瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度與公稱最大粒徑關(guān)系研究
摘要：本文針對瀝青結(jié)構(gòu)層厚度與公稱最大粒徑的關(guān)系是影響瀝青混合壓實(shí)性能和耐久性的因素之一，從壓實(shí)性能和路用性能兩方面對瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度的合理比例進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料最大粒徑的比例為2.5時(shí)，瀝青路面具有優(yōu)良的性能．
關(guān)鍵詞：瀝青混合料：面層厚度；公稱最大粒徑；壓實(shí)性能；路用性能
各國對瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度規(guī)定有所不同，我的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40－2004）中關(guān)于瀝青面層厚度與公稱最大粒徑之間關(guān)系有如下的要求：對于熱拌熱鋪密級配瀝青混合料，瀝青層一層的壓實(shí)厚度不宜小于集料公稱最大粒徑的2.5~3.0倍。美國早期規(guī)范中規(guī)定結(jié)構(gòu)層應(yīng)不小于最大粒徑的2倍；在Superpave1998年出版的施工指南中建議瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度宜大于或等于公稱最大粒徑的3倍，對混合料較粗的這個(gè)比例還要增加；澳大利亞瀝青混合料手冊中要求面層厚度宜為公稱最大粒徑的2.5倍；德國的瀝青路面規(guī)范中(94版)中規(guī)定路面厚度與各混合料的公稱最大粒徑的3~5倍。和國外現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)定相比，我們目前實(shí)際工程中所采用的路面厚度偏薄。而瀝青路面厚度和混合料最大粒徑匹配與否影響著勢必影響道路瀝青混合料的壓實(shí)性能，而壓實(shí)是瀝青面層結(jié)構(gòu)層施工中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。影響壓實(shí)效果的因素有很多，如壓實(shí)機(jī)械、碾壓厚度等，在諸多的影響因素中瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度和最大粒徑的關(guān)系不容忽視，兩者的關(guān)系選擇不當(dāng)對壓實(shí)是非常不利的，而壓實(shí)不好就非常容易產(chǎn)生水損害、車轍現(xiàn)象。本文從壓實(shí)角度及相關(guān)路用性能出發(fā)對瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度和最大粒徑兩者之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究，建立兩者的合理關(guān)系，為瀝青混合料類型提供選擇依據(jù)。
一、實(shí)驗(yàn)方案及試件制備
（一）試驗(yàn)方案
本文試驗(yàn)采用的級配為陜西黃巖高速公路施工中采用的AC-13型。根據(jù)定義可知，該級配最大粒徑為16mm，公稱最大粒徑為13.2mm。試驗(yàn)時(shí)S（S定義為路面結(jié)構(gòu)層厚度Ｈ與最大粒徑dmax的比值，即S＝H/dma）與相應(yīng)板厚的對應(yīng)關(guān)系見表1。
表1S與板厚對照關(guān)系
在相同條件下，按照表中不同的板厚成型板試件，測定不同S下的密度，研究不同板厚和壓實(shí)性能的關(guān)系。并根據(jù)不同板厚下的密度，成型相應(yīng)試件，通過車轍試驗(yàn)、殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)等進(jìn)行路用性能分析，最終確定合理的S，以供路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(jì)時(shí)參考。
（二）試件制備
測定不同S下密度的試件采用輪碾法成型板。成型板試件時(shí)，均采用最佳瀝青用量下的毛體積密度進(jìn)行配料，并在相同的壓實(shí)功、相同的拌和溫度和相同的壓實(shí)溫度下成型試板。為了便于量測將成型好的試板切成面積大致相當(dāng)?shù)?小塊，用于測定各自的密度，見圖1。
水穩(wěn)性試件是采用不同板厚下的密度按馬歇爾法成型，即為馬歇爾試件圖1切塊實(shí)物圖
。低溫和疲勞試件是由板試件按規(guī)定尺寸切割而成。
二、原材料選用
本文集料采用陜西藍(lán)田安山巖，集料技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果滿足要求；礦粉由石灰?guī)r研磨而成，其試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求；瀝青為ESSO-90，進(jìn)行各項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)測試，技術(shù)性能滿足A級瀝青技術(shù)要求。級配采用黃延高速公路瀝青混合料的試驗(yàn)室配合比，如表2所示。
三、面層厚度與粒徑的關(guān)系對壓實(shí)性能影響分析
瀝青混合料必須經(jīng)過拌和、攤鋪、碾壓三個(gè)施工環(huán)節(jié)才能形成具有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，在這三個(gè)環(huán)節(jié)中碾壓對混合料的強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用，因此需要對不同S下的壓實(shí)性能進(jìn)行分析。
�。ㄒ唬┰囼�(yàn)結(jié)果
不同S下，瀝青混合料物理指標(biāo)見表3。
表3不同S下瀝青混合料的物理指標(biāo)
�。ǘ┰囼�(yàn)結(jié)果分析
1、S與瀝青混合料密度的關(guān)系
眾所周知，瀝青混合料的密實(shí)程度直接影響到材料的強(qiáng)度，如抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。在相同的條件下，密實(shí)程度好的材料具有較高的強(qiáng)度，反之，強(qiáng)度則較低。由于瀝青混合料是一種粘性極其顯著的材料，一般說來，相同的壓實(shí)溫度、壓實(shí)功、級配、瀝青用量和壓實(shí)速度，混合料的密實(shí)程度與壓實(shí)厚度有著重要的關(guān)系，也即密實(shí)程度與S有著重要的關(guān)系。
從圖2中可以得出：（1）混合料毛體積密度隨S的增加而增加，當(dāng)S為3.0時(shí)密度達(dá)到最大值。S從3.0到3.5，毛體積密度隨S的增加而具有減小的趨勢。因此，可以認(rèn)為在相同的條件下當(dāng)S為3.0時(shí)瀝青混合料是最密實(shí)的，壓實(shí)性能最好。（2）S為2.0時(shí)毛體積密度較小主要是由于厚度太薄，石料在混合料碾壓過程中被壓碎且成為支撐，使混合料不能進(jìn)一步被壓實(shí)而造成的，仔細(xì)觀察切塊就會(huì)發(fā)現(xiàn)稍微大一點(diǎn)的石料大多有壓碎的裂縫。這一現(xiàn)象說明板厚不能太�。⊿不能過�。�，否則會(huì)影響混合料的壓實(shí)性能。（3）當(dāng)S為3.5時(shí)混合料的毛體積密度下降是因?yàn)閴簩?shí)功不足造成的。這說明板厚也不能太厚，否則也會(huì)影響壓實(shí)性能。因此，從密度角度來看，S的合理比例為3.0左右。
2、S與VV的關(guān)系
空隙率VV是瀝青混合料一個(gè)非常重要的體積指標(biāo)，它對混合料的使用性能和使用壽命都有很大的影響，尤其是對水穩(wěn)定性有著很大的影響。理論上，空隙率為零時(shí)，瀝青混合料完全不透水，因而其水穩(wěn)性最好，當(dāng)然從其它的路用性能上講，空隙率不能太小就另當(dāng)別論了。研究表明，當(dāng)空隙率在8％～15％之間時(shí)最容易發(fā)生水損害。因此，控制好瀝青混合料的空隙率就非常重要了。影響混合料空隙率的因素很多，面層厚度與公稱最大粒徑比S就是其中之一。當(dāng)其它條件都相同時(shí)，會(huì)因S的選用不合理而影響混合料的壓實(shí)性能，從而導(dǎo)致混合料的VV偏大。所以選擇合理的S對瀝青混合料的VV也是非常重要的。
從圖3中可以看出，在其它條件都相同的情況下，VV大體上隨板厚的增加而下降，VV在S為2.0時(shí)最大，是因?yàn)镾較小，結(jié)構(gòu)層厚度太小，瀝青混合料過壓而造成的。當(dāng)S為3.0時(shí)空隙率達(dá)到最低值，并且和采用馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的空隙率值相當(dāng)。當(dāng)S大于3.0時(shí)VV有增大的趨勢。
3、S與VFA的關(guān)系
從圖4瀝青混合料飽和度VFA和S的關(guān)系可以看出：在S=2.0~3.0之間時(shí)，VFA隨S的增大而增大，并在3.0時(shí)VFA達(dá)到最大值，且達(dá)到設(shè)計(jì)要求，隨后VFA隨S的增大而減小。實(shí)際上，VFA的變化主要受VV的影響。從VFA的變化進(jìn)一步證明了如果結(jié)構(gòu)層太薄，會(huì)因過壓或壓實(shí)不足而使混合料的飽和度降低。這也同樣要求設(shè)計(jì)時(shí)必須選擇合理的結(jié)構(gòu)層厚度。
綜上分析，從壓實(shí)性能（即毛體積密度、VV、VFA）來看，S的合理比例應(yīng)該為3.0左右。該比例能夠使瀝青混合料達(dá)到最好的密實(shí)性。
四、面層厚度與粒徑的關(guān)系對路用性能影響分析
不同的瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度與公稱最大粒徑比S必然有不同的路用性能。為了能使路面給車輛提供穩(wěn)定、耐久的服務(wù)，瀝青混合料必須具有良好的路用性能，也就是路用性能是檢驗(yàn)混合料的標(biāo)準(zhǔn)，因此通過路用性能的好壞來檢驗(yàn)和選擇合理的S是比較客觀、科學(xué)的。路用性能主要包括兩部分：結(jié)構(gòu)性能和表面功能。結(jié)構(gòu)性能包括水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能，而表面功能主要是指路面的抗滑性能和平整性能。本節(jié)主要研究混合料的結(jié)構(gòu)性能，即研究S與水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性之間的關(guān)系，并通過這些性能來確定合理的S。
1、S與水穩(wěn)定性關(guān)系
用殘留穩(wěn)定度MS0和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR來評價(jià)不同S下瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果如表3.4所示。
3.4浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表3.5凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表
從表3.4可看出，S在2.0~2.5之間時(shí)，殘留穩(wěn)定度升高；當(dāng)S大于2.5時(shí)，殘留穩(wěn)定度有下降的趨勢，而且S從3.0到3.5殘留穩(wěn)定度下降非常明顯。從殘留穩(wěn)定度角度看，合理的S值為2.5~3.0。
從表3.5可看出，S從2.0~3.0，混合料的TSR隨S的增大而增大，并在3.0時(shí)達(dá)到最大值，隨后TSR隨S的增大而減小。從TSR結(jié)果來看，S的合理值為3.0左右。
從上述的殘留穩(wěn)定度和TSR試驗(yàn)結(jié)果綜合考慮，S的合理值應(yīng)為3.0。不同S所對應(yīng)的水穩(wěn)定性規(guī)律也間接體現(xiàn)了混合料的壓實(shí)性能。因?yàn)闅埩舴�(wěn)定度與TSR和混合料的空隙率有著很大的關(guān)系，當(dāng)空隙率大時(shí)其相應(yīng)的殘留穩(wěn)定度和TSR就較小。
2、S與高溫穩(wěn)定性關(guān)系
不同S所對應(yīng)的車轍試驗(yàn)結(jié)果見表6。從表中可以看出，對于AC-13型瀝青混合料，不同S對應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)定度DS均滿足高速公路大于800次/mm的要求。但相比之下當(dāng)S＝3.0時(shí)的DS最大，說明適當(dāng)?shù)谋砻鎸咏Y(jié)構(gòu)層厚度和公稱最大粒徑比能提高瀝青混合料的壓實(shí)性能，從而提高混合料的高溫穩(wěn)定性。另外，從相對變形來看S=3.0時(shí)的相對變形最小，也說明該比例下的高溫抗車轍能力最好。因此從高溫穩(wěn)定性角度來看，S適宜的比例為3.0左右。
表6不同S所對應(yīng)的車轍試驗(yàn)結(jié)果表7－10℃低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果
不同S值的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表7。從表中可以得出以下結(jié)論：（1）從最大彎拉應(yīng)變來看，不同的S所對應(yīng)的最大彎拉應(yīng)變差別不大，但相比之下S＝3.0時(shí)要大些；（2）從勁度模量來看，S＝3.0的彎曲勁度模量最小，S＝2.0的最大，而彎曲勁度模量越大表明混合料的低溫抗裂性越差，所以當(dāng)S＝3.0時(shí)的低溫抗裂性較好。
綜合低溫彎曲的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)S＝2.5～3.0時(shí)的瀝青混合料的低溫抗裂性較好。
五、結(jié)論
�。�1）瀝青面層結(jié)構(gòu)層厚度與混合料公稱最大粒徑比對壓實(shí)性能有重要的影響，合理的比例關(guān)系能夠提高瀝青混合料的壓實(shí)密度；
�。�2）瀝青混合料的路用性能和其壓實(shí)性能密切相關(guān)，良好的壓實(shí)性能可以顯著提高瀝青混合料的路用性能；
�。�3）無論是壓實(shí)性能還是路用性能，本文建議面層結(jié)構(gòu)層厚度與混合料公稱最大粒徑比S采用3.0左右。我國目前常采用的結(jié)構(gòu)層厚度相對于3.0這個(gè)比例關(guān)系而言有點(diǎn)偏薄。
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