级配对沥青混合料水稳定性影响的研究
【摘 要】本文选取AC-13典型级配，分别进行沥青混合料水稳定性试验研究。分析了矿料级配对AC-13沥青混合料水稳定性的影响；并采用分形理论分析了冻融劈裂试验结果，获得了水稳定性良好的AC-13级配分维数取值范围。在此基础上提出了海南潮湿多雨气候上面层沥青混合料矿料级配的选择建议。
【关键词】级配；AC-13；沥青混合料；水稳定性；分维数
0 前言
沥青混合料的水稳定性是影响沥青路面抗水损能力的最根本的因素，影响沥青混合料水稳定性的因素除了荷载、水分供给、压实质量等外在因素外，主要是矿料的性质、沥青的性质及用量、沥青与矿料之间的相互作用、沥青混合料矿料的级配等。本文将通过沥青混合料（试件）的水稳定性试验， 研究分析矿料级配的变化对SBS改性沥青AC-l3沥青混合料水稳定性的影响， 并在此基础上提出矿料级配的选择建议。
1 级配设计
1.1 级配设计思路
对于沥青混合料级配设计来说，需要解决三个方面的问题：粗集料的合理结构组成；填充细集料的合理组成；粗细集料的合理比例。本文进行研究时，粗集料的结构组成采用堆积密度试验进行逐级堆积，得到间隙率较小的矿料级配作为优化后的粗集料合理结构组成；通过选取典型级配重点研究填充细集料的合理组成以及粗细集料的合理比例。试验用沥青采用SBS改性沥青，粗集料采用破碎卵石，细集料采用石灰岩机制砂。将集料分筛为单粒径进行试验研究。
1.2 堆积密度试验方案与结果
将各单粒径粗集料按不同比例1：1、1：2、1：3、2：1、3：1等不同比例混合后，按T0309-2005方法进行堆积密度试验。通过逐级堆积试验，得到破碎卵石的堆积特性。一阶段堆积试验结果表明：13.2mm：9.5mm比例为1：2时自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值，13.2mm： 9.5mm最佳比例为1：2。二阶段堆积试验结果表明：（13.2mm～9.5mm）：4.75mm最佳比例为1：1，当比例超过1：1后即4.75mm颗粒越多时，自然堆积间隙率与捣实堆积间隙率均均明显呈现增大趋势。三阶段堆积试验结果表明：（13.2mm～4.75mm）：2.36mm最佳比例为3：1，其自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小；2.36mm加入后，矿料的间隙率下降比较明显，约下降了2%，反映出2.36mm对混合料的填充作用明显。由堆积密度试验得到破碎卵石13.2mm～2.36mm的最佳比例为：13.2mm： 9.5mm： 4.75mm：2.36mm=1：2：3：2。
1.3 典型级配的选取
本文选取了13条典型级配进行研究，如表1所示。1#～5#级配代表5种关键筛孔通过率即5种不同粗细比例的矿料级配，其细集料部分粗细适中；6#～13#级配代表8种不同细集料形状的矿料级配，其中6#～7#和10#～11#级配细集料上部偏少下部偏多，8#～9#和12#～13#级配细集料上部偏多下部偏少；6#～9#比10#～13#级配偏细。
2 试验结果与分析
2.1 马歇尔试验结果与分析
拟定五种油石比（3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%），按规范方法成型马歇尔试件，根据马歇尔体积特征得到13种级配的最佳油石比，如表2所示。
不同级配对混合料的毛体积相对密度、空隙率、饱和度、稳定度和流值均有一定的影响。所选13种不同级配的最佳油石比介于4.2%～4.9%之间。由级配1#～5#马歇尔试验结果可知：随着矿料级配关键筛孔通过率的降低，沥青混合料最佳油石比逐渐减小；级配6#、7#为细集料级配曲线上半部分用量相对较少而下半部分用量相对较多（级配6#、7#细集料相对偏多），细集料整体偏细，通过马歇尔试验达到最佳油石比时所需的沥青多，最佳油石比偏高；级配8#、9#两种级配细集料级配曲线上半部分用量相对较多而下半部分用量相对较少，细集料整体偏粗，达到最佳油石比时所需的沥青少，但其设计空隙率偏大。10#～13#级配比6#～9#级配偏粗，达到最佳油石比时所需的沥青少。
2.2 冻融劈裂试验结果与分析
沥青混合料的水稳定性可根据它在浸水条件下物理力学性能降低的程度来表征。目前国内外应用较多的方法是浸水马歇尔试验、浸水劈裂强度试验、浸水抗压强度试验、真空饱水冻融后劈裂强度试验、浸水车辙试验等。大量研究表明冻融劈裂强度试验比浸水马歇尔试验更能反映沥青混合料的水稳定性。
在最佳油石比OAC条件下，按规范要求进行的冻融劈裂试验结果如图1～图2所示。
在最佳油石比的条件下，AC-13冻融劈裂强度比TSR与2.36mm通过率的回归关系式为y = 0.382x + 73.77，其相关系数0.89，相关性良好。2.36mm通过率对冻融劈裂强度比TSR的影响比较明显；2.36mm通过率在25%以上时，冻融劈裂强度比TSR较佳，沥青混合料水稳定性较好；2.36mm通过率小于25%时，冻融劈裂强度比TSR略低于80%，不满足规范要求。
在最佳油石比的条件下，AC-13不同细集料形状的冻融劈裂强度比TSR试验结果表明：细集料形状对沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR的影响较大；细集料曲线上半部分用量较多而下半部分用量较少，混合料因没有足够多的细料填充矿料间隙从而使混合料空隙较大，沥青混合料的水稳定性较差；而级配3#、7#细集料部分粗细搭配较为适宜，对应的沥青混合料水稳定性能较优。
沥青混合料的体积参数对冻融劈裂强度比TSR有着显著影响。AC-13各级配在最佳油石比OAC±0.3%条件下各试件的空隙率、沥青饱和度与冻融劈裂强度比TSR的关系如图3～图4所示。
由图3、图4可知：冻融劈裂强度比TSR随着空隙率的增加而降低，随着沥青饱和度VFA的增加而增加。VV的减小以及VFA的增加能够有效避免水进入到混合料内部，提高了沥青混合料的水稳定性，这与实际路面使用性能一致。对AC-13冻融劈裂强度比TSR与空隙率VV或饱和度VFA进行回归分析，其相关系数r大于0.80，线性相关性良好。
2.3 冻融劈裂试验结果的分形分析
级配粗细比例变化时，其相应的冻融劈裂强度比TSR与级配分维数D如表3所示。
由表可表3可知，当级配的粗细比例发生变化时，随着油石比与级配分维数D的增加，冻融劈裂试验强度比TSR呈增加趋势。这是因为，沥青用量增多，使得混合料中的空隙率减小，联通空隙形成的机率也变小，集料表面增厚的沥青膜增强了混合料抵抗水的侵害作用，水稳定性自然增强。对冻融劈裂抗拉强度比TSR与集料的级配分维维数D进行线性回归如图5。
级配分维数D增大，集料结构就越复杂，集料空间填充能力就越强，相应的混合料空隙率减小，使得混合料的水密性增强，混合料水稳定性提高。由已知的线性回归公式可知，要满足沥青混合料要满足沥青混合料冻融劈裂强度比TSR大于75%的要求，集料AC-13的级配分维数D的取值范围为：D≥2.465，由图5线性关系可知，其相应的关键筛孔2.36mm的通过率应大于24%。
当粗集料用量恒定，粗细比例一致，细集料级配根据n值变化，且矿粉用量也相应变化时，其相应的冻融劈裂强度比TSR与级配分维数D如表4所示。
表4 级配细集料形状变化冻融劈裂试验结果
由表可表6可知，当粗集料用量恒定，粗细比例一致，细集料变化时，随着油石比与矿粉含量的增加，冻融劈裂试验强度比TSR呈增加趋势。对冻融劈裂抗拉强度比TSR与集料的级配分维维数D进行线性回归，如图6。
级配分维数D增大，矿粉含量增多，集料的比表面积增大，随着沥青用量的增加，包裹细料的沥青膜增厚，空隙率明显减少，水稳定性良好。由已知的线性回归公式可知，要满足沥青混合料要满足沥青混合料冻融劈裂强度比TSR大于75%的要求，集料AC-13的级配分维数D的取值范围为：D≥2.432。
综合细集料的合理组成以及粗细集料的合理比例两个方面，为了获得优良的水稳定性，密集配混合料AC-13的级配分维数对应冻融劈裂强度比TSR的分维数D≥2.465。
2.4 工程设计级配范围
综合粗集料堆积密度试验结果、13种不同级配的AC-13沥青混合料水稳定性试验结果，结合潮湿多雨地区实际情况，提出的适用于潮湿多雨气候特点地区抗水损害的AC-13沥青混合料矿料工程设计级配范围见表5。推荐的AC-13工程级配分维数D取值范围2.3772～2.5519。
表5 推荐的多雨地区AC-13沥青混合料工程设计级配范围
3 结论
（1）堆积密度试验表明AC-13用矿料13.2mm～2.36mm的最佳比例为：13.2mm： 9.5mm： 4.75mm： 2.36mm=1：2：3：2。
（2）最佳油石比时，AC-13沥青混合料冻融劈裂强度比TSR随关键筛孔通过率的减少而减小；级配对冻融劈裂强度比TSR有较大影响，5#、9#、13#级配的沥青混合料空隙较大，水稳定性较差；2#、6#、10#级配的沥青混合料水稳定性能较优；
（3）密集配混合料AC-13的级配分维数对应冻融劈裂强度比TSR的分维数D≥2.465。
（4）推荐了适合海南潮湿多雨气候抗水损害的AC-13沥青混合料工程设计级配范围。
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[责任编辑：薛俊歌]