低標號瀝青混合料材料組成設計與性能研究

黨江濤，程 愿，弓 雷

（中鐵一局集團第三工程分公司，陜西 寶雞 721006）

0 引言

受我國復雜的氣候特性的影響，高、低標號的瀝青以及改性瀝青在我國公路建設領域得到了廣泛的應用[1-3]。根據低標號瀝青軟化點高、針入度小、延度小、勁度和黏稠度大等特點，其拌和而成的瀝青混合料具有較優的高溫性能，但通常會伴隨著較強的溫度敏感性[4]?？紤]到新疆地區干燥少雨、光照時間長、晝夜溫差大、極端自然現象頻繁等氣候特點，低標號瀝青的性能特點使其在新疆地區得到應用。

考察國內外關于低標號瀝青的應用進程，20世紀80年代低標號瀝青在法國公路領域得到應用，并在1999年鋪筑了第一條低標號瀝青試驗路段，發現低標號瀝青混合料具有較好的抗高溫性能。國內對低標號瀝青的研究起步較晚，且受到低標號瀝青低溫抗裂性能不足的影響，極大限制了其在我國公路建設中的應用[5]。鄒桂蓮等[6]研究了低標號瀝青的膠漿的流變性能，發現粉油比對瀝青低溫性能的影響與降低瀝青標號大致相當，瀝青膠漿的低溫性能與粉油比成反比，與瀝青標號成正比。此外，進一步研究低標號瀝青混合料配合比設計與性能發現，為保障低標號瀝青混合料的設計質量，不應單純強調低標號瀝青含量低的抗高溫性能，并建議限定低標號瀝青的最小瀝青含量[7-8]。楊琳[9]研究了低標號瀝青與巖瀝青摻配技術的高模量瀝青混合料，并從耐久性角度提出了適宜的巖瀝青摻量為30%～40%。劉闖等[10]分析了低標號硬質瀝青動態剪切流變性能，發現瀝青標號越低其抗高溫的性能越好。蔡俊華等[11]在把低標號瀝青混合料用于福建省的瀝青路面的研究中也得出了同樣的結論?？傮w來說，低標號瀝青的應用在我國已經初具規模，為進一步推廣低標號瀝青在道路建設領域中的應用，需要進一步研究不同低標號瀝青的材料組成設計，分析性能的差異性。

為評估不同低標號瀝青混合料之間的差異，本研究主要分析了2種類型的低標號瀝青混合料的材料組成與性能差異。研究成果可指導工程中低標號瀝青混合料材料組成設計與低標號瀝青的選擇，可進一步推廣其在新疆等高溫、干燥區域中的應用。

1 原材料檢測

設計低標號瀝青混合料的原材料主要包括新疆地區的當地礦石、30#與50#低標號瀝青、礦粉。礦石是瀝青混合料重要組成部分之一，良好性能的礦石有利于保障瀝青與礦料之間的黏附性。因此，選擇新疆地區四種不同的礦料進行X射線衍射儀試驗（X-ray diffraction，XRD），分析其組分，并根據礦料組分的差異判斷酸堿性，為礦料的選擇提供依據。四種礦料的組分分析結果見表1。

表1 礦料組分結果Tab.1 Mineral content results

由表1可知，礦料A、B為堿性集料，礦料C為酸性集料，礦料D基本呈中性。因此，考慮瀝青與集料之間的黏附特性，選擇礦料A作為低標號瀝青混合料材料組成設計。

將礦料A采用破碎篩分的方法分為0～3 mm（6#）、3～6 mm（5#）、6～11 mm（4#）、11～16 mm（3#）、16～21 mm（2#）、21～26 mm（1#）五檔用于低標號瀝青混合料設計，各檔材料的基本性能見表2，礦料級配如圖1所示。此外，為觀察不同規格礦料的表面紋理特性，采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察礦料表面紋理，結果如圖2所示。由圖2可見，礦料A表面較為粗糙，可以提供更多的表面積與瀝青之間相互黏結。兩種類型的低標號瀝青性能試驗結果見表3。

表2 礦料技術指標Tab.2 Performance index of mineral aggregate

表3 瀝青技術指標Tab.3 Performance index of asphalt

圖1 礦料級配Fig.1 Mineral grading

圖2 礦料A表面形態Fig.2 Surface morphology of mineral aggregate A

2 試驗設計

2.1 級配設計

設計AC-25型低標號瀝青混合料的級配，如圖3所示。根據圖3設計級配，得到不同規格礦料的使用比例分別為1#（21～26 mm）∶2#（16～21 mm） ∶ 3#（11～16 mm） ∶ 4#（6～11 mm）∶5 #（3～6mm）∶6#（0～3mm）∶礦粉=18∶11∶12∶20∶9∶27∶3。根據設計級配，采用馬歇爾試驗方法制備試件確定不同低標號瀝青混合料的最佳瀝青含量。

圖3 設計級配曲線Fig.3 Design grading curve

2.2 最佳瀝青含量確定

根據瀝青混合料材料組成設計要求，并結合工程經驗，設計瀝青混合料的瀝青含量分別為3.3%、3.8%、4.3%進行馬歇爾試驗，并制備不同低標號類型的瀝青混合料，測試瀝青混合料的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、穩定度、流值指標，并建立其與瀝青含量之間的關系曲線，結合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中最佳瀝青含量確定要求得到不同低標號瀝青下瀝青混合料的最佳瀝青含量。

2.3 試驗方法

（1）混合料制備

根據設計瀝青混合料礦料級配，分別計算不同材料用量。首先將礦料烘干至恒重，在金屬盤中混合均勻，礦粉單獨加熱，加熱溫度為 165 ℃，把30#和50#瀝青試樣用恒溫烘箱加熱至拌和溫度；其次將試模、套筒及擊實座以100 ℃加熱1個小時，拌和機預熱至165 ℃；然后將加熱后的試件集料倒入拌和機中，加入設計重量的瀝青（瀝青含量為3.3%、3.8%、4.3%的三組），拌和60～90 s后暫停拌和，加入礦粉后繼續拌和180 s；最后按照155 ℃成型溫度成型標準馬歇爾試件。

（2）混合料試驗

按照規程要求分別進行壓實瀝青混合料密度試驗、瀝青混合料馬歇爾穩定度試驗、車轍試驗等，測試瀝青混合料的馬歇爾指標、動穩定度指標，評價瀝青混合料性能。

3 結果分析與討論

3.1 最佳瀝青含量分析

根據馬歇爾試驗測試得到30#與50#低標號瀝青混合料在瀝青含量分別為3.3%、3.8%、4.3%時的毛體積密度（ST）、空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、有效瀝青飽和度（VFA）、穩定度（MS）、流值（FL）指標，結果分別見表4、表5。根據表4、表5可知，30#隨著瀝青含量的增加，瀝青混合料的毛體積相對密度先增加后降低，均符合標準，在瀝青含量為3.9%時達到最大值；空隙率逐漸減小，但均符合標準；礦料間隙率先降低后增加，均符合標準，在瀝青含量為3.8%時達到最小值；有效瀝青飽和度逐漸增加，但瀝青含量小于3.6%時不達標；穩定度先增加后降低，均符合標準，在瀝青含量為3.9%時達到最大值；流值先降低后增加，均符合標準，在瀝青含量為3.8%時達到最小值。而50#隨著瀝青含量的增加，瀝青混合料的毛體積相對密度逐漸降低，但均符合標準；空隙率逐漸減小，瀝青含量大于4.1%時不達標；礦料間隙率先增加后降低，均符合標準，在瀝青含量為3.9%時達到最大值；有效瀝青飽和度逐漸增加，但瀝青含量低于3.8%時不達標；穩定度先降低后增加，均符合標準，在瀝青含量為3.7%時達到最小值；流值逐漸增加，但瀝青含量低于3.8%時不達標。因此，分別確定30#與50#低標號瀝青混合料最佳瀝青含量分別為4.07%、4.10%。

表4 30#低標號瀝青混合料馬歇爾試驗結果Tab.4 Marshall test results of 30# asphalt mixture

表5 50#低標號瀝青混合料馬歇爾試驗結果Tab.5 Marshall test results of 50# asphalt mixture

3.2 不同標號瀝青馬歇爾指標分析

根據設計瀝青混合料的最佳瀝青含量，分別測得不同標號的瀝青混合料馬歇爾指標試驗結果見表6。

表6 馬歇爾試驗結果Tab.6 Marshall test results

由表6可知，在相同設計級配情況下，30#瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、流值指標較50#瀝青混合料低，而毛體積密度、有效瀝青飽和度、穩定度指標則反之。由此可見，較低標號瀝青的使用將會使瀝青混合料保持更低的空隙率與較高的穩定度，有利于瀝青混合料的高溫抗變形能力。此外，較低的空隙率也可減緩水分滲透至瀝青混合料內部的速率，有利于瀝青混合料保持較高的抗水損能力。

3.3 高溫穩定性分析

不同標號瀝青混合料的抗車轍性能試驗結果如圖4所示。由圖4可見，30#與50#瀝青混合料的動穩定度分別為3 623次/mm，1 712次/mm。50#瀝青混合料的動穩定度遠低于30#瀝青混合料，說明30#瀝青具有更高的抗高溫性能。此外，根據《新疆公路瀝青路面設計指導細則》中對Ⅳ區普通瀝青混合料動穩定度要求，30#與50#瀝青混合料的動穩定度均滿足不低于1 000次/mm的設計要求。

圖4 動穩定度結果Fig.4 Dynamic stability results

4 結論

（1）相同地域不同位置的礦料組分具有差異性，應根據礦料組成篩選更符合瀝青與礦料之間黏結需求的礦料設計瀝青混合料。

（2）相同設計級配情況下，30#與50#瀝青的最佳瀝青含量分別為4.07%、4.10%。最佳瀝青含量下，瀝青標號越低的瀝青混合料具有更小的空隙率與更高的穩定度。

（3）30#瀝青混合料動穩定度較50#瀝青混合料高111.6%，瀝青標號越低的瀝青混合料高溫穩定性越好。