抗滑表層瀝青混合料GAC-13組成及性能分析

岳愛軍， 覃金壽， 欒利強， 劉 浪

(桂林理工大學土木與建筑工程學院， 桂林 541004)

車轍是廣西地區(qū)瀝青路面早期破壞的主要病害形式，坑槽等水損害現(xiàn)象次之，除此以外，廣西高速公路瀝青路面面臨的一大難題就是抗滑性能衰減較快。而瀝青混合料是由礦料、瀝青及空氣三相組成的，其中細集料組成和用量的確定是整個瀝青混合料設(shè)計中重要環(huán)節(jié)之一[1-2]。為了提高瀝青混合料的性能，細集料的組成設(shè)計成為其中一個重要的研究方向。徐慧寧等[3]運用秩和檢驗分析表明導(dǎo)致瀝青混合料空隙率變化最顯著是細集料級配。與此同時，Cai等[4]指出，瀝青混合料的穩(wěn)定性與細集料級配連續(xù)性呈正相關(guān)。王大慶[5]通過單軸壓縮試驗和圖像處理技術(shù)指出，細集料的形狀特性和棱角性對力學性能有顯著影響。謝百慧[6]通過對比分析3種不同細集料的瀝青混合料抗剪性能，發(fā)現(xiàn)機制砂因級配合理、棱角性好等優(yōu)勢，可以顯著提高瀝青混合料性能。Yao等[7]研究發(fā)現(xiàn)1.18、0.6、0.3 mm篩孔上的集料對混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性貢獻大于50%。程永春等[8]運用灰色關(guān)聯(lián)分析得到常溫抗拉、抗壓和低溫開裂性能與0.15～0.3 mm和1.18～2.36 mm兩檔集料含量相關(guān)程度較高，0.6～1.18 mm和2.36～4.75 mm這兩檔集料含量對常溫抗蠕變變形能力影響較大。Wang等[9]通過標準貫入試驗來評價4.75 mm和2.36 mm的篩孔通過率大小對骨架結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料骨架強度隨2.36 mm篩孔通過率增加而降低，與4.75 mm篩孔通過率相關(guān)性不大。Garcia-Gil等[10]認為瀝青混合料細集料含量與瀝青混合料的開裂性能有顯著相關(guān)性。姑麗比婭[11]研究表明，細集料含量增加會使得混合料動穩(wěn)定度急劇下降。熊依筱[12]研究顯示，通過適當減少細集料含量，降低4.75 mm篩孔通過率，既獲得了骨架密實結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，同時也能提高混合料表面抗滑能力。

從上述研究成果可以看出，這些主要集中研究細集料級配、棱角性、關(guān)鍵篩孔以及顆粒含量等指標對瀝青混合料性能影響，關(guān)于細集料的規(guī)格及材質(zhì)對瀝青混合料性能影響方面研究較少，而且細集料的不同指標對瀝青混合料性能影響的側(cè)重方向有所差異。而抗滑表層瀝青混合料各項性能往往是相互矛盾或制約，如高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性的矛盾，抗滑為主的瀝青路面與水穩(wěn)定性的矛盾。為了探討瀝青混合料細集料組成設(shè)計具有更好的適應(yīng)性，有必要綜合分析不同規(guī)格及材質(zhì)的細集料對瀝青混合料性能影響。

2019年，廣西鐘山至昭平高速公路抗滑表面層瀝青路面第一次成功采用了精品機制砂做細集料，考慮到廣西高溫時間長，雨水相對來得快，去得快的特點，為此，以抗滑表層瀝青混合料GAC-13為研究對象，粗集料選用同一碎石加工場生產(chǎn)輝綠巖碎石，變化細集料的類型：輝綠巖石屑、白色石灰?guī)r普通機制砂、黑色石灰?guī)r精品機制砂，制備出3種不同的瀝青混合料，旨在分析細集料的規(guī)格及材質(zhì)對抗滑表層GAC-13的組成設(shè)計、路用性能和力學性能的影響。研究結(jié)論可為廣西高速公路抗滑表層GAC-13的選材提供參考依據(jù)。

1 原材料

1.1 瀝青

考慮到改性瀝青可能掩蓋細集料材質(zhì)、規(guī)格對GAC-13性能的影響，采用70#A級道路石油瀝青，測試結(jié)果如表1所示。

表1 70#A級道路石油瀝青基本技術(shù)指標測試結(jié)果

1.2 礦料

粗集料為廣西大化巖灘石場1#輝綠巖碎石(10～15 mm)、2#輝綠巖碎石(5～10 mm)，細集料有上林洋度石場3#白色石灰?guī)r普通機制砂(0～3 mm)，大化巖灘石場4#輝綠巖石屑(0～3 mm)及廣西新柳南高速公路7標南方路機V7制砂機生產(chǎn)的5#黑色石灰?guī)r精品機制砂(0～3 mm)，填料采用6#白色石灰?guī)r礦粉。礦料主要技術(shù)指標測試結(jié)果如表2所示，集料篩分結(jié)果如表3所示。

表2 礦料主要技術(shù)指標測試結(jié)果

從表3可以看出，3#白色石灰?guī)r普通機制砂與4#輝綠巖石屑各篩孔質(zhì)量百分率相差不大，2.36 mm篩孔的篩余量約為20%，0.15 mm篩孔通過率約為18.5%，5#黑色石灰?guī)r精品機制砂0.15～2.36 mm 顆粒相對含量較多，級配均勻，0.075 mm篩孔通過率不超過10%。

表3 集料篩分結(jié)果

2 抗滑表層GAC-13的配合比設(shè)計

結(jié)合廣西高速公路瀝青路面建設(shè)與運營經(jīng)驗，抗滑表層GAC-13的礦料組成如表4所示，其中，GAC-13(25)的礦料組成設(shè)計為，1#輝綠巖碎石∶2#輝綠巖碎石∶3#白色石灰?guī)r普通機制砂∶6#礦粉=38∶34∶25∶3；GAC-13(30)的礦料組成設(shè)計為，1#輝綠巖碎石∶2#輝綠巖碎石∶4#輝綠巖石屑∶6#礦粉=33∶34∶30∶3；GAC-13(23)的礦料組成設(shè)計為，1#輝綠巖碎石∶2#輝綠巖碎石∶5#黑色石灰?guī)r精品機制砂∶6#礦粉=39∶35∶23∶3。

參考文獻[13]，當AC類瀝青混合料空隙率為4%～4.5%，性能達到最優(yōu)。本文設(shè)計的目標空隙率為4.2%，GAC-13(25)、GAC-13(30)和GAC-13(23)的最佳油石比分別為4.6%、4.9%和4.8%。在最佳油石比下，GAC-13的馬歇爾試驗結(jié)果如表5所示。

從表5可知，最佳油石比下GAC-13(25)、GAC-13(30)和GAC-13(23)的體積指標、穩(wěn)定度和流值均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術(shù)要求。結(jié)合表4可知，相同規(guī)格輝綠巖粗集料，級配接近的白色石灰?guī)r普通機制砂與輝綠巖石屑相比，GAC-13中輝綠巖石屑用量相對要多，這主要是由于輝綠巖石屑中含有SiO2，相對難以壓實，瀝青混合料達到相同的密實度需要較多輝綠巖細集料填充；GAC-13中黑色石灰?guī)r精品機制砂用量較白色石灰?guī)r普通機制砂少，黑色石灰?guī)r精品機制砂GAC-13的0.6 mm篩孔通過率就可達13.1%，這與精品機制砂中0.15～2.36 mm 顆粒含量較多，特別是0.6、1.18 mm篩孔的顆粒含量相對較多相關(guān)。

表4 GAC-13的礦料組成設(shè)計結(jié)果

表5 GAC-13的馬歇爾試驗結(jié)果

3 抗滑表層GAC-13的路用性能檢驗

3.1 GAC-13的高溫穩(wěn)定性檢驗

評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性常采用車轍試驗。試驗在60 ℃，輪壓為0.7 MPa條件下開展抗滑表層GAC-13的車轍試驗，其測試結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，隨著細集料摻量的減少，GAC-13的動穩(wěn)定度呈增大趨勢，與GAC-13(30)相比，GAC-13(25)、GAC-13(23)的動穩(wěn)定度分別提高13.3%、17.6%，表明使用機制砂作為瀝青混合料細集料，由于其用量相對較少，粗骨料相應(yīng)增加，增強了碎石顆粒間骨架嵌擠能力，提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

表6 GAC-13的車轍試驗結(jié)果

3.2 GAC-13的水穩(wěn)定性檢驗

水損害是抗滑表層瀝青路面主要病害之一。評價瀝青混合料水穩(wěn)定性一般采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，浸水馬歇爾試驗將標準馬歇爾試件在60 ℃下進行測試，凍融劈裂試驗采用雙面擊實次數(shù)為50次馬歇爾試件，在25 ℃下進行測試，GAC-13的試驗結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，GAC-13的浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗抗拉強度比均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)技術(shù)要求，但GAC-13(30)的水穩(wěn)定性能明顯低于GAC-13(25)、GAC-13(23)的水穩(wěn)定性能，GAC-13(23)的殘留穩(wěn)定度最高，GAC-13(25)次之；GAC-13(23)和GAC-13(30)的凍融劈裂抗拉強度比相較于GAC-13(25)分別降低了5.2%和17.6%。GAC-13的殘留穩(wěn)定度與抗拉強度比變化規(guī)律不同，這主要是因為浸水馬歇爾試驗與實際路面水損害有差異，凍融劈裂試驗采用加速冰凍和高溫溶解，在水力耦合作用下能快速模擬水侵蝕的損傷狀況。與GAC-13(25)相比，GAC-13(23)和GAC-13(30)的抗拉強度比降低的主要原因是石灰?guī)r機制砂屬于堿性材料，輝綠巖石屑偏中性材料，堿性的石灰?guī)r機制砂細集料與瀝青形成瀝青膠(砂)漿的黏附性相對更大，具有更好的抗水損害性能；白色石灰?guī)r普通機制砂相對黑色石灰?guī)r精品機制砂的碳酸鈣含量更高，白色石灰?guī)r機制砂GAC-13的抗水損害能力更強。

表7 GAC-13的水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

3.3 抗滑表層GAC-13的抗滑性能檢驗

采用滲水試驗、表面構(gòu)造深度試驗和表面摩擦系數(shù)試驗評價GAC-13的抗滑性能。按輪輾法成型試件，使用滲水儀、手工鋪砂和擺式儀在試件表面進行相應(yīng)測試，其試驗結(jié)果如表8所示。

從表8可以看出，在最佳油石比和空隙率為4.2%下，所設(shè)計GAC-13的白色石灰?guī)r普通機制砂細集料用量為25%、輝綠巖石屑細集料用量為30%、黑色石灰?guī)r精品機制砂細集料用量為23%，GAC-13的滲水系數(shù)均為0，GAC-13(23)的構(gòu)造深度和擺值相對GAC-13(25)分別提高了6.5%、7.2%，相對GAC-13(30)分別提高了32%、25%，這主要原因是在保證密實的情況下，GAC-13(23)中4.75 mm通過率僅為32.5%，粗集料用量相對GAC-13(25)、GAC-13(30)多，可形成更大的構(gòu)造深度，增大了抗滑表層瀝青路面的摩擦系數(shù)。

表8 GAC-13的抗滑性能測試結(jié)果

4 抗滑表層GAC-13的力學性能測試

傳統(tǒng)的強度理論[14-15]認為瀝青混合料強度主要由礦料骨架強度和瀝青的膠結(jié)強度構(gòu)成，分別表現(xiàn)為顆粒材料的內(nèi)摩擦角φ和瀝青混合料的黏聚力c，可用庫倫內(nèi)摩擦理論來表征。其計算方法為

(1)

(2)

式中：σ1為無側(cè)限抗壓強度；σ2為抗拉強度。

為了表征瀝青混合料力學性能，采用單軸壓縮試驗和劈裂試驗分別測試無側(cè)限抗壓強度和抗拉強度，如圖1所示。為了使測試抗壓強度和抗拉強度在同一條件下進行，并且克服靜壓成型的單軸壓縮試件可操作性差特點，本文中均采用標準馬歇爾試件，試驗溫度T分別為15、20、25、30、40、50 ℃，GAC-13的試驗結(jié)果如圖2所示。表9給出了GAC-13黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角隨溫度變化關(guān)系的擬合結(jié)果。從表9可以看出，GAC-13的黏結(jié)力c與溫度呈c=AeBT指數(shù)形式(A、B為系數(shù))，內(nèi)摩擦角與溫度呈φ=NTM冪函數(shù)形式(N、M為系數(shù))，且擬合相關(guān)系數(shù)都大于0.95，說明黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角隨溫度變化具有很強相關(guān)性。

圖1 單軸壓縮及劈裂試驗

表9 GAC-13黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角隨溫度變化關(guān)系

圖2 GAC-13的單軸壓縮及劈裂試驗結(jié)果

從圖2和表9可以看出，不同細集料的GAC-13的抗拉強度和黏結(jié)力c大小不同，但抗拉強度和黏結(jié)力c變化規(guī)律相同，即隨溫度升高呈指數(shù)形式降低；GAC-13(30)的黏結(jié)力高于GAC-13(25)、GAC-13(23)，這與GAC-13(30)中細集料相對較多，形成 “結(jié)構(gòu)瀝青”越多，相應(yīng)的黏結(jié)力就越好。

從圖2可以看出，抗壓強度也隨溫度增加逐漸降低，GAC-13(30)的抗壓強度最大，GAC-13(23)次之，GAC-13(25)最小，且在20～30 ℃時，GAC-13(25)、GAC-13(23)的抗壓強度下降趨勢更明顯，這可能與輝綠巖石屑抵抗壓碎能力比石灰?guī)r機制砂強相關(guān)，而GAC-13(23)的抗壓強度比GAC-13(25)大的原因，這可能與GAC-13(23)中輝綠巖碎石用量多相關(guān)。

從圖2還可以看出，GAC-13的內(nèi)摩擦角隨溫度升高而變大，與黏結(jié)力呈反比關(guān)系，超過45 ℃以后，基本不變或略有減小趨勢，相對于GAC-13(25)、GAC-13(30)，GAC-13(23)的內(nèi)摩擦角最大，表明輝綠巖碎石用量最多的黑色石灰?guī)r精品機制砂瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性，與表6得到的結(jié)論一致。

5 結(jié)論

(1)抗滑表層GAC-13的細集料選用精品機制砂具有更好的適宜性?？够韺雍谏?guī)r精品機制砂瀝青混合料GAC-13的9.5、4.75、2.36、0.6、0.075 mm通過率宜分別為67.3%、32.5%、24.0%、13.1%、5.2%。

(2)細集料材質(zhì)對瀝青混合料水穩(wěn)定性影響較大，抗滑表層GAC-13的細集料不宜采用輝綠巖石屑。