排水性沥青混合料最佳油石比确定方法.pdf

第 4 0 卷 ， 第 4期 2 0 1 5年 8月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 4 0，No ． 4 Au g．， 2 0 1 5 排水性沥青混合料最佳 油石 比确定 方法 付建 红 ( 内蒙古 自治 区东部区高等级公路管理 处，内蒙古 通辽0 2 8 0 0 0 ) [ 摘要】为 了避免常规 配合 比设计确定的最佳油石 比范 围太宽 等问题 ， 提出 了考 虑结构 耐久性和功 能性的 协调统一 的排水性沥青混合料最佳 油石比确定方法 ， 通 过引入扭剪试验和低温 S C B试验来精确计算排水性沥青混 合料 的最佳油石 比， 经室 内析漏 、 分散、 贯人剪切以及 S C B疲劳试验验证 ， 该法具有较好的技术 优越性 ， 研究成果可 对今后 同类型工程设计提供了技术参考 。 [ 关键 词】排水性沥青混合料 ； 扭剪试验 ；半圆弯拉 伸试 验；最佳油石比；结构耐久性 [ 中图分类号 ]U 4 1 4 ． 1 [ 文献标识码】A [ 文章编号 ]1 6 7 4 — 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 — 0 1 0 0 — 0 6 Re s e a r c h o n t he Be s t Ag g r e g a t e Ra t i o De t e r mi n e M e t ho d o f Dr a i n a g e As p ha l t M i x t ur e FU J i a n h o n g ( I n n e r Mo n g o l i a Au t o n o mo u s Re g i o n i n E a s t e r n Di s t r i c t Hi g h w a y Ma n a g e me n t O ff i c e T o n g l i a o ，I n n e r M o n g o l i a 0 2 8 0 0 0 ， C h i n a ) 、 ． [ Ab s t r a c t ]I n o r d e r t o a v o i d t h e r o u t i n e w i t h t h e b e s t a g g r e g a t e r a t i o r a n g e i s t o o w i d e o f d r a i n a g e a s p h a l t mi x t u r e， Thi s a r t i c l e p r o p o s e t o c o ns i d e r t h e s t r u c t u r e d u r a b i l i t y a n d f u n c t i o n a l i t y o f t h e dr a i n a g e a s ph a l t mi x t u r e t o d e t e r mi n e t o d e t e r mi n e t h e b e s t a s p h a l t a g g r e g a t e r a t i o ． b y i n t r o du c i n g t o r s i o n a l s h e a r S CB t e s t a n d l o w t e mp e r a t u r e t e s t t o a c c u r a t e l y c a l c u l a t e t h e b e s t a g g r e g a t e r a t i o o f d r a i n a g e a s p h a l t mi x - t u r e， T h r o u g h i n d o o r l e a k a g e， s c a t t e r e d， pe n e t r a t i o n s h e a r a n d S CB f a t i g u e t e s t a n a l y s i s ， t he me t h o d h a s b e t t e r t e c h n i c a l s u p e r i o r i t y， Re s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v i d e s a t e c h n i c a l r e f e r e n c e f o r f u t u r e s i mi l a r e n g i - n e e r i ng ． [ Ke y wo r d s ]d r a i n a g e a s p h a l t mi x t u r e ； t o r s i o n a l s h e a r t e s t ； s e m i c i r c u l a r b e n d i n g t e n s i l e t e s t ； b e s t a g g r e g a t e r a t i o；s t r u c t u r e d u r a b i l i t y 0 引言 排水性沥青路面从 1 9 3 0年美国俄勒 冈州的萌 芽 ， 到今 天全世 界 的普遍 认 可 和 推 广 。在 历 史 发 展 的进程中为了克服其在使用过程中的缺点， 主要是 材 料选择 和配合 比设 计 的演 变 ， 空 隙率 从 1 2 ％ 提 升 到 2 5 ％ ， 厚度 从 2 c m左 右提 升到 5 c m， 结合 料从 普 通沥青发展到高粘度改性沥青 ， 同时要想实现排水 沥青 路面 在结构 、 水 、 声 和热 等 方 面 的作 用 ， 核 心 是 配合 比设 计 。 目前 ， 根 据 确 定 沥 青 用 量 的 方式 可 以将排 水性沥 青 配合 比设 计 方 法分 为 三 类 ： 第 一 类 ， 应用 压实 的混合 料试件 来确 定沥青 用量 ， 根据 所 选择 的设计 级配 和一 系列 的初试 油石 比制作 混合 料 试 件 ， 然后 测试 并确定 试件 的空 隙率 、 矿料 问隙率 和 沥 青饱 和度等各 项 体 积参 数 和 力 学指 标 ， 并 对 试件 进行 肯塔 堡飞散 试验 和析漏试 验 ； 第 二类 ， 表 面 常数法 ， 根据标准的吸油率试验测定粗细集料的吸 油率 ， 然后采用粗细集料的吸油率并 借助计算公式 计算得到最佳沥青用量 ’ ； 第三类 ， 通过视觉观察 松散 的 沥青混合 料 来确 定 最 佳 沥青 用 量 ， 第 一类 设 计方法确定的最佳沥青用量是一个范围 ， 甚至在有 些情 况下 ， 范 围跨 度 2 ％ ， 因此 不 能对 设 计者 确 定最 佳沥 青用 量提供 科学 的指 导 ， 其 优 点是 在 不 同 的沥 青用量下进行了混合料的性能测试 ， 为设计者提供 了有 意义 的信 息 。其 它 两 类 方 法 则 取 决 于设 计 者的主观臆断， 能确定唯一的最佳沥青用量 ， 并略高 [ 收稿 日期】2 0 1 5 — 0 2 — 0 4 【 基金项 目]国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 0 8 1 1 6 ) 【 作者简介]付建红( 1 9 6 7 一) ， 女， 内蒙古通辽人 ， 副高级经济师 ， 主要从事公路及桥涵 丁程造价及招投标管理 T作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 付建 红 ： 排水性 沥青混合料最佳油石 比确定方法 1 0 1 于应用第一种方法确定的最佳沥青用量 ， 但混合料 综合路用性能并不是最佳。由于排水性沥青混合料 在材料组成设计、 混合料结构等方面均不 同于一般 的沥青混合料 ， 常用的马歇尔试验指标 已不能完全 适用于确定其沥青用量 ， 经验法和试验法还有一个 共同的缺点是没有控制指标 ， 确定 的最佳沥青用量 不能与排水性沥青混合料的路用性能建立起联 系， 没有 充分 考虑 路 面实 际 所处 的环 境 条 件 ， 从 而 导致 评 价 结 果 与 路 用 性 能 相 脱 节 ， 评 价 意 义 不 明 显 。基于 以上考 虑 ， 本 文提 出在 析漏 和 分 散试 验 基 础确定 的沥青范 围基 础上 以耐久 性 和功 能性平 衡 为 原则 ， 基 于扭剪 、 S C B试验 和沥青膜 厚 确定 排水 性沥青混合最佳油石比， 以实现混合料结构耐久性 和功 能性 的协 调统一 。 1主要原材料及配 比 铺 筑 多空 隙沥青 路面选 择性 能优 良的沥青 结合 料至关重要 ， 目前普遍采用高粘度改性沥青来提高 混 合料 的力 学 性 能 ， 所 谓 的高 粘 度 改 性 沥 青 ， 是 指 6 0℃绝 对 粘度在 2 0 0 0 0 P a S以上 的 沥青 ， 试 验 选 用 日本进 口的 T P S高 粘 改性 沥青 ( T P S改性 剂 掺 量为 1 3 ％ ) ， 其主要成分为热塑性橡胶 ， 再配以粘结 性树脂和增塑剂等其他成分 ， T P S高粘改性沥青技 术指标检测结果见表 1 。多空 隙沥青混合 料中， 粗 集 料含 量 占矿料 总量 的 8 0 ％ 以上 ， 通 过 石 石 接触 进 而 形成 骨架 嵌锁 结构 是 其 最 大 的结 构 特征 ， 细 集 料 的用量相对 比较少， 主要是和沥青 、 填料或者纤维一 起 构成 玛蹄 脂 ， 调整混 合料 的空 隙率 ， 提高 胶浆 在集 料 表 面的膜 厚 等功 能 ， 文 中粗 、 细集 料选 用 玄 武 岩 ， 矿 粉 由石灰 岩磨 制 而成 ， 经检 测 集 料 各 项 技术 指 标 均 满 足规 范 要求 。 参 考 萧 山机 场高 速 排水 性 沥青 混 表 1 T P S高粘改性沥青技术指标及要求 Ta b l e 1 TPS h i g h v i s c o s i t y mo di fie d a s ph a l t s p e c i fic a t i o ns a n d r e qu i r e men t s 试验项 目 规定值 试验结果 针入度( 2 5℃ ， 5 s ， 1 0 0 g ) ／ ( 0 ． 1 m m) 软化点( 环球法 ) ／ ℃ 延度 ( 5 c m ／ mi n ， 5℃ ) ／ c m 延度 ( 5 e ra ／ rai n ， 1 5℃ ) ／ c m 6 0 动力粘度／ ( P a s ) 韧性／( N m) 粘韧性／ ( N m) 2 5℃弹性恢 复／ ％ 薄 1 膜 6 3 加 ~ C 热 ．5 试 h 验残 留 ％ 残 留延度 ( 1 5℃ ) ≥4 0 6 8 ≥8 0 8 5 ． 7 ≥2 0 46 ． 4 ≥5 0 8 8 ． 6 ≥ 2 O 0 0 0 2 6 7 7 7 ≥ l 5 l 8 ． 3 ≥2 0 2 4 ． 7 ≥7 5 7 9 ． 8 ≤O ． 6 一O ． 1 9 ≥6 5 8 4 ． 3 ≥ l 5 42 ． 5 合料矿料级配， 并根据 国内京港澳高速公路、 重庆嘉 华大桥桥 面铺 装 沥青 混合 料铺 装 工 程 的实 践 经 验 ” ， 将 4 ． 7 5 m m筛 孑 L 作 为细集 料级 配 的最 大 粒 径 ， 已知矿粉的通过百分率根据富勒级配 曲线设计 细集 料级 配 ， 对 2 ． 3 6 m m 和 0 ． 0 7 5 mm筛 孔 通 过 率 加 以控制 设计 矿料 级配 ， 试验 级配组 成 见表 2 。 表 2 OGF C一 1 3混合料合成级 配 Ta b l e 2 OGFC 一1 3 s y nt he s i s mi x t ur e g r a da t i o n 2 选 取设计指标 2 ． 1 低 温抗 裂性 能 最佳沥青用量设计指标的选取应该与排水性沥 青混合料使用过程中的破坏类型有一定对应性 ， 或 者 说选 取 的指标 能够 控制其 破 坏 的发 生 。 由于 T P S 改 性沥 青混 合料 低 温 劲度 模 量 较 高 ， 而 变形 能 力 较 弱 ， 现 场钻 芯调查 结 果表 明 ， 低 温开裂 和空 隙堵 塞是 排 水性 沥青 混合 料 在 使 用过 程 中遇 到 的主 要 问 题 ， 且 微裂 缝形 状包 括 横 向 开裂 、 纵 向开 裂 及这 两 种 裂 缝 的组 合 ， 低温抗 裂 性 能 不 足严 重 影 响 了排 水 性 沥 青混合料的使用 寿命 。考虑到排水性 沥青混合 料 空 隙率较 大 ， 制成 小梁试 件 比较 困难 ， 且 采用 小梁 弯 曲试 验评 价排 水性 混合 料低 温抗裂 性合 理性 也有 待商榷 ， 采用 S C B试 验， 以抗弯拉应变能来评价沥 青 混合 料 的低温 抗裂 性能 。 2 ． 2高温 抗剪切 性 能 集料与高粘沥青的粘结强度对路面整体结构的 抗 车 辙性 能和 耐久 性 能 都 有显 著 的 影 响 ， 对 于 排水 性 沥青 混合 料 这种骨 架 空隙结 构常规 车 辙试验 并 不 能直 观反 映高 粘改性 沥青 对排 水性 沥青 混合料 高 温 性 能的贡 献 ， 考 虑 到面层 的实 际车辆 荷 载作用 ， 经 室 内大 量直 剪 、 斜 面剪 切试 验 比选 ， 本 文 内采用 马歇 尔 扭剪 试验 用 于测定 沥青 混合 料的抗 剪强 度并 间接 评 价 沥青 与集料 的粘 结性 能 。 2 ． 3耐 久性评 价指 标 沥青膜的厚度对沥青混凝土的技术性质有显著 的影 响 ， 已有研 究成 果表 明 ， 排 水性 沥青 路面 的耐 久 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 0 2 公路工程 4 0卷 性随着沥青用量的减少呈现出下降的趋势。室内试 验分 析发 现 ， 若 排水性 沥青路 面 的沥青用 量过低 ， 集 料表面裹覆的沥青膜厚度较薄， 在排水性沥青路面 如此大的空隙率下， 混合料更容易受到阳光 、 空气和 水 的作 用 ， 在 交通荷 载 的反复作 用下 ， 集料表 面 的沥 青膜极易老化， 集料与沥青之问的粘附性下降， 甚至 会导致集料与沥青之间的粘附失效和颗粒间结合失 效 ， 最终 出现剥落、 松散破坏； 若沥青用量过多， 则沥 青膜 过厚 ， 沥青 路面 容易泛 油 ， 产 生推挤 和车辙 等病 害 。为 了避免 发生 以 上两 种 现象 ， 在混 合 料设 计 的 时候 就应 该 预 先 考 虑沥 青 用 量 的问 题 t s , t 6 ] 。本 论 文中采取确保符合耐久性要求 的有效沥青膜厚度 ， 《 公路沥青路面施工技术规范》 认为符合 排水性沥 青 混合 料耐 久 性 要 求 的沥 青 膜 厚 度应 该 不 小 于 1 4 Ix m， 在确 定最佳 油 石 比时建 议 以 1 4 m来保 证 耐久 性 。 3 排水性沥青混合料最佳沥青用量确定 3 ． 1 初 定 沥青用量 对大孔隙排水性沥青混合料 ， 国外通常选择沥 青膜厚度为 1 2～1 6 m。考虑沥青结合料被集料吸 收的比例及有效沥青含量 ， 选择最小沥青膜有效厚 度 D A为 1 4 m。 由沥青 膜有效 厚 度 和集 料 比表 面 积初定 沥青 用量如 下 ： S A = 0 3e羔 0 6f 0 325 5g ： ] I ． + ． + ． J 48 ． 7 5 ( 1 ) Pb=S AH ( 2) 其中： 9 ． 5 m m以上均包括在系数 2中， 式 中的 a 、 b 、 c 、 d 、 e g分 别 代表 4 ． 7 5 、 2 ． 3 6 ， ⋯ ， 0 ． 0 7 5的通 过率 。日 为沥青 膜 有效 厚度 ， m； S A为 集 料 的 总 比 表面 积 ， m ／ k g 。 由 以上计 算 可得 ： 合 成 级 配 的矿料 比表 面积 为 2 ． 2 4 7 6 m ／ k g ， 最 小 沥青 膜 有 效 厚 度 为 1 4 Ix m 时 ， 沥青含 量为 3 ． 1 4 ％ ， 为 了保 证混 合 料 的水 稳定 性 和 耐 久 性 ， 需 要 有 较 厚 的 沥 青 膜 ， 因 此 试 验 选 择 3 ． 2 ％ 、 3 ． 5 ％ 、 3 ． 8 ％ 、 4 ． 1 ％ 、 4 ． 4 ％共 5个 沥 青 用 量 对 混合 料进行 扭剪 试验 、 S C B试验 。 3 ． 2确 定 最佳 沥 青用量 3 ． 2 ． 1扭 剪试验 试件准备：①试验 时首先成型标 准马歇 尔试 件 ； ②在马歇尔试件顶部和底部各洒布一层环氧树 脂粘结剂 ， 以确保扭剪破坏界面出现在混合料内部； ③将马歇尔试件底部固定在承载板上 ， 并将扭剪压 头粘在马歇尔试件顶面， 室温下静置养生 1 2 h ， 至环 氧树 脂硬 化并 具 有 足 够 的 强度 。试 验前 将 其 在 6 0 ℃环境下保温 6 h 。加载借 助 MT S ’ 试验机完成， 加 载速率为 5 r ／ rai n ， 记录下扭剪试验过程中试件所承 受的最大扭矩 ， 试件的抗剪指标 由试件破坏时的扭 剪 强 度 ( 见 式 ( 3 ) ) 。3 ． 2 ％ 、 3 ． 5 ％ 、 3 ． 8 ％ 、 4 ． 1 ％ 、 4 ． 4 ％共 5个沥青用量下， 排水性沥青混合料扭剪试 验结果 见 图 1 。 1 2 M 1 0 。 — ( 3 ) 式中： ．r 为剪切强度 ； M 为最大扭矩值； D为试件直 径 。 t 山 毫 、 趟 酿 恩 图 1 不同油石 比排水性沥青混合料扭剪试验结果 Fi g u r e l To r s i o n a l s h e a r t e s t r e s u l t s o f dr a i n a g e a s ph a l t mi x t u r e u n de r d i f f e r e n t a g g r e g a t e r a t i o 3 ． 2 ． 2 S C B试 验 为 了在设计 阶段 引入排 水性 沥青混 合料 的低温 抗裂性指标 ， 同时考虑到排水性混合料制成小梁试 件比较困难本研究采用半圆弯拉试验 ， 针对不同油 石比下 的排水性沥青混合料低 温抗裂性能展开研 究 ， 借鉴相关研究 成果 ， 将不 同 T P S掺量 的排水性 沥青混 合料 成型直 径为 1 5 2 ． 4 m m， 高 9 5 ． 3 m m 大马 歇尔试 件 ， 并 采用 具有 较 高 切 割精 度 的芬 兰产 双 面 锯取马 歇尔试 件 中部 5 0 m m 厚 的 圆形 试 件 ， 再 将 其 从 中间对称 打开 ， 即制得 半 圆弯 曲试 件 。试 验 前 将 试 件放 在恒 温 环境 箱 中在 一l 0℃ 下 保 温 6 h ， 试 验 时采用 单点加 载方式 ， 支 点 间距 为 S C B试 件直 径 的 0 ． 8倍 ， 即 S= 0 ． 8 D， 加载 速 率 为 0 ． 5 ram ／ ra i n ， 记 录 破 坏荷 载和破 坏应 变 ， 计算 公式 见下 式 ， 以抗 弯拉 强 度 、 弯拉劲度模量和抗弯拉应变能来评价沥青混合 料 的低 温抗裂性 能 ， 试 验结 果如 表 3 ， 图 2所示 。 4． 8 8 8 F m a x — _ ； ( 4 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 付建红 ： 排水性 沥青混合料最佳油石 比确定方法 1 O 3 ㈤ =～=— — = 一 ( 3) 1 ． 1 4 D ( 5 ． 5 7 8 古 - 1 ． 3 6 9 7 ) D 式 中 ： 为抗 拉 强度 ， MP a ； F 为 最 大荷 载 ， N； D 为试件直径 ， mm； f 为试件厚度 ， m m。 表 3 S CB 试 验 结 果 Ta b l e 3 SCB t e s t r e s u l t s 量 7 蟊 鳗 娶 图 2 S CB 试 验 拟 合 结 果 F i g ur e 2 SCB t e s t fit t i n g r e s u l t s 3 ． 3试 验 结 果 分 析 由图 1 试 验结果 可知 ： 高 温条件 下 ， 油石 比对排 水性 沥青 混合 料抗 剪 切 性 能 有显 著 影 响 ， 随油 石 比 的增 大 ， 排水性 沥青 混 合 料 抗 剪 切强 度 呈 先 增 大后 减小的二次函数变化趋势， 峰值剪应力对应的油石 比为 3 ． 7 ％ ； 图 2试 验结 果表 明 ： 与 扭 剪 试验 结 果相 类似， 低温条件下 ， 随着油石 比增大排水性沥青混合 料抗弯拉强度( Y ) 、 最大弯拉应变( ) 与油石比之间 的 拟合 关 系分 别 为 ： Y=2 3 ． 0 6 9 4+1 5 ． 2 1 8 4 5 + 1 ． 91 0 7 1 、 =6 6 0 6 ． 9 3+4 7 0 3 ． 2 5 +5 9 0 ． 1 相 关系数 R 均大于 0 ． 9 1 ， 拟合关 系良好， 峰值弯拉应 变对应的油石 比为 3 ． 9 ％。分析其原 因， 油石较少 时 矿料 之间 的粘结 力 不 足 ， 沥 青 在 矿 料 之 间胡 润 滑 作用 不 明显导 致试 件 的压 实 度 不 足 ， 混 合 料 内部 的 内摩擦 角肯 粘聚 力均 较 小 ， 但 随 着 油 石 比增加 到一 定 程度 ， 自由沥青 含量增 多 ， 多余 胡沥 青在 矿料 内部 反 而起 到 了润滑作 用 ， 矿 料 之间较 易 出现滑 动 ， 这 时 混合料不仅高温稳定性不好而且低温抗裂性能也会 下 降 。综 上分 析 可知 ， 以高 温 扭 剪试 验 确定 的最 佳 油 石 比为 3 ． 8 ％ ， 以低 温抗 裂 指标 确 定 的 最 佳 油 石 比为 4 ． 0 ％ ， 通过高低 温试验结果 的平均值确定排 水性沥青混合料的最佳油石 比为 3 ． 9 ％。 4 最佳油石 比推荐及路用性能检验 4 ． 1析 漏分散 试验 为了直观分析沥青用量与相关性能的关 系， 按 照 J T G E 2 0— 2 0 1 1的要 求 进 行 沥青 混 合 料 析 漏 、 分 散试 验 ， 结 果如 图 3所示 。 油石 比 ， ％ ( a )分散试验拟合结果 、 瓣 赡 蜒 油 石 比／ ％ ( b )析漏试验拟合结果 图 3分 散 试 验 和 析 漏 试 验 拟 合 结 果 Fi g u r e 3 Di s p e r s i o n a n d l e a k t e s t fit t i n g r e s ul t s 图 3 试 验 结果 表 明 ： 随着 油石 比增大 ， 排 水性 沥 青混 合 料 的分散 质 量损 失 率 呈 指数 形 式 减 小 ， 曲线 的拐点 在 3 ． 5 ％ 左 右 ， 也 就是 说 油 石 头 比最 小 值 在 3 ． 5 ％ ； 随着油 石 比增 大 ， 析 漏 损 失率 呈 现 先 平 稳 增 加后突变的指数关系 ， 由图3 ( b ) 可以看出突变点在 4 ． 5 ％油石 比 ， 此 时析 漏 损 失 率 为 0 ． 1 2 ％ 处 于 较 好 的水 平 。 以分 散试 验和 析漏试 验 确定 的油 石 比范 围 为 3 ． 5 ％ 一4 ． 8 ％ ， 跨 度 范 围过 大 ， 而基 于扭 剪试 验 和低 温 S C B试 验 确 定 的最 佳 油 石 比可 满 足 析 漏 和 分 散试 验要求 。 4 ． 2高温稳 定性 采 用 K w a n g W． K i m提 出的位 移 强 度 ( D e f o r m a — t i o n — S t r e n g t h ) 法 对 不 同油 石 比 的排 水 性 沥 青 混 合 料 高温抗 剪性 能 进行评 价 。位移 强度 法 ( 简 称 为 s 法 ) 的试 验 原 理 如 图 4所 示 ， 传 统 的 剪 切 试 验 大 多 是 建立 在弹性 力 学 的基 础 上 的 ， 在 计 算 剪 切强 度 时 并 没有 考 虑到 沥青 混 合料 的塑 性 特 征 ， 而 是 把应 力 和塑性 位 移作 为 两个 单 独 的指 标 来 评 价 。 利 用 S 法进行评价的时候则考虑到了沥青混合料的塑性特 征 ， 其计算结果受剪切强度和塑性位移的共 同影响 ， 能 够更 加有 效 的模拟 沥青路 面实 际 的受力 与破 坏过 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 4 公路工程 4 0卷 程。s 。 法在试验过程 中没有采用传统 剪切试 验 1 ram ／ rai n 的加载速率 ， 而是采用 5 0 ram ／ ra i n的加载 速率 ， 这样就与马歇尔稳定度试验 、 冻融劈裂试验以 及小 梁低 温弯 曲试验 有更好 的一致 性 ， 且 S 。 法 适用 于多 种试 件 。 蓠 图 4贯 入 剪 切试 验 原 理 Fi g ur e 4 Pe n e t r a t i o n s h e a r t e s t s ch e ma t i c d i a g r a m 试验 时按 照 J T G E 2 0 —2 0 l 1的要 求采 用击 实法 成 型标 准 马歇 尔试 件‘ ( 正 反 5 0次／ 面 ) 。在 试 验 前 将 试 件放在 6 0℃恒 温环 境箱 中保 温 4 h ， 试 验加 载 速率 为 5 0 mm ／ m i n ， 记 录最 大 荷 载 及 对 应 的 位 移 。 试验结果的计算公式如式( 6 ) 所示， 其中： S 为应力 强度 ， MP a ； P为破坏荷载， N； y为破坏荷载对应的位 移 ， mil l ； 压头直径 D=4 0 mm， 倒角半径 r =1 0 m m。 针 对 6种 沥 青 混合 料 ， 分 别 采 用 2 5℃ 、 4 O℃ 和 6 0 c I = 的温度条件进行试验 ， 试验结果见图 5所示 。 5 。 ㈤ ’ 图 5 不同油石 比排水性沥青混合料贯入剪切试验拟合结果 Fi g u r e 5 Pe n e t r a t i o n s h e a r t e s t f i t t i ng r e s u l t s o f d r a i na g e a s p h a l t mi x t u r e un d e r d i f f e r e nt a g g r e g a t e r a t i o 由图 5试 验结 果可知 ： 随着 油石 比增大 ， 排水 性 沥青 混合 料贯 人剪 切强度 呈先增 大后 减小 的变化 趋 势 ， 二 次 拟 合 关 系 良好 ， 在 3 ． 6 ％ 一4 ． 0 ％ 油 石 比范 围内抗剪 切强度 出现峰值 ， 分析 其原 因 ， 排水 性 沥青 混合料的抗剪性能主要受粗集料骨架嵌挤作用和沥 青玛蹄脂共同组成 的抗剪能力和粘聚力 ， 沥青用量 增大， 马歇尔试件内部沥青玛蹄脂数量增多， 混合料 密实度提高 ， C 、 值增大 ， 抗剪切强度提高 ， 但随着 油石比进一步增大 ， 自由沥青在混合料 内部起到了 润滑作用 ， 再加上沥青的感温性等不利因素影响， 混 合料所产生的贯入剪切变形增大， 贯人剪切强度降 低。说 明本文提出的最佳油石比确定方法可以将一 个宽泛的油石比范围变为精确的最佳油石比， 具有 较好 的技术 优越 性 。 4 ． 3 不 同油石 比排水性 沥 青混合料 疲 劳耐久性 考 虑到排 水性 沥青 混合 料切割 小梁试 件极不 完 整 ， 本 文疲 劳试 验 选 用 S C B试 验 ， 加 载 模 式 为 控 制 应力方式( 控制应力的疲劳试验就是在重复加载的 疲 劳试 验过程 中， 保 持应 力不 变 ， 以试 件的疲 劳断 裂 作为疲劳破坏的准则 ， 达到疲劳破坏的荷载作用次 数为疲劳寿命) 。试验温度为 l 5℃， 加载速率为 5 O mm ／ mi n ， 温度 为 l 5 ℃ 。弯 曲 疲 劳 试 验 选 用 0 ． 2 、 0 ． 3 、 0 ． 4 、 0 ． 5共 4个 应 力 比， 小 梁试 件 支点 间距 为 0 ． 8 D， 试验温度为 1 5℃ ， 加载频率为 1 0 Hz ， 加载波 形 为连续式 正弦 波 。不 同油石 比排水性 沥青混 合料 S C B疲 劳试 验结 果见表 4 ， 图 6 。 表 4 不同油石比排水性 沥青 混合料 S C B疲劳试验 结果 Ta b l e 4 S CB f a t i g u e t es t r e s u l t s o f dr a i n a g e a s ph a l t mi x t u r e un d e r di ffe r e n t a g g r e g a t e r a t i o 油石比／ ％ 拟合方程 l g = K—n l g c r 图 6 S CB疲 劳 试 验 双 对 数 拟 合 结 果 Fi g u r e 6 S CB f a t i g u e t e s t do u b l e l o g a r i t hmi c f i t t i n g r e s u l t s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 付建红 ： 排水性沥青混合料最佳油石 比确定方法 l 0 5 由 S C B疲 劳 试 验 结果 可知 ： 油 石 比由 3 ． 2 ％ 增 加到 4 ． 7 ％， 排水性沥青混合料疲 劳曲线双对数 拟 合 结 果 ， K 值 呈 先 增 大 后 减 小 的变 化 趋 势 ， K值 越 大， 疲劳曲线的线位越高 ， 表明混合料的疲劳寿命越 大， ／ 7, 值呈先 减小后 增大的变化趋势 ， n值越大， 疲 劳曲线越 陡， 表明混合料 的疲劳寿命对应力水平 的 变化越敏感 ， 说明其抵抗疲劳破坏的能力越差 ， 分析 其原因， 混合料沥青用量低 ， 导致裹覆集料的沥青油 膜厚度减薄 ， 同时造成 了混合料空隙的增大， 疲劳性 能不足。综合考虑疲劳曲线 n 、 K值的变化规律 ， 可 见 在 3 ． 8 ％ ～4 ． 1 ％ 油 石 比下 的排 水 性 沥 青 混 合 料 抗 疲劳性 能 最好 ， 这 也 证 实 了本 文 提 出的最 佳 油 石 比确定方法是合理的。 5 结论 a ．排水 性 沥青 混合料 最佳 油 石 比 的确定 ， 需 综 合 考虑有 效 沥青膜 厚 度 、 高 温抗 剪切性 能 、 低 温抗 裂 性 能析漏 及 飞散 质量 损 失 来 确 定 ， 以 实 现结 构 耐 久 性 和功 能性 的协调 统一 。 b ．经室 内析漏 、 分散 贯人 剪切 以及 S C B疲劳 试 验 验证 ， 以扭 剪试 验抗 剪切 强 度 和 S C B试验 抗 弯 拉 应变作为排水性沥青混合料配合 比设计指标是合理 的 ， 本文 提 出的基 于扭 剪 、 S C B试验 和沥 青膜厚 确 定 排 水性 沥青 混合最 佳 油石 比确定 设计方 法 可精确 计 算出排水性沥青混合料 的最佳配 比， 同时在最佳油 石 比确定 时 考虑 了排 水 性 沥 青 混合 料 的路 用 性 能 ， 研究成果可对今 后同类型工程设计提供 了技 术参 考 。 c ．排水性沥青混合料配合 比设计方法步骤如 下 ： ①选择原材料；②在规范规定的级配范围内确 定初试级配 ； ③确定初试沥青用量 ， 根据确定的集 料表面裹覆沥青膜厚 l 4 m， 利用经验公式计算初 试沥青用量 ； ④对设计级配混合料进行扭剪和低温 S C B试验 ， 确定最佳沥青用量；⑤路用性能检验 ， 以 析漏 、 飞 散 、 车辙 、 冻融 劈 裂 试 验验 验证 最 佳 油 石 比 是 否合适 。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 李丽慧 ．寒区道路排水性沥青碎石性能的综合研究[ J ] ．公路 T 程 ， 2 0 1 4 ， 3 9 ( 5 )： 8 8—9 0 ． [ 2 ] Ha m z a h M O， H a r d i m a n C ． C h a r a c t e ri z a t i o n o f t h e c l o g g i n g b e h a v — i o u r o f d o u b l e l a y e r p o r o u s a s p h a l t [ J ] ． J o u r n a l o f th e E a s t e r n A s i a S o c i e t y f o r T r a n s p o r t a t i o n S t u d i e s ， 2 0 0 5 (6 ) ： 9 6 8—9 8 0 ． [ 3 ] Wo l d e k i d a n M F ． Re s p o n s e Mo d e l l i n g o f B i t u me n ， B i t u mi n o u s M a — s t i e a n d M o r t a r [ J ] ． D e l f t U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， D e lf t T h e N e t h - e fla n d s ， 2 01 i ． [ 4 ] 建果 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