开级配大粒径沥青混合料的结构设计分析

开级配大粒径沥青混合料的结构设计分析摘要：为探讨开级配大粒径沥青混合料（LSAM）作为裂缝缓解层和受压层的使用效果，本文通过对原材料性质、集料结构设计、沥青含量确定和路用性能评价四方面的研究，分析了增加沥青膜厚度和接触点的措施，以贝雷法结合Superpave方法对开级配大粒径沥青混合料进行设计和试验，提出了开级配大粒径沥青混合料的原材料要求、沥青混合料结构设计方法和评价指标，并在夏汾高速公路加铺改造实体工程加以应用。实践证明：按照结构设计的开级配大粒径沥青混合料提高了粘聚力，具有优良的抗反射裂缝性能、高温稳定性、水稳定性和耐久性关键词：裂缝缓解层；结构设计方法；开级配大粒径沥青混合料；贝雷法；加铺改造Large Stone Open-Graded Asphalt Mixture design and analysis of the structure Abstract: This study used Large Stone Open-Graded Asphalt Mixture（LSAM） as material of the cracking relief layer and compression layer to improve mixture application. This paper analyse measures that increase asphalt film thickness and contact point by studying of the raw materail nature, aggregate structural design, asphalt content identification and pavement performance evaluation. Bailey method combined with Superpave method ,designed and texted the open-graded LSAM, for which put forward requirement of raw material , structural design of asphalt mixture methods and evaluation indicators. Meanwhile it applied in overlay transformation in Xiafeng expressway. Results indicated that use the structural design of the open-graded LSAM could improve cohesion, Reflective Cracks,high temperature stability, water stability and durability.Key words: cracking relief layer; structural design meathod; Large Stone Open-graded Asphalt Mixture; Beiley method; Repaving and Reform0 引言对旧水泥路面改造最常见和有效的方法就是在其上加铺沥青面层，不仅可以改善原水泥混凝土路面的使用性能，提高路面行驶的舒适性，而且又能充分利用旧水泥混凝土路面的剩余强度，对交通及环境影响也很小。这种方法同时附带的最主要问题就是如何防治反射裂缝，使加铺改造后道路能够继续承担未来的交通量增长，这也是目前道路界亟待解决的问题之一。20世纪60、70年代,美国开始使用开级配大粒径沥青混合料用于防止反射裂缝1，经试验路检测表明防裂效果良好。我国山东省深入研究了半开级配的大粒径沥青混合料LSPM2，提出了大马歇尔设计指标。本文作者参照国内外开级配大粒径沥青混合料设计和使用的经验，提出了开级配大粒径沥青混合料原材料的选择评价指标、结构设计方法和路用性能评价指标，并在夏汾高速公路加铺改造工程中作为水泥混凝土面板之上的裂缝缓解层使用。1 开级配大粒径沥青混合料的结构设计原理1.1 开级配大粒径沥青混合料的理论基础开级配大粒径沥青混合料结构按嵌挤原则构成，石料与石料之间形成互相嵌挤的骨架，在沥青胶结料的粘结作用下成为一个相对稳定的整体，混合料中内摩擦力与嵌挤力起主要作用，结构强度受沥青胶结料的性质和物理状态影响较小，因而高温稳定性较好3；开级配大粒径沥青混合料空隙率18%，由于空隙率较大，在反射裂缝的扩展过程中，其孔洞的存在将极大的消减裂缝尖端的应力集中1，有利于改善铺装层的整体受力状态，阻碍裂缝的进一步发展。1.2 沥青胶结料的选择评价对于开级配大粒径沥青混合料而言，沥青胶结料的作用是将矿质混合料牢固地粘结在一起使其整体受力而不发生松散、剥离和流动，因此必须采用高粘结性的沥青胶结料；由于空隙率大，又要求胶结料具有良好的耐老化能力，并且与集料粘结良好。在夏汾高速公路改造工程中，开级配大粒径沥青混合料胶结料采用SBS改性沥青，使用Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder（AASHTO M 320-2003）对改性沥青胶结料进行评价，考虑到开级配大粒径沥青混合料更加注重于提高抵抗松散、剥离和流动的路用性能，增加了60动力粘度和粘附性的要求，试验结果如表1所示：表1 沥青胶结料试验结果Tab.1 Test Result of Asphalt Cement类别 项 目标准值测定值原样沥青闪点（）230285运动粘度（Pas，135)3.02.9动态剪切，G*/sin(kPa，8210rad/s)1.004.57动力粘度（Pas，60）300010623与石灰岩粘附性4级5TFOT后质量改变(%)-1.00+1.00-0.11动态剪切，G*/sin(kPa，8210rad/s)2.203.98PAV老化后蠕变劲度(-1260s)S（MPa）300119m0.3000.303动态剪切，G*sin(kPa，3410rad/s)50005000性能分级PG 76-22PG 82-221.3 矿质集料的要求大粒径沥青混合料结构按照嵌挤原则设计，所用的粗集料要求石质坚硬和颗粒形状良好，除满足相关规范技术要求外，还要求对集料磨耗损失、棱角性、压碎值、针片状颗粒含量提高技术要求。在夏汾高速公路改造工程中针对上述分析提高了石灰岩集料的技术标准，见表2： 表2 矿质集料试验结果 Tab.2 Test Result of Aggregates试 验 项 目开级配大粒径用粗集料技术要求测定值洛杉矶磨耗损失 不大于(%)3024.8棱角性 不小于(%)85100压碎值 不大于(%)2623.0针片状颗粒含量 不大于(%)15102 开级配大粒径沥青混合料的结构设计2.1 合成集料结构设计开级配大粒径沥青混合料按嵌挤原则进行设计，所形成的骨架空隙结构由于空隙较大和集料之间接触面少降低了粘聚力，为提高粘聚力，须在集料结构设计中构造尽量多的接触面。有鉴于此，在进行开级配大粒径沥青混合料结构设计时，认为开级配大粒径沥青混合料中矿质集料分为两种：置于单元体积中能够形成嵌挤的集料颗粒；置于单元体积中用于填充空隙的集料颗粒。以贝雷法4进行结构设计，使上述两种类型的集料颗粒有效排列接触，形成最大接触面，从而达到最大粘聚力。这种类型的排列结构在骨架空隙结构中也是最优的，多次试验证明，若集料结构设计不合理，开级配大粒径沥青混合料在压实成型后会出现松散，在浸水残留稳定度试验中会出现剥离。表3 LSAM-25（开）配合比设计级配 Tab.3 Design Gradations of LSAM-25级配类型下列筛孔的通过率（%）（方孔筛）31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075LSAM-25（开）10099.784.072.455.830.37.23.23.23.23.23.22.5所使用LSAM-25（开）矿质混合料设计材料采用10-25mm、10-20mm、5-10mm三种石灰岩碎石及石灰岩磨细矿粉，以10-25mm和10-20mm石灰岩碎石作为嵌挤集料，以5-10mm石灰岩碎石作为填充集料并形成次骨架，为使混合料减少离析和破碎，适当减少10-25mm成分，大量增加10-20mm成分，然后使用贝雷法以5-10mm成分作为填充集料和形成次骨架完成体积设计，组成材料中矿粉用量为合成集料的3%，合成级配和级配曲线见表3。2.2 最佳沥青用量的设计鉴于开级配大粒径沥青混合料的骨架空隙结构特点，为了提高开级配大粒径沥青混合料的粘结性和耐久性，其最佳沥青用量的设计以形成最大有效沥青膜厚度为原则确定最小沥青用量5，油膜厚度要求14m；为防止沥青过量使用，通过谢伦堡沥青析漏试验确定最大沥青用量，在确定的允许沥青含量范围内通过大马歇尔6或Superapve体积设计方法并视沥青胶结料的粘结性确定最佳沥青用量。需要注意的一个问题是：矿粉对于开级配大粒径沥青混合料结构的形成具有重要意义（见图1）。图1 粉胶比与谢伦堡析漏损失及压实成型温度关系（用油量3.02%）Fig.1 Correlation of Dust-to-Binder Ratio and Schellenberg Binder Drainage开级配大粒径沥青混合料设计未采用矿粉时，在满足析漏损失要求情况小用油量偏小，这导致成型后的沥青混合料不仅油膜厚度达不到14m的要求，粘聚力不足，而且拌和后的混合料在较高温度下难以成型；调整使用了矿粉之后，混合料用油量显著增加（增大1%左右），同时也使成型温度提高了约20，增加了有效压实时间。很显然，开级配大粒径沥青混合料使用矿粉形成沥青胶浆后，可以有效增加结构沥青膜厚度，使粘聚力和耐久性得到增强；此外，沥青胶浆所体现出的粘附性和粘弹性变化，影响着开级配大粒径沥青混合料的高温性能、水稳定性和耐久性，这就要求沥青胶浆具有合适的粉胶比，若粉胶比过小必然会使结构沥青膜厚度减薄，粘聚力减小，反之若过大，不仅会结团使粘结性降低导致耐久性受到影响，而且会使开级配大粒径沥青混合料拌和、碾压温度升高，给施工带来不便，因此综合考虑有效沥青膜厚度和施工可行性，并通过施工过程中测量碾压成型温度，确定出开级配大粒径沥青混合料粉胶比宜在0.71.0范围内。采用Superpave体积设计方法7和大马歇尔方法两种方法进行开级配大粒径沥青混合料的最佳沥青用量设计，LSAM-25（开）的试验结果及铺筑后路面钻芯芯样的试验结果见表4：表4 LSAM-25（开）采用两种成型方法的压实特性比较 Tab.4 Comparisons of Compaction property of LSAM-25 Using Two Methods of Compaction Forming Comparison试验方法沥青含量（%）密度（g/cm3）空隙率（%）压实后4.75mm通过率增加（%）Superpave（50次）3.021.99322.12.6Superpave（75次）3.022.01121.44.9Superpave（100次）3.022.04819.97.9大马歇尔击实（50次）3.021.93124.58.7大马歇尔击实（75次）3.022.05419.717.5路面钻芯芯样3.022.02021.04.3由表4数据，Superpave体积设计方法和大马歇尔方法成型后集料均有部分破碎，相比之下，大马歇尔方法成型压碎较多，特别是是在双面击实75次时，压实后4.75mm通过率增加了17.5%，从双面击实50次到75次，集料破碎增加很多，很显然大马歇尔击实难于使开级配大粒径沥青混合料集料有效排列填充，击实密度增大系集料压碎填充所致；而Superpave体积设计方法在75次旋转压实成型时，压实后4.75mm通过率仅增加了4.9%，与路面芯样4.75mm增加的通过率和密度相比数值最为接近，具有良好的相关性，由此可见，Superpave旋转压实机可以通过搓揉剪切作用使开级配大粒径沥青混合料有序排列和填充，形成良好的接触填充结构。 根据上述试验结果，LSAM-25开级配大粒径沥青混合料采用Superpave体积设计方法75次旋转压实成型，配合比试验结果如下：表5 LSAM-25（开）配合比设计试验结果Tab.5 Result of Mix Design of LSAM-25试验方法用油量（%）密度（g/cm3）空隙率（%）有效沥青膜厚度（m）谢伦堡沥青析漏损失（%）粉胶比Superpave（75次）3.022.00721.515.00.230.843 开级配大粒径沥青混合料的路用性能分析 开级配大粒径沥青混合料由于其骨架空隙结构的特性，与密级配沥青混合料相比，低温抗裂性能、抗疲劳性都比较差；基于其骨架空隙结构，变形能力也不强，因此在设计时应将其作为裂缝缓解功能层或受压功能层使用8，在其上设置沥青混合料抗拉层和密水层，在其下设置沥青混凝土抗疲劳层。基于上述分析，对开级配大粒径沥青混合料的评价应着眼于高温稳定性、抗反射裂缝性能、水稳定性和耐久性的评价。开级配大粒径沥青混合料的路用性能检验试验结果见表6：表6 LSAM-25（开）路用性能评价Tab.6 Evaluation of Pavement Performances of LSAM-25级配类型沥青含量（%）空隙率（%）动稳定度DS（次/mm）车辙系数WRI浸水残留稳定度（%）肯塔堡飞散试验的混合料损失（%）LSAM-25（开）3.0221.51120092.679.235.021.21000088.082.738.221.6966983.784.242.9备注：采用SBS改性沥青的性能分级为PG 82-22。3.1高温稳定性和水稳定性的分析考虑到我国公路工程建设中广泛应用的试验方法，以车辙试验和浸水残留稳定度试验作为开级配大粒径沥青混合料高温稳定性和水稳定性的检验标准，并在原动稳定度评价指标的基础上引入车辙系数WRI作为高温稳定性评价指标9。由表6试验结果，开级配大粒径沥青混合料具有较高的车辙系数、动稳定度和浸水残留稳定度，表现出优良的高温稳定性和较好的水稳定性，3.2 耐久性的分析表6试验结果中飞散损失较大。虽然一些文献中提及开级配大粒径沥青混合料使用沥青混合料肯塔堡飞散试验方法确定最小沥青用量从而间接评价其耐久性，但在夏汾高速公路改造工程建设过程中经过多次试验发现，开级配大粒径沥青混合料采用大马歇尔击实成型试件进行标准飞散的试验结果都不理想，即使在同时增加沥青用量和细集料的情况下，仍然超出20%的飞散损失要求，这表明采用肯塔堡飞散试验损失试验评价其耐久性存在不足，因此在工程应用实践中应通过最小有效沥青膜厚度对开级配大粒径沥青混合料的耐久性加以评价。沥青混合料平均油膜厚度在516m范围内，根据试验结果，掺加矿粉后的LSAM-25（开）在沥青含量达到2.82%时即可易达到14m的技术要求，而在夏汾高速公路路面改造工程建设中，LSAM-25采用沥青含量3.1%。3.3 抗反射裂缝性能的分析根据断裂力学分析，当沥青混合料中存在较大空隙时将极大地消减裂缝尖端的应力集中，从而阻碍裂缝的进一步发展。鉴于目前并无简易可行的抗反射裂缝性能试验方法，对于开级配大粒径沥青混合料抗反射裂缝性能的评价，宜着眼于保证粘结性前提下的空隙程度；此外，旧水泥混凝土路面加铺沥青层的成功与否，关键在于原水泥混凝土面板的处治是否稳定，如若旧板未处理稳定发生板间相对位移，反射裂缝必然会出现；如若旧板处理稳定只是发生尖端应力集中，则骨架空隙结构的开级配大粒径沥青混合料将极大地消减反射裂缝的出现，因此采用空隙率指标评价开级配大粒径沥青混合料抗反射裂缝性能是实用可行的。4 实体工程验证表7 夏汾高速公路加铺改造路面结构及使用性能Tab.7 The Pavement Structure and Service Performance of Xia Fen Expressway Repaving and Reform路面结构交通调查气温（）降雨量（mm）路况反射裂缝（条）车辙最大深度（mm）轻载方向上：4cmSBS改性AC-13下：6cmSBS改性LSAM-25（开级配）经处理的水泥混凝土板8995辆/日大型车比例：48.8%轮胎气压：1.11.4MPa最高：37最低：-20最大气温降幅：10最大：100mm/12小时00重载方向上：4cmSBS改性AC-13下：8cmSBS改性LSAM-25（开级配）经处理的水泥混凝土板8888辆/日大型车比例：50%轮胎气压：1.11.4MPa02备注：上述结果为2010年10月统计数据。夏汾高速公路是山西省交通量和轴载最大的高速公路之一，所处地域气候分区为夏炎热冬寒半干区，原为水泥混凝土路面，因交通量和车辆轴载过大短期发生了大量破碎、短板、错台等病害。夏汾高速公路路面加铺改造工程作为山西省第一条“白改黑”工程，为增强高温稳定性和抗反射裂缝性能，全线54km采用开级配大粒径沥青沥青混合料（LSAM-25）作为裂缝缓解层 。该路经加铺改造后已逾一个寒暑，未出现反射裂缝和车辙病害（见表7）。实践表明：开级配大粒径沥青混合料作为裂缝缓解层具有优良的抗反射裂缝性能、高温抗永久变形性能、水稳定性和耐久性。5 结论1） 开级配大粒径沥青混合料具有优良的高温稳定性和抗反射裂缝性能，但由于其空隙较大，低温抗裂性能、抗疲劳性和耐久性差于密级配沥青混合料，因此在设计时应作为裂缝缓解功能层或受压功能层使用；2） 开级配大粒径沥青混合料属骨架空隙结构，集料结构设计须按照形成骨架结构和最大接触点原则设计，才能获得最大粘聚力，宜采用贝雷法设计；3） 为保证粘聚力，开级配大粒径沥青混合料的沥青胶结料必须采用高粘度沥青；4） 矿粉具有增加有效沥青膜厚度和施工有效压实温度范围的作用，对于提高开级配大粒径沥青混合料的粘聚力和、耐久性和施工便利性起着不可或缺的作用；5） 开级配大粒径沥青混合料宜采用Superpave设计方法75次旋转压实成型，此时集料破碎最少且与压实后路面芯样密度相当；采用大马歇尔设计方法集料破碎多，与压实后路面芯样密度相差甚远。参考文献1. 王嬿 胡旭东 曹志远译. 热拌沥青材料、混合料设计与施工. 人民交通出版社，2009297-2982. 王松根等. 大粒径透水性沥青混合料（LSPM）柔性基层设计与施工指南M.人民交通出版社，2007：1-10.WANG Song-gen,et al. 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