李曉龍， 沈菊男， 杜輝， 凌天清

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶市 400074； 2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院； 3.美國喬治亞南方大學(xué))

FDAC瀝青混合料是針對濕熱山區(qū)及河谷地帶提出的強骨架密實型瀝青混合料，采用斷級配，利用高含量的粗集料形成骨架，較少細集料和較多礦粉進行填充，比普通瀝青混凝土減少1/4～1/5的瀝青用量，經(jīng)濟實用，應(yīng)用價值較高。

在中國，瀝青路面均為分層鋪筑，各結(jié)構(gòu)層由于功能、厚度的需求不同而采用不同的最大公稱粒徑。葛冬冬通過單軸貫入試驗發(fā)現(xiàn)瀝青混合料試件內(nèi)剪應(yīng)力隨著公稱最大粒徑的增加而增加；王輝通過對AC-13、AC-20、AC-25共3種粒徑瀝青混合料進行三軸剪切試驗發(fā)現(xiàn)，在最佳油石比下，同類型不同粒徑級配的瀝青混合料隨著最大公稱粒徑的增大，內(nèi)摩擦角φ呈現(xiàn)增大趨勢，黏聚力c呈現(xiàn)減少的趨勢；王富玉在對SAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填料相同時，粗集料含量與DS的相關(guān)性很好。為掌握FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性隨粒徑大小變化的規(guī)律，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，該文采用不同評級指標(biāo)對13、16、20、25 mm共4種粒徑瀝青混合料進行高溫穩(wěn)定性試驗研究。

1 瀝青混合料配合比設(shè)計

不同粒徑FDAC瀝青混合料礦料級配及最佳瀝青用量如表1所示。

表1 不同粒徑FDAC瀝青混合料的礦料級配及最佳瀝青用量

2 試驗方案

(1) 馬歇爾穩(wěn)定度試驗：按標(biāo)準試驗方法進行。

(2) 高溫+重載車轍試驗：車轍試驗分為初始壓密、塑性流動變形(蠕變)及剪切破壞3個階段，如圖1所示?？紤]到氣候因素及交通荷載情況，以60 ℃和70 ℃作為溫度條件、0.7 MPa和0.9 MPa作為荷載條件進行試驗，并在標(biāo)準試驗條件下(60 ℃+0.7 MPa)進行2 520、5 040、7 560次車轍試驗，以觀測不同類型瀝青混合料各試驗階段的時間。

圖1 瀝青混合料車轍試驗不同階段示意圖

(3) 單軸貫入強度試驗：為模擬瀝青路面的受剪狀態(tài)，采用單軸貫入剪切強度試驗進行對比研究，其受力示意圖如圖2所示。試件選用φ101.6 mm×63.5 mm，貫入壓頭選用φ28.5 mm×50 mm，加載速率為1 mm/min，貫入應(yīng)力系數(shù)fr=0.012h+0.22，試驗溫度60 ℃。

圖2 單軸貫入試驗試件內(nèi)部剪切流動示意圖

為排除空隙率的影響，馬歇爾穩(wěn)定度試驗和單軸貫入強度試驗選取空隙率為4%±0.2%的馬歇爾試件進行，高溫+重載車轍試驗選取空隙率為4%±0.3%的車轍板試件進行。

3 不同粒徑FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗分析

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

不同粒徑FDAC瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同粒徑FDAC瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由表2可知：

(1) 馬歇爾穩(wěn)定度隨粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在粒徑為16 mm時達到最高值。當(dāng)粗骨料粒徑增大到一定程度，荷載作用下粗骨料棱角受力狀態(tài)由被動變?yōu)橹鲃?，對四周混合料的剪切作用變大，加速了混合料的整體破壞。

(2) FDAC瀝青混合料穩(wěn)定度與流值受粒徑大小變化的影響較小。

3.2 高溫+重載車轍試驗

3.2.1 不同高溫+重載條件下的車轍試驗

不同粒徑FDAC瀝青混合料在不同高溫+重載條件下的車轍試驗動穩(wěn)定度、變形深度試驗結(jié)果如表3所示。為分析各類型瀝青混合料高溫評價指標(biāo)受溫度因素和荷載因素的影響，計算得到各因素條件下的R值，其中Ⅰ、Ⅱ表示同種因素不同水平效應(yīng)的估計值(即同種影響因素條件下的加和)，K1、K2分別為Ⅰ、Ⅱ的平均值，R為平均值的極差，代表影響因素對結(jié)果的影響幅度。

由表3可知：

(1) FDAC瀝青混合料總體趨勢為隨著粒徑增大，動穩(wěn)定度增大，變形深度減小。

(2) 不同粒徑FDAC瀝青混合料的動穩(wěn)定度與變形深度均為荷載R值大于溫度R值，說明受荷載因素的影響大于溫度因素的影響。

(3) 不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度與變形深度在不同溫度與荷載條件下的波動相對較小，受力狀態(tài)相對均衡，高溫穩(wěn)定性較為穩(wěn)定。

表3 不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度、車轍變形深度試驗結(jié)果

3.2.2 動穩(wěn)定度與變形深度關(guān)系

將不同溫度荷載條件下不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度與變形深度的試驗結(jié)果進行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度與變形深度關(guān)系曲線

由圖3可知：經(jīng)擬合，不同粒徑FDAC瀝青混合料動穩(wěn)定度與車轍變形深度的試驗結(jié)果為對數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.898，因此可采用對數(shù)關(guān)系式：y=-1.675lnx+16.129進行高溫性能的預(yù)測控制。

3.3 單軸貫入強度試驗

不同粒徑FDAC瀝青混合料單軸貫入強度試驗結(jié)果如表4所示，并借鑒文獻[5]、[13]的研究成果計算得到c值和φ值，同時計算瀝青膜厚度，結(jié)果如表5所示。為了研究黏聚力和內(nèi)摩擦角對混合料高溫穩(wěn)定性能影響的大小，采用灰色理論對試驗結(jié)果進行關(guān)聯(lián)度計算，計算結(jié)果如表6所示。

表4 不同粒徑FDAC瀝青混合料單軸貫入強度

表5 不同級配瀝青混合料瀝青膜厚度、粉膠比

表6 黏聚力與內(nèi)摩擦角灰色關(guān)聯(lián)度

由表4～6可知：

(1) 不同粒徑FDAC瀝青混合料單軸貫入強度隨著礦料粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在粒徑為16 mm時達到最大值，其主要原因可能為隨著壓頭的貫入，骨料顆粒將發(fā)生平動與轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被重新排列，粒徑從13 mm增大到16 mm，骨料轉(zhuǎn)動阻力增大，單軸貫入強度也隨之增大；當(dāng)粒徑超過16 mm，內(nèi)部大顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動時會牽動混合料較大空間的變形，并形成向四周施力的“小壓頭”，加速了側(cè)向約束的破壞，導(dǎo)致單軸貫入強度的下降。

(2) 不同粒徑FDAC瀝青混合料無側(cè)限抗壓強度變化趨勢與單軸貫入強度基本一致，且數(shù)值均大于單軸貫入強度。

(3) 各粒徑瀝青混合料內(nèi)摩擦角與黏聚力的差距均較小，說明FDAC瀝青混合料受粒徑的影響較小。

(4) 不同粒徑瀝青混合料單軸貫入深度隨著內(nèi)摩擦角的增大而增加，呈良好的線性關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同粒徑FDAC瀝青混合料貫入深度與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

(5) 瀝青膜厚度與粉膠比呈線性關(guān)系，黏聚力與粉膠比呈拋物線關(guān)系，如圖5、6所示。

圖5 瀝青膜厚度與粉膠比關(guān)系圖

圖6 黏聚力與粉膠比關(guān)系圖

(6) 由灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果可知：黏聚力c對FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響略大于內(nèi)摩擦角φ的影響，其主要原因為瀝青膠漿黏聚力隨骨料表面的吸附與化學(xué)作用而增大，兩者交互影響，互不可分，但在高溫條件下較敏感，對高溫穩(wěn)定性影響較大。

4 評價方法分析

FDAC瀝青混合料通過增強骨架結(jié)構(gòu)和降低瀝青用量來提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能， 在采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗、高溫+重載車轍試驗、單軸貫入強度試驗3種評價方法進行研究時，各評價指標(biāo)所得出的結(jié)論并非完全一致，其中馬歇爾穩(wěn)定度試驗與單軸貫入強度試驗的相關(guān)性較好，二者的變化規(guī)律基本一致，而車轍試驗結(jié)果則與其存在一定的差異。主要原因為車轍試驗主要為過程破壞，而馬歇爾穩(wěn)定度試驗與單軸貫入強度試驗均為瞬時破壞，因此其評價指標(biāo)并不完全沖突，而是可以相互補充，為FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的評價提供更充分、系統(tǒng)的依據(jù)。

5 結(jié)論

通對采用不同評價指標(biāo)對不同粒徑FDAC瀝青混合料進行高溫性能研究，得出以下結(jié)論：

(1) FDAC瀝青混合料隨著集料公稱粒徑的增大，動穩(wěn)定度增大，車轍變形深度減小，馬歇爾穩(wěn)定度與單軸貫入強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(2) FDAC瀝青混合料各評價指標(biāo)受集料粒徑變化的影響有限。

(3) 在高溫+重載車轍試驗中，不同粒徑瀝青混合料均表現(xiàn)為受荷載因素的影響大于溫度因素；經(jīng)擬合，動穩(wěn)定度與車轍變形深度的試驗結(jié)果呈對數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.898，可采用y=-1.675lnx+16.129進行高溫性能的預(yù)測控制。

(4) FDAC瀝青混合料粉膠比與黏聚力呈拋物線關(guān)系，與瀝青膜厚度成反比關(guān)系。

(5) 灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果表明，黏聚力c對FDAC瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響略大于內(nèi)摩擦角φ的影響。