高溫多雨氣候條件下花崗巖瀝青混合料設(shè)計與耐久性分析

■資西陽 劉振清 張文濤

（1.海南省交通工程建設(shè)局，?？?570208；2.北京新路縱橫交通科技有限公司，北京 100010；3.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，濟(jì)南 250031）

由于花崗巖中二氧化硅含量較高，與瀝青的粘附性能相比玄武巖、石灰?guī)r等石料較差，海南省適用于瀝青路面的堿性石料優(yōu)質(zhì)資源短缺，將花崗巖碎石用于瀝青路面的問題亟待解決。 海南省光照強(qiáng)，夏季路面最高溫度超過70℃，年平均降雨量達(dá)1600 mm 以上，屬典型高溫多雨氣候條件。 這種氣候條件對瀝青路面路用性能特別是高溫穩(wěn)定性、抗水損害和耐久性能提出了更高要求。 因此，選用花崗巖酸性石料作為瀝青混合料的礦料組成，需要進(jìn)行科學(xué)可靠的瀝青混合料配合比設(shè)計，驗證瀝青混合料路用性能與耐久性，保證瀝青下面層鋪筑質(zhì)量和預(yù)期使用壽命。

1 工程概況

國道G360 公路臨高段是海南在建重點公路項目， 該路段總長25.642 km， 起訖點樁號為K96+400～K122+157.533。 路 面 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 為SBS 改 性SMA-13 上面層4 cm+SBS 改性AC-20C 中面層6 cm+AC-25C 下面層8 cm， 基層采用2 層20 cm水泥穩(wěn)定級配碎石， 底基層采用20 cm 級配碎石，粘層采用SBS 改性乳化瀝青（PCR），封層采用SBS改性瀝青+碎石， 透層為高滲透性陽離子乳化瀝青（PC-2）。其中AC-25C 下面層采用泰普克A 級50#基質(zhì)瀝青，粗集料選用花崗巖酸性石料，細(xì)集料和礦粉選用石灰?guī)r。

2 原材料試驗檢測

2.1 瀝青性能檢驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[1]對泰普克A 級50#基質(zhì)瀝青各項指標(biāo)進(jìn)行試驗，老化前后三大指標(biāo)均符合要求，135℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度為0.770，175℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度為0.137， 動力黏度（60℃）為446.3 Pa·s，各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

2.2 粗集料指標(biāo)試驗

本工程選用的粗集料為優(yōu)質(zhì)花崗巖，按照規(guī)程檢測其表觀相對密度為2.649，毛體積相對密度為2.686，吸水率為0.53，均達(dá)到技術(shù)要求；0.075 mm以下粉塵含量為0.3，滿足≤1 的要求，證明石料較為干凈；壓碎值為13.2，表明石料強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。

2.3 細(xì)集料指標(biāo)試驗

本工程選用的細(xì)集料為由石灰?guī)r磨制成的機(jī)制砂，按照規(guī)程檢測表觀相對密度為2.771，砂當(dāng)量為78.5，表明細(xì)集料含砂量較高，較為潔凈；0.075 mm以下粉塵含量為5.5，符合規(guī)范設(shè)計要求。

2.4 礦粉和水泥指標(biāo)試驗

礦粉由石灰?guī)r磨制而成，無團(tuán)料，無結(jié)塊，較為潔凈且沒有雜質(zhì)。 按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范檢測，得到其表觀相對密度為2.852，礦粉親水系數(shù)為0.5，礦粉塑性指數(shù)為3.7，在礦粉加熱安定試驗中，觀察其顏色在加熱后無明顯變化，各項指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求。采用水泥替代部分礦粉，以提高花崗巖瀝青混合料抗剝落性。

3 花崗巖瀝青混合料配合比設(shè)計

3.1 礦料級配組成設(shè)計

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[2]，通過馬歇爾設(shè)計方法對礦料級配進(jìn)行組成設(shè)計，得到2 種設(shè)計摻配比例的合成級配，如表1、圖1 所示。

表1 礦料摻配比例

圖1 合成級配圖

通過級配曲線圖可看出， 合成級配B 的4.75 mm 以下篩孔尺寸的細(xì)料通過百分率高于合成級配A； 在4.75～19.0 mm 篩孔尺寸范圍內(nèi)，B 曲線相比A 曲線更加貼近級配下限，表明級配B 的細(xì)集料占比高于級配A，并減小了巨型骨料占比以增加粗骨料占比。 由于花崗巖碎石呈酸性，與瀝青粘附性較差，提高堿性石灰?guī)r細(xì)集料占比，減小花崗巖巨型骨料占比，有助于增強(qiáng)花崗巖瀝青混合料中瀝青與石料的粘性。同時，級配B 提高了水泥摻量，水泥作為傳統(tǒng)抗剝落劑再次增強(qiáng)了瀝青與石料的粘性[3]。 考慮到瀝青混合料下面層要承受上、中面層傳遞下來的荷載應(yīng)力，將粗骨料用量比例調(diào)大可以增強(qiáng)下面層的承受荷載的能力。 因此，確定以級配B作為瀝青下面層的合成級配。

3.2 最佳油石比的確定

根據(jù)合成級配以及相關(guān)工程經(jīng)驗，以0.3%為一個梯度，初步擬定油石比3.6%、3.9%、4.2%，分別制作馬歇爾擊實試件進(jìn)行試驗，并得到結(jié)果如表2 所示。

表2 不同油石比馬歇爾試件試驗結(jié)果

瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度表征試件的最大破壞荷載，穩(wěn)定度越大，試件承受荷載能力越強(qiáng)；流值表征試件在最大破壞荷載時的垂直變形， 流值越小，試件越不易變形。 試驗結(jié)果表明，當(dāng)油石比為3.9%時， 馬歇爾試件的穩(wěn)定度較3.6%油石比的試件大，流值比4.2%油石比的馬歇爾試件小，且其他技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計規(guī)范要求，因此選擇3.9%作為最佳油石比。

4 花崗巖瀝青混合料路用性能

4.1 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的強(qiáng)弱可以用抗車轍能力表征，因此采用車轍試驗驗證瀝青混合料的高溫性能。依據(jù)規(guī)程進(jìn)行車轍試驗，動穩(wěn)定度越大，抗車轍能力越強(qiáng)，得出瀝青混合料動穩(wěn)定度為3768 次/mm，滿足≥2000 次/mm 海南省技術(shù)要求。

4.2 瀝青混合料水穩(wěn)定性

瀝青路面的早期病害大多數(shù)都是水損害，在交通荷載和雨水沖擊的雙重作用下，水分在混合料內(nèi)部流動，會破壞瀝青與集料的黏附性能，使得瀝青路面更易剝落松散。 因此采用馬歇爾擊實試件進(jìn)行浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗，驗證瀝青混合料水穩(wěn)定性[4]。 得到其殘留馬歇爾穩(wěn)定度為93.0%，滿足≥85%海南省技術(shù)要求；其凍融劈裂強(qiáng)度比為91.7%，滿足≥80%海南省技術(shù)要求，表明該瀝青混合料抗水損壞能力優(yōu)異。

4.3 水損壞敏感性試驗

水損壞敏感性試驗（MIST） 主要用于研究在高溫、動水壓力沖刷條件下瀝青混合料抗水損壞耐久性能衰減規(guī)律，即花崗巖酸性石料瀝青混合料鋪筑路面滲入水后，瀝青面層在高溫、動水壓力沖刷條件下受到交通荷載反復(fù)加載而產(chǎn)生瀝青與酸性石料剝落及耐久性降低情況。該試驗可選擇不同的試驗溫度與動水壓力，能準(zhǔn)確測試和評價花崗巖酸性石料瀝青混合料對溫度、濕度與動水壓力的敏感性，試驗儀器如圖2 所示。通過向瀝青混合料馬歇爾擊實試件中注水與抽水，在設(shè)定溫度條件下向試樣施加一定的荷載與動水壓力，模擬車輛荷載通過輪胎作用在潮濕路面的水損壞狀況，試驗結(jié)果如圖3、表3 所示。

圖2 MIST 水損壞敏感性測試儀

圖3 抗水損壞敏感性試驗

表3 抗水損壞敏感性試驗結(jié)果

由圖3 和表3 可知，針對不同摻量抗剝落劑與2%水泥的抗水損壞能力提升組合方案， 在水損壞敏感性試驗規(guī)定的3500 次荷載與動水壓力循環(huán)作用后，不同組合方案的馬歇爾擊實試件均完好且無明顯松散，試驗前后劈裂強(qiáng)度比值超過90%，即花崗巖酸性石料瀝青混合料在高溫、動水壓力沖刷條件下劈裂強(qiáng)度無明顯下降，表明采用不同摻量抗剝落劑與2%水泥組合方案的花崗巖酸性石料瀝青混合料具有良好的抗水損壞耐久性能，得到抗剝落劑合適摻量為0.4%和水泥合適摻量為2.0%。

5 花崗巖瀝青混合料耐久性

花崗巖酸性石料瀝青混合料高溫抗車轍能力與抗水損耐久性能是應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題，根據(jù)花崗巖酸性石料瀝青混合料設(shè)計、路用性能與水損壞敏感性試驗驗證結(jié)果，在國道G360 公路臨高段進(jìn)行試驗路鋪筑，嚴(yán)格按照配合比設(shè)計拌制花崗巖酸性石料瀝青混合料，拌合機(jī)械設(shè)備采用馬蓮尼4000 型拌合機(jī)，瀝青混合料拌合石料溫度在170℃～185℃，50#基質(zhì)瀝青溫度在140℃～150℃，以防止50# 基質(zhì)瀝青老化。 瀝青混合料攤鋪時要將螺旋布料器埋入混合料2/3 處， 并保持整個布料器里混合料高度整體一致，避免瀝青混合料攤鋪離析，不夠密實。碾壓時嚴(yán)格執(zhí)行施工工藝流程， 保證路面壓實度達(dá)標(biāo)。

5.1 漢堡浸水車轍試驗分析

為了研究不同摻量抗剝落劑與2%水泥的花崗巖酸性石料瀝青混合料高溫抗車轍能力與抗水損耐久性能，同時驗證花崗巖酸性石料瀝青混合料在試驗路的高溫抗車轍能力與抗水損耐久性能[5]，一是采用旋轉(zhuǎn)壓實儀室內(nèi)成型試件進(jìn)行漢堡浸水車轍試驗；二是試驗路鋪筑完成后，采用現(xiàn)場取樣進(jìn)行漢堡浸水車轍試驗，在試驗路現(xiàn)場選取4 個斷面（組），每個斷面（組）鉆取2 個芯樣，共計現(xiàn)場取芯數(shù)量為8 個，每個斷面2 個芯樣作為1 組試驗進(jìn)行漢堡浸水車轍試驗， 模擬通車后瀝青路面在高溫、多雨與重載交通作用下的高溫抗車轍能力與抗水損耐久性能，如圖4 所示。

圖4 漢堡車轍試驗機(jī)中的試件安裝與浸水車轍試驗

試驗采用的漢堡車轍試驗機(jī)自帶軟件能自動生成相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表格，并對漢堡浸水車轍試驗過程中的實時溫度、各輪跡點的實時變形深度等試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析處理。 針對不同摻量抗剝落劑與2%水泥的花崗巖酸性石料瀝青混合料室內(nèi)成型試件進(jìn)行漢堡浸水車轍試驗，其結(jié)果如圖5 所示，對試驗路現(xiàn)場芯樣進(jìn)行漢堡車轍試驗， 其結(jié)果如圖6 所示。

圖5 室內(nèi)成型試件進(jìn)行漢堡浸水車轍試驗曲線比較

圖6 現(xiàn)場芯樣在20000 次輪載作用后沿輪跡線變形深度比較

分析圖5 可以得到， 不同摻量抗剝落劑與2%水泥的花崗巖酸性石料瀝青混合料室內(nèi)成型試件，隨著抗剝落劑摻量的增加，其高溫抗車轍能力與抗水損耐久性能不斷增強(qiáng)，高溫最大抗車轍深度逐漸降低，抗水損耐久性剝落折點增大，抗水損耐久性剝落斜率減小，當(dāng)抗剝落劑摻量大于0.4%后高溫抗車轍能力與抗水損耐久性能增強(qiáng)不明顯，這與水損壞敏感性試驗得到的結(jié)論一致，即在2%水泥摻量下的抗剝落劑最佳用量為0.4%。 由圖6 可知，在抗剝落劑最佳摻量0.4%與2%水泥條件下，花崗巖酸性石料瀝青混合料漢堡浸水車轍試驗結(jié)果能滿足20000 次輪載作用后沿輪跡線變形深度不超過6 mm要求，具有良好的高溫抗車轍能力與抗水損耐久性能，保證瀝青下面層鋪筑質(zhì)量和預(yù)期使用壽命。

5.2 現(xiàn)場鉆芯取樣分析

通過鉆取瀝青混合料成型后的路面芯樣，可以直觀地反映瀝青混合料配合比設(shè)計和現(xiàn)場施工狀況，驗證瀝青混合料施工技術(shù)和路用性能是否符合要求。 因此在距路中5、6、7、9 m 處的路面上各鉆數(shù)個芯樣，標(biāo)準(zhǔn)厚度為8 cm，取其中1 個芯樣切開如圖7 所示。 由芯樣上表面可看出，除鋼輪碾壓印記外，集料表面油膜覆蓋較好，證明瀝青與集料的粘附性能達(dá)到要求。 由芯樣下表面可看出，瀝青混合料粗料多，粗料的間隙部分由細(xì)集料填充，空隙率小，說明瀝青面層承受荷載的能力較強(qiáng)，不易變形。由芯樣側(cè)面可以看出，混合料中粗集料和細(xì)集料在垂直分布上比較均勻，驗證了瀝青混合料拌和及配合比設(shè)計均符合設(shè)計要求。

圖7 鉆芯取樣三視圖

5.3 滲水系數(shù)檢測分析

滲水系數(shù)體現(xiàn)水透過瀝青路面的能力，其數(shù)值大小也側(cè)面反映瀝青混合料的密實程度。 在距路中5、7 m 的2 處路面位置隨機(jī)各選取2 個點進(jìn)行滲水試驗，得到試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 瀝青下面層路面滲水系數(shù)

由于采用大功率全幅攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪，路面兩側(cè)或多或少會有離析，不如路面中心密實，空隙率也會增大，導(dǎo)致透水系數(shù)增大[6]。 因此，處于攤鋪路面兩側(cè)的3、4 位置的滲水系數(shù)相對路面中心1、2位置的滲水系數(shù)較大。 但是4 個點所測得的滲水系數(shù)均滿足不大于150 ml/min 的內(nèi)控管理要求。施工過程中， 應(yīng)高度重視攤鋪設(shè)備驗收和攤鋪工藝，盡可能減少攤鋪離析，嚴(yán)格控制滲水系數(shù)、空隙率指標(biāo)，以保障混合料抗水損害能力。

6 結(jié)論

通過花崗巖瀝青混合料設(shè)計、路用性能試驗與耐久性研究，得到以下結(jié)論：（1）花崗巖雖然是酸性石料，與瀝青粘附等級偏低，但通過添加水泥或消石灰與抗剝落劑等組合措施， 合理的配合比設(shè)計，花崗巖為主的瀝青混合料高溫性能試驗和水穩(wěn)定性試驗?zāi)苓_(dá)到設(shè)計及技術(shù)要求，水損壞敏感性試驗驗證了高溫、動水沖刷條件下花崗巖瀝青混合料抗水損壞耐久性能；（2）高溫多雨氣候條件下，根據(jù)水損壞敏感性與漢堡浸水車轍試驗結(jié)果，抗剝落劑摻量并非越多越好，存在一個最佳用量（0.4%），通過漢堡車轍試驗驗證最佳用量，得到添加水泥與抗剝落劑組合能顯著提高花崗巖瀝青混合料的抗車轍永久變形、抗剝落和抗水損害耐久性能；（3）通過漢堡車轍試驗、芯樣觀察和滲水試驗，論證花崗巖瀝青混合料具有良好的路用性能、抗車轍及抗水損耐久性，表明花崗巖酸性石料用于AC-25C 瀝青下面層可保證工程質(zhì)量和預(yù)期使用壽命；（4）在瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計、 路用性能與耐久性試驗驗證基礎(chǔ)上，加強(qiáng)瀝青混合料現(xiàn)場攤鋪離析控制，嚴(yán)格進(jìn)行攤鋪設(shè)備驗收與調(diào)試，盡可能減少攤鋪離析，嚴(yán)格控制瀝青混合料空隙率與現(xiàn)場滲水系數(shù)指標(biāo)，可保障花崗巖瀝青混合料抗車轍永久變形、抗剝落和抗水損害耐久性能。