低标号沥青混合料材料组成设计与性能研究

党江涛，程 愿，弓 雷

（中铁一局集团第三工程分公司，陕西 宝鸡 721006）

0 引言

受我国复杂的气候特性的影响，高、低标号的沥青以及改性沥青在我国公路建设领域得到了广泛的应用[1-3]。根据低标号沥青软化点高、针入度小、延度小、劲度和黏稠度大等特点，其拌和而成的沥青混合料具有较优的高温性能，但通常会伴随着较强的温度敏感性[4]。考虑到新疆地区干燥少雨、光照时间长、昼夜温差大、极端自然现象频繁等气候特点，低标号沥青的性能特点使其在新疆地区得到应用。

考察国内外关于低标号沥青的应用进程，20世纪80年代低标号沥青在法国公路领域得到应用，并在1999年铺筑了第一条低标号沥青试验路段，发现低标号沥青混合料具有较好的抗高温性能。国内对低标号沥青的研究起步较晚，且受到低标号沥青低温抗裂性能不足的影响，极大限制了其在我国公路建设中的应用[5]。邹桂莲等[6]研究了低标号沥青的胶浆的流变性能，发现粉油比对沥青低温性能的影响与降低沥青标号大致相当，沥青胶浆的低温性能与粉油比成反比，与沥青标号成正比。此外，进一步研究低标号沥青混合料配合比设计与性能发现，为保障低标号沥青混合料的设计质量，不应单纯强调低标号沥青含量低的抗高温性能，并建议限定低标号沥青的最小沥青含量[7-8]。杨琳[9]研究了低标号沥青与岩沥青掺配技术的高模量沥青混合料，并从耐久性角度提出了适宜的岩沥青掺量为30%～40%。刘闯等[10]分析了低标号硬质沥青动态剪切流变性能，发现沥青标号越低其抗高温的性能越好。蔡俊华等[11]在把低标号沥青混合料用于福建省的沥青路面的研究中也得出了同样的结论。总体来说，低标号沥青的应用在我国已经初具规模，为进一步推广低标号沥青在道路建设领域中的应用，需要进一步研究不同低标号沥青的材料组成设计，分析性能的差异性。

为评估不同低标号沥青混合料之间的差异，本研究主要分析了2种类型的低标号沥青混合料的材料组成与性能差异。研究成果可指导工程中低标号沥青混合料材料组成设计与低标号沥青的选择，可进一步推广其在新疆等高温、干燥区域中的应用。

1 原材料检测

设计低标号沥青混合料的原材料主要包括新疆地区的当地矿石、30#与50#低标号沥青、矿粉。矿石是沥青混合料重要组成部分之一，良好性能的矿石有利于保障沥青与矿料之间的黏附性。因此，选择新疆地区四种不同的矿料进行X射线衍射仪试验（X-ray diffraction，XRD），分析其组分，并根据矿料组分的差异判断酸碱性，为矿料的选择提供依据。四种矿料的组分分析结果见表1。

表1 矿料组分结果Tab.1 Mineral content results

由表1可知，矿料A、B为碱性集料，矿料C为酸性集料，矿料D基本呈中性。因此，考虑沥青与集料之间的黏附特性，选择矿料A作为低标号沥青混合料材料组成设计。

将矿料A采用破碎筛分的方法分为0～3 mm（6#）、3～6 mm（5#）、6～11 mm（4#）、11～16 mm（3#）、16～21 mm（2#）、21～26 mm（1#）五档用于低标号沥青混合料设计，各档材料的基本性能见表2，矿料级配如图1所示。此外，为观察不同规格矿料的表面纹理特性，采用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察矿料表面纹理，结果如图2所示。由图2可见，矿料A表面较为粗糙，可以提供更多的表面积与沥青之间相互黏结。两种类型的低标号沥青性能试验结果见表3。

表2 矿料技术指标Tab.2 Performance index of mineral aggregate

表3 沥青技术指标Tab.3 Performance index of asphalt

图1 矿料级配Fig.1 Mineral grading

图2 矿料A表面形态Fig.2 Surface morphology of mineral aggregate A

2 试验设计

2.1 级配设计

设计AC-25型低标号沥青混合料的级配，如图3所示。根据图3设计级配，得到不同规格矿料的使用比例分别为1#（21～26 mm）∶2#（16～21 mm） ∶ 3#（11～16 mm） ∶ 4#（6～11 mm）∶5 #（3～6mm）∶6#（0～3mm）∶矿粉=18∶11∶12∶20∶9∶27∶3。根据设计级配，采用马歇尔试验方法制备试件确定不同低标号沥青混合料的最佳沥青含量。

图3 设计级配曲线Fig.3 Design grading curve

2.2 最佳沥青含量确定

根据沥青混合料材料组成设计要求，并结合工程经验，设计沥青混合料的沥青含量分别为3.3%、3.8%、4.3%进行马歇尔试验，并制备不同低标号类型的沥青混合料，测试沥青混合料的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、有效沥青饱和度、稳定度、流值指标，并建立其与沥青含量之间的关系曲线，结合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中最佳沥青含量确定要求得到不同低标号沥青下沥青混合料的最佳沥青含量。

2.3 试验方法

（1）混合料制备

根据设计沥青混合料矿料级配，分别计算不同材料用量。首先将矿料烘干至恒重，在金属盘中混合均匀，矿粉单独加热，加热温度为 165 ℃，把30#和50#沥青试样用恒温烘箱加热至拌和温度；其次将试模、套筒及击实座以100 ℃加热1个小时，拌和机预热至165 ℃；然后将加热后的试件集料倒入拌和机中，加入设计重量的沥青（沥青含量为3.3%、3.8%、4.3%的三组），拌和60～90 s后暂停拌和，加入矿粉后继续拌和180 s；最后按照155 ℃成型温度成型标准马歇尔试件。

（2）混合料试验

按照规程要求分别进行压实沥青混合料密度试验、沥青混合料马歇尔稳定度试验、车辙试验等，测试沥青混合料的马歇尔指标、动稳定度指标，评价沥青混合料性能。

3 结果分析与讨论

3.1 最佳沥青含量分析

根据马歇尔试验测试得到30#与50#低标号沥青混合料在沥青含量分别为3.3%、3.8%、4.3%时的毛体积密度（ST）、空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、有效沥青饱和度（VFA）、稳定度（MS）、流值（FL）指标，结果分别见表4、表5。根据表4、表5可知，30#随着沥青含量的增加，沥青混合料的毛体积相对密度先增加后降低，均符合标准，在沥青含量为3.9%时达到最大值；空隙率逐渐减小，但均符合标准；矿料间隙率先降低后增加，均符合标准，在沥青含量为3.8%时达到最小值；有效沥青饱和度逐渐增加，但沥青含量小于3.6%时不达标；稳定度先增加后降低，均符合标准，在沥青含量为3.9%时达到最大值；流值先降低后增加，均符合标准，在沥青含量为3.8%时达到最小值。而50#随着沥青含量的增加，沥青混合料的毛体积相对密度逐渐降低，但均符合标准；空隙率逐渐减小，沥青含量大于4.1%时不达标；矿料间隙率先增加后降低，均符合标准，在沥青含量为3.9%时达到最大值；有效沥青饱和度逐渐增加，但沥青含量低于3.8%时不达标；稳定度先降低后增加，均符合标准，在沥青含量为3.7%时达到最小值；流值逐渐增加，但沥青含量低于3.8%时不达标。因此，分别确定30#与50#低标号沥青混合料最佳沥青含量分别为4.07%、4.10%。

表4 30#低标号沥青混合料马歇尔试验结果Tab.4 Marshall test results of 30# asphalt mixture

表5 50#低标号沥青混合料马歇尔试验结果Tab.5 Marshall test results of 50# asphalt mixture

3.2 不同标号沥青马歇尔指标分析

根据设计沥青混合料的最佳沥青含量，分别测得不同标号的沥青混合料马歇尔指标试验结果见表6。

表6 马歇尔试验结果Tab.6 Marshall test results

由表6可知，在相同设计级配情况下，30#沥青混合料的空隙率、矿料间隙率、流值指标较50#沥青混合料低，而毛体积密度、有效沥青饱和度、稳定度指标则反之。由此可见，较低标号沥青的使用将会使沥青混合料保持更低的空隙率与较高的稳定度，有利于沥青混合料的高温抗变形能力。此外，较低的空隙率也可减缓水分渗透至沥青混合料内部的速率，有利于沥青混合料保持较高的抗水损能力。

3.3 高温稳定性分析

不同标号沥青混合料的抗车辙性能试验结果如图4所示。由图4可见，30#与50#沥青混合料的动稳定度分别为3 623次/mm，1 712次/mm。50#沥青混合料的动稳定度远低于30#沥青混合料，说明30#沥青具有更高的抗高温性能。此外，根据《新疆公路沥青路面设计指导细则》中对Ⅳ区普通沥青混合料动稳定度要求，30#与50#沥青混合料的动稳定度均满足不低于1 000次/mm的设计要求。

图4 动稳定度结果Fig.4 Dynamic stability results

4 结论

（1）相同地域不同位置的矿料组分具有差异性，应根据矿料组成筛选更符合沥青与矿料之间黏结需求的矿料设计沥青混合料。

（2）相同设计级配情况下，30#与50#沥青的最佳沥青含量分别为4.07%、4.10%。最佳沥青含量下，沥青标号越低的沥青混合料具有更小的空隙率与更高的稳定度。

（3）30#沥青混合料动稳定度较50#沥青混合料高111.6%，沥青标号越低的沥青混合料高温稳定性越好。