%～313%,最佳油石比为3.0%,相应密度为2.498g/3
cm,空隙率为3.25%;AH250沥青的油石比范围为311%～3.5%,最佳油石比为3.3%,相应密度为
3
21506g/cm,空隙率为2.53%。
根据上述研究结果,绘出三种方法的最佳油石比及最佳油石比时的密度、空隙率关系图,以比较
1076重庆交通大学学报(自然科学版) 第27卷
GTM法、大马歇尔法、Superpave旋转压实体积法所
确定沥青稳定碎石混合料最佳油石比的差异,如图11～图13
。
3 结 论
基于重交通道路沥青稳定碎石基层性能要求,
对大粒径沥青稳定碎石混合料组成设计方法进行了对比试验研究,获得以下研究结论:
1)通过SKAH270、中海AH270、大港AH250三种重交石油沥青及混合料对比研究表明,采用低针入度级的大港AH250硬沥青的沥青稳定碎石基层,其稳定度指标高于SKAH270、中海AH270沥青。
2)通过5种ATB25和4种ATB30级配沥青稳定碎石混合料骨架嵌挤结构分析,结果表明,为形成嵌挤骨架结构,4.75mm通过率应接近30%,在此基础上优化、ATB25#和3027,稳定度通常能满足大于15kN的要求,而满足流值指标要求的沥青范围较大,对最佳油石比的确定难以起到控制作用,因此应重点考虑密度、空隙率、饱和度、稳定度等4项指标。
4)对大马歇尔法、Superpave旋转压实体积、GTM法3种方法进行对比研究,试验结果表明,GTM法确定的沥青稳定碎石混合料最佳油石比略大,最佳油石比时混合料的密度较大,而空隙率较小,GTM法设计的沥青混合料具有相对较强的抗变形能力,对于重载交通道路,建议采用GTM方法进行沥青稳定碎石基层的混合料设计及压实质量控制。参考文献:
[1] JTGF40—2004,公路沥青路面施工技术规范[S].[2] 张起森,冯俊领,查旭东.大粒径沥青混合料路用性能
图11
三种方法确定的最佳油石比
图13 三种方法最佳油石比时的空隙率
由图11知,对于2#级配,采用大港AH250沥
青,GTM法确定的最佳油石比比大马歇尔法和Su2perpave旋转压实体积法大0.3%;采用中海AH270沥青,GTM法确定的最佳油石比比大马歇尔法大011%。由图12和图13知,最佳油石比时,GTM法设计的混合料密度和空隙率与大马歇尔法、Super2pave旋转压实体积法有较大差异,对于AH250沥青,其密度比大马歇尔法、Superpave旋转压实体积
3
法大01028g/cm;空隙率比大马歇尔法小1.49%,比Superpave旋转压实体积法小1.48%;对于AH2
3
70沥青,其密度比大马歇法大0.016g/cm,空隙率比大马歇尔法小0.77%。由于GTM法采用揉搓压实,且设计压强较大,并采用较高的抗剪强度安全系数GSF(GSF≥1.3)控制混合料设计,因此与其它两种方法比较,GTM法能获得较高的密度、较小的空隙率。
研究[J].长沙理工大学学报,2004,1(1):8213.[3] 刘中林,田 文,史建方,等.高等级公路沥青混凝土
路面新技术[M].北京:人民交通出版社,1999.[4] 韩子东.道路结构温度场研究(硕士学位论文)[D].
西安:长安大学,2001.[5] 杨 群.高速公路沥青稳定基层结构与设计方法研究
(博士学位论文)[D].南京:东南大学,2001.
[6] JTJ052—2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规范
[S].
第27卷第6期重庆交通大学学报(自然科学版)
()Vol.27 No.6
沥青稳定碎石混合料设计方法对比试验研究
何兆益,张政国,黄 刚
1
2
1
(1.重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074;2.四川高速公路建设开发公司,四川成都610041)
摘要:针对大粒径沥青稳定碎石基层,结合9种级配、3种沥青的沥青稳定碎石混合料,通过大马歇尔法、superpave
旋转压实体积法、GTM法对大粒径沥青稳定碎石混合料材料组成设计方法进行了系统的对比试验研究;建立了3种混合料设计方法之间混合料体积及力学指标的关系;在此基础上给出了重载交通条件下大粒径沥青稳定碎石混合料组成设计方法的建议。关 键 词:沥青稳定碎石基层;大马歇尔法;Superpave旋转压实体积法;GTM法中图分类号:U416.217 文献标志码:A 文章编号:167420696(2008)0621071206
ComparativeTestStudyonDesignMethodofBituiabixtures
HE,21
2
1
(1.JiaotongUniversity,Chongqing400074,China;
.&DevelopmentCompany,SichuanChengdu610041,China)
Abstract:atthebituminousstabilizedmacadammixtureswith9typesofgradationand3typesofasphalt,thecom2parativeteststudyofbituminousstabilizedmacadammixturesiscarriedoutsystematiclythroughlargeMarshallmethod,su2perpaverotatecompactionmethodandGTMmethod.Therelationshipsofvolumeandphysicalstrengthindexsofthreetypesdesignmethodsareestablished.Finally,thedesignmethodofbituminousstabilizedmacadammixturesunderheavytrafficconditionisrecommended.
Keywords:bituminousstabilizedmacadam;largeMarshallmethod;Superpaverotatecompactionmethod;GTM(GyratoryTestingMachine)method
0 引 言
沥青稳定碎石基层沥青路面具有优良的使用性能,在国外得到了广泛的应用。与我国高等级公路广泛应用的半刚性基层沥青路面相比,沥青稳定碎石基层沥青路面具有沥青面层与基层受力及变形协调、层间联结良好、使用寿命长等特点,因而成为防治半刚性基层沥青路面早期破坏的重要技术措施之一。目前在我国一些重载交通高速公路沥青路面中已逐步开始使用大粒径沥青稳定碎石基层,但是由于我国高等级公路沥青路面长期采用半刚性基层结构,大粒径沥青稳定碎石基层的研究和工程应用刚开始,对大粒径沥青稳定碎石混合料的组成设计方法及路用性能尚需进一步深入研究,本文结合9种级配和3种沥青的沥青稳定基层混合料,采用目前国际上流行的几种沥青混合料组成设计方法对大粒径沥青稳定碎石组成设计进行对比研究,从而提出适宜于我国重载交通特点的沥青稳定碎石混合料材料组成设计方法建议,以指导理论研究与工程应用。
1 原材料的选择
1.1 沥青
为研究不同沥青对沥青稳定碎石基层混合料组成设计的影响,结合我国高速公路重交通对路面结构性能的要求,选用大港AH250、中海AH270、韩国SKAH270三种重交通道路石油沥青进行试验,技术性质见表1。
表1 沥青技术性质
试验项目
针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)
延度(15℃,5cm/min)/cm延度(10℃,5cm/min)/cm软化点(环球法)/℃针入度指数PI溶解度/%闪点/℃
含蜡量(蒸馏法)/%
质量损失/%
TFOT后
25℃残留针入度比/%
(163℃,5h)
10℃残留延度/cm
韩国SK
AH270
70.1>10024.747-0.8299.592852.2-0.1664.58.7
中海AH270
61.8>10023.550.5-0.9099.592782.3-0.1862.58.0
大港AH250
52.3>8018.252.30.8199.763062.7-0.2965.26.6
收稿日期:2008202226;修订日期:2008205226 基金项目:重庆市科委重点攻关项目(200428637) 作者简介:何兆益(19652),男,云南昭通人,教授,博士生导师,主要从事路基路面和道路材料研究。
10721.2 粗集料
重庆交通大学学报(自然科学版) 第27卷
表4 矿粉性能指标检测结果
试验项目
视密度/(t・m-3)含水量/%亲水系数
实测结果
16.421.52.7240.3254.39.49.39.70.72.1
选用石灰岩集料,粗细集料的技术性能要求和检测结果见表2、表3。矿粉技术性能要求及检测结果如表4。
表2 粗集料性能指标检测结果
试验项目
石料压碎值/%洛杉矶磨耗损失/%视密度/(t・m-3)吸水率/%
对沥青的黏附性/级坚固性/%
针片状颗粒含量/%
粒径>9.5mm针片状颗粒含量/%粒径≤9.5mm针片状颗粒含量/%水洗法
技术要求≤26≤28≥2.60≤2.0≥4≤12≤15≤12≤18≤1≤3
技术要求≥2.50≤1
实测结果
2.7150.40.85967371.1
粒度范围
2 沥青稳定碎石基层混合料组成设计
方法
2.1 级配选择
表3 视密度/(t・m-坚固性(>0.3mm)/%砂当量/%
含泥量(
≥2.50≥12≥60≤3
2.71812.567.52.2
,,经比选,B2549种级配,级4.75mm以上的粗集料骨架间隙率VCA作为粗集料嵌挤作用的衡量指标,根据压实混合料的粗集料间隙率VCAmix小于没有其他集料、结合料存在时粗集料的干插捣实骨架间隙率VCADRC判断是否形成骨架结构,9种级配粗集料骨架间隙率VCAmix、VCADRC试验测定结果见表7。
表5 ATB25采用矿料级配
筛孔/mm
1#2#3#4#5#
通过下列筛孔/mm的百分率/%
0.07524.5446
0.15366.5510
0.358.59.5714
0.6813131218
1.18101717.514.525
2.361523.523.52332
4.7520303029.540
9.[1**********]
13.[1**********]
164857.5586568
[1**********]0
26.[1**********]0
31.[**************]0
表6 ATB30采用矿料级配
筛孔/mm
6#7#8#9#
0.0752436
0.1536.5510
0.359.5714
0.68131018
1.181017.51425
2.361523.52132
4.7520302940
9.531414351
13.23949.55360
1644556166
195362.56772
26.570808490
31.5909593100
37.[1**********]00
表7 不同级配粗集料骨架间隙率VCAmix、VCADRC
级配类型
1#2#3#4#5#6#7#8#9#
油石比/
%2.83.03.13.13.12.82.92.92.9
粗集料合成毛
体积密度ρca/
-3
(g・cm)
2.6972.7022.7012.6972.7062.6852.6882.6952.693
粗集料干捣密度ρ/(g・cm-3)
1.5401.5431.5551.5851.5651.5901.5701.5851.550
沥青混合料毛体沥青混合料积相对密度ρmb/中粗集料比例
-3PCA/%(g・cm)
2.4522.4922.4832.4742.4902.4592.4932.4702.495
80707070.[1**********]
VCADRC/VCAmix/
%42.9042.9142.4341.2342.1740.7841.5941.4942.44
%27.2735.4435.6535.3344.7926.7335.0834.9344.41
第6期 何兆益,等:沥青稳定碎石混合料设计方法对比试验研究 从表7中VCAmix和VCADRC值的比较可知,9种级配中只有5#级配和9#级配的粗集料没有形成嵌挤骨架结构,其余级配都已形成嵌挤骨架结构。对于已形成嵌挤结构的级配,其4.75mm通过率均小于或等于30%,可见NCAT的试验结果对沥青稳定碎石是适用的,在设计沥青稳定碎石级配时,为形成嵌挤骨架结构,4.75mm通过率应接近30%。2.2 大马歇尔试验
对于大粒径沥青稳定混合料,由于集料尺寸效应的影响,传统的马歇尔试验方法已不适用。1996年美国ASTMD5581标准提出了直径为6in(15.24cm)的大型马歇尔试验方法。大马歇尔试验采用直径152.4mm,高度95.3mm尺寸的试件,试件每面击实112次。2.2.1 不同级配的大马歇尔试验
采用韩国SKAH270,9法测得。
图1为不同级配沥青稳定碎石混合料最佳油石比的对比,图2～图6分别为不同级配沥青稳定碎石混合料在最佳油石比时稳定度、流值、矿料间隙率、沥青饱和度和空隙率的对比
。
1073
图4
最佳油石比时不同级配矿料间隙率
图6 最佳油石比时不同级配沥青饱和度
图1
不同级配的最佳油石比对比
图2
最佳油石比时不同级配的稳定度
图3
最佳油石比时不同级配的流值
可以看出:
1)级配对混合料的密度、空隙率,稳定度、流值和饱和度均有一定的影响。
2)沥青稳定碎石混合料稳定度较大,一般都能满足大于15kN的要求,满足流值指标要求的沥青范围也较大,对最佳油石比的确定不起作用,确定沥青稳定碎石混合料最佳油石比时,可不考虑这两个指标。空隙率和饱和度随油石比的变化明显,在确定沥青稳定碎石混合料最佳油石比时,起主要控制作用。
3)沥青稳定碎石的最佳油石比在3%左右,级配对沥青稳定碎石的最佳油石比有一定影响,级配越粗,最佳油石比越小。对于ATB25,最粗的1#级配比最细的5#级配最佳油石比小0.3%。对于ATB30,较粗的6#级配比较细的9#级配最佳油石比小;ATB30一般比ATB25的最佳油石比小,最大相差0.2%。不同级配沥青稳定碎石基层混合料在最佳油石比时的密度、稳定度、流值、空隙率、饱和度、矿料间隙率等指标均有一定的差异。
4)综合考虑不同级配混合料的结构特点、体积指标及稳定度、流值,优选ATB2522#及ATB3027#级配进一步研究。
1074重庆交通大学学报(自然科学版) 第27卷
AH250三种沥青进行了大马歇尔试验。不同沥青混
2.2.2 不同沥青的大马歇尔试验
为了分析沥青对混合料性能的影响,针对2#
和7#级配,采用韩国SKAH270、中海AH270、大港
沥青韩国SKAH270
级配
2#7#2#7#2#7#
合料的最佳油石比、体积指标及稳定度、流值如
表8。
VV/
VFA/
VA/
表8 不同沥青混合料大马歇尔试验试验结果
最佳油石比/%
3.02.92.92.83.02.9
密度/(g・cm-3)
2.4922.4932.4822.4902.4782.486
VMA/稳定度/
kN28.3629.3229.5931.3533.7434.41
%10.7210.5210.9910.5511.2110.77
%3.493.524.023.794.023.79
%67.466.563.464.164.164.8
%7.237.006.976.767.196.98
流值/(0.1mm)
53.053.147.853.457.456.1
中海AH270
大港AH250
由试验结果知,对于同种级配,沥青对沥青稳定碎石混合料最佳油石比的影响不太明显,对于2#和7#级配,中海AH270沥青的最佳油石比最小,比韩国SKAH270和大港AH250小0.和度、港AH250,50#沥青在常温。2.3 Superpave旋转压实体积法
Superpave旋转压实法是以空隙率为设计目标的沥青混合料体积设计法,试件采用旋转压实机SGC成型,以模拟混合料现场压实情况。
对2#级配,采用大港AH250沥青;对7#级配,采用韩国SKAH270沥青,旋转压实按特重交通标准,初始压实次数9次,设计压实次数125次,压力600kPa。试件在黏度为0.170Pa・s的温度下拌和,黏度为0.280Pa・s的温度下压实。成型试件时,根据大马歇尔试验预估初始油石比,油石比间隔0.5%,为了与大马歇尔试验对比,拌和后不进行短期老化,直接装入试模中。
成型试件后,测定各项参数,根据油石比与空隙率的关系,按空隙率4%确定最佳油石比,得到2#级配的最佳油石比为3.0%,7#级配的最佳油石比为2.8%。试验结果见表9。
表9 旋转压实试验结果
级配
油石比/
%2.0
2#
2.53.03.52.0
7#
2.53.03.5
2.4 ,2#和7710。由图可知,在油石比小、空隙率、饱和度和矿料间隙率差别较大,随着油石比的增大,这种差别逐渐减小,但矿料间隙率仍有较大差别,分析原因可能是油石比小时,大马歇尔击实更易击碎部分集料,使得密度变大,空隙率变小,饱和度增大,采用旋转压实比
大马歇尔法更合理。
大马歇尔法与旋转压实体积法确定的最佳油石比试验结果汇总于表10。可以看出,对于2#级配
,
旋转压实体积法与大马歇尔法确定的最佳油石比几乎没有差别,最佳油石比时试件体积参数也基本相同。对于7#级配,两种方法试验结果也差别不大,旋转压实体积法确定的最佳油石比比大马歇尔法小0.1%。
密度/(g・cm-3)
2.4242.4592.4782.4932.4252.4612.4972.512
VV/VMA/VFA/
%7.595.504.032.737.445.343.221.91
%12.211.411.211.111.811.010.110.2
%37.851.864.075.437.051.568.181.3
图7 不同成型方法的饱和度
第6期 何兆益,等:沥青稳定碎石混合料设计方法对比试验研究1075
图10 表10 旋转压
实体积法
7#2#7#
/
%3.2.93.02.8
/c2.4782.4932.4782.484
/VMA/VFA/
4.023.524.034.00
%11.2110.5211.210.9
%64.166.564.061.7
2.5 三种设计方法对比研究
GTM法是20世纪60年代美国工程兵团为解
图9
不同成型方法的矿料间隙率
决重型轰炸机跑道容易破损的问题而专门研究开
发,并于90年代应用于重交通道路沥青混合料配合比的设计方法。
GTM法采用揉搓压实的成型方法,可根据汽车对路面的实际压强设计沥青混凝土,从而模拟现场压路机和汽车对路面的作用。GTM法以沥青混合料的抗剪强度大于所受的剪应力为混合料设计依据,可较真实地模拟实际路面材料的受力状况,从而避免沥青路面车辙等剪切破坏。
确定最佳油石比时,对选定的级配,选取不同沥青含量进行GTM压实试验,根据试验结果绘制油石比同旋转压实试件稳定度GSI及抗剪强度安全系数GSF的关系曲线,最后根据GSI、GSF曲线的变化趋势及最大密度确定最佳油石比,根据国外经验,对于重交通沥青混合料,一般要求GSI≤1.1;GSF≥1.3。
对于2#级配,采用中海AH270沥青、大港AH250沥青两种沥青,根据ASTMD3387—96规范,进行GTM试验,设计压强采用0.7MPa,机器角0.8°。最后得到中海AH270沥青的油石比范围为2.9%～313%,最佳油石比为3.0%,相应密度为2.498g/3
cm,空隙率为3.25%;AH250沥青的油石比范围为311%～3.5%,最佳油石比为3.3%,相应密度为
3
21506g/cm,空隙率为2.53%。
根据上述研究结果,绘出三种方法的最佳油石比及最佳油石比时的密度、空隙率关系图,以比较
1076重庆交通大学学报(自然科学版) 第27卷
GTM法、大马歇尔法、Superpave旋转压实体积法所
确定沥青稳定碎石混合料最佳油石比的差异,如图11～图13
。
3 结 论
基于重交通道路沥青稳定碎石基层性能要求,
对大粒径沥青稳定碎石混合料组成设计方法进行了对比试验研究,获得以下研究结论:
1)通过SKAH270、中海AH270、大港AH250三种重交石油沥青及混合料对比研究表明,采用低针入度级的大港AH250硬沥青的沥青稳定碎石基层,其稳定度指标高于SKAH270、中海AH270沥青。
2)通过5种ATB25和4种ATB30级配沥青稳定碎石混合料骨架嵌挤结构分析,结果表明,为形成嵌挤骨架结构,4.75mm通过率应接近30%,在此基础上优化、ATB25#和3027,稳定度通常能满足大于15kN的要求,而满足流值指标要求的沥青范围较大,对最佳油石比的确定难以起到控制作用,因此应重点考虑密度、空隙率、饱和度、稳定度等4项指标。
4)对大马歇尔法、Superpave旋转压实体积、GTM法3种方法进行对比研究,试验结果表明,GTM法确定的沥青稳定碎石混合料最佳油石比略大,最佳油石比时混合料的密度较大,而空隙率较小,GTM法设计的沥青混合料具有相对较强的抗变形能力,对于重载交通道路,建议采用GTM方法进行沥青稳定碎石基层的混合料设计及压实质量控制。参考文献:
[1] JTGF40—2004,公路沥青路面施工技术规范[S].[2] 张起森,冯俊领,查旭东.大粒径沥青混合料路用性能
图11
三种方法确定的最佳油石比
图13 三种方法最佳油石比时的空隙率
由图11知,对于2#级配,采用大港AH250沥
青,GTM法确定的最佳油石比比大马歇尔法和Su2perpave旋转压实体积法大0.3%;采用中海AH270沥青,GTM法确定的最佳油石比比大马歇尔法大011%。由图12和图13知,最佳油石比时,GTM法设计的混合料密度和空隙率与大马歇尔法、Super2pave旋转压实体积法有较大差异,对于AH250沥青,其密度比大马歇尔法、Superpave旋转压实体积
3
法大01028g/cm;空隙率比大马歇尔法小1.49%,比Superpave旋转压实体积法小1.48%;对于AH2
3
70沥青,其密度比大马歇法大0.016g/cm,空隙率比大马歇尔法小0.77%。由于GTM法采用揉搓压实,且设计压强较大,并采用较高的抗剪强度安全系数GSF(GSF≥1.3)控制混合料设计,因此与其它两种方法比较,GTM法能获得较高的密度、较小的空隙率。
研究[J].长沙理工大学学报,2004,1(1):8213.[3] 刘中林,田 文,史建方,等.高等级公路沥青混凝土
路面新技术[M].北京:人民交通出版社,1999.[4] 韩子东.道路结构温度场研究(硕士学位论文)[D].
西安:长安大学,2001.[5] 杨 群.高速公路沥青稳定基层结构与设计方法研究
(博士学位论文)[D].南京:东南大学,2001.
[6] JTJ052—2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规范
[S].