GAC-16沥青混合料在赣西干线公路中的应用研究

熊小军，周崇阳，纵瑾瑜，王永维，*，刘林林

(1. 宜春市公路管理局，宜春 336000； 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112；3. 新型道路材料国家工程实验室，南京 211112)

赣西地区的公路普遍采用AC-16型沥青混合料铺筑中面层。中面层主要提供高温抗车辙能力和密水性。AC-16混合料结构特征为悬浮密实型，粗集料悬浮于细集料组成的沥青胶浆之中，此混合料结构致密，有较高的稳定度，但因为粗集料少，且处于相互分离的状态，会影响它的高温稳定性[1]。在重载超载、高温多雨的复杂交通条件下，路面会出现不同程度的损坏，最常见的病害是车辙路面车辙除影响行车舒适度外，还直接影响交通安全。

为了使得赣西干线公路能够承受车辆荷载反复作用及雨水、大气等的长期影响，铺筑路面的沥青混合料必须具备良好的高温稳定性、水稳性能等。试验研究分析表明，对沥青混合料的高稳定性的贡献，有60%来自于集料的嵌挤作用，有40%来自于沥青胶结料的粘结作用，由于传统的AC-16混合料中粗集料较少，无法产生嵌挤力[2]。为了解决赣西重载干线公路高温性能和水稳定性能的不足，本文在对该地区原材料进行调研的基础上，对AC-16 型级配进行优化设计，主要通过调整关键筛孔2.36 mm和4.75 mm通过率，得到骨架密实型GAC-16沥青混合料，与常规的AC-16混合料性能进行对比，以高温性能、水稳定性和低温性能3个指标作为评价依据，对混合料的级配进行优化设计，使设计出的混合料具有更高的高温稳定性和水稳定性[3-5]。

1 原材料及试验方法

1.1 主要原材料

(1) 沥青：江苏某公司生产的SBS改性沥青，经检测PG 等级为PG76-22，其检测结果如表1所示。

表1 SBS改性沥青基本指标

(2) 集料和填料：矿料岩性均为石灰岩；填料为矿粉。集料和矿粉的相关技术指标见表2，各项技术指标均符合JTGF40规范中对沥青面层用集料的规定。

1.2 试验方法

(1) 级配确定原则

混合料没有足够骨架时，其级配高温敏感性强，易形成车辙，悬浮密实结构具有较好的水稳定性，但是没有足够的骨架，高温抗车辙性能差。为了使得设计的混合料具有较好的高温抗车辙能力和抗水损害能力，结合赣西的气候和交通特点，提出骨架密实型GAC型混合料(AC型沥青混合料的改进型)。通过调整级配上下限，提出GAC-16C关键性筛孔通过率(2.36 mm)应小于38%，4.75 mm通过率应为35%左右，使其形成骨架密实结构，适当增加4.75 mm以上粗集料用量，相对降低 0.6 mm以下部分细集料的用量，形成居中的S型级配曲线[6-10]。

(2) 性能评价

根据赣西的气候和交通特点，本文从高温稳定性(车辙试验)、水损害性(浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验)、低温抗裂性(低温小梁试验)三方面评价GAC-16C混合料性能，从而使GAC-16C混合料级配达到最优。

本文室内试验采用马歇尔设计方法对GAC-16沥青混合料进行设计，同时选取AC-16混合料与GAC-16混合料进行对比和配合比验证。

表2 集料与矿粉检测指标

2 配合比设计

2.1 生产配比级配选定

依据本地区原材料的调研结果，在选择混合料结构时，根据集料的筛分结果，首先初选出粗、中、细3个级配(级配1、级配2、级配3)，然后根据当地的工程实际应用情况选择油石比，分别制作马歇尔试件，得出试件的体积指标，根据体积指标初选一组满足或接近设计要求的设计级配。表3为各档料筛分结果，表4为GAC-16和AC-16级配范围，表5为3个级配的合成级配明细表，图1为3种级配曲线图，表6为3种试级配马歇尔试验结果。

GAC-16的级配上下限范围和AC-16相比均相对减小，GAC-16C整体偏粗，特别是0.6～9.5 mm筛孔通过率的降低，间接减少了中间档料用量。

图1 GAC-163种合成级配图

通过表5和图1合成级配可以看出，GAC-16关键筛孔4.75 mm通过率控制在35%左右，2.36 mm 通过率控制在38%以下。GAC骨料中粗骨料占比例较大，有足够的粗骨料形成骨架产生嵌挤力，也有足够的细集料填充空隙，具有骨架密实结构的特点，相比于AC型有了很大的改善，对提高高温稳定性和水稳定性是有利的。

由表6可以看出级配1和级配3体积指标满足要求，级配2体积指标不满足要求，结合实际工程经验，本次设计选择级配1为设计级配。

2.2 最佳油石比确定

GAC-16型以4.5%、4.8%、5.1% 3种油石比进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表7。

根据对GAC-16型沥青路面设计要求，结合相关工程经验，并考虑沥青混合料的高温抗车辙性能，本次设计油石比最终取4.8%。

本文用来对比的AC-16室内试验选定的级配如表8所示，得出最佳油石比为5.2%，试验结果见表9。

表3 各档矿料筛分结果

表4 GAC-16和AC-16沥青混合料级配范围

表6 3种试级配马歇尔试验结果

表7 GAC-16型生产级配马歇尔稳定度试验结果

表8 AC-16沥青混合料级配

表9 AC-16型选定级配马歇尔稳定度试验结果

3 试验结果分析

(1) 水稳定性分析

本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价混合料的水稳定性能，试验结果见图2、图3。

图2 浸水马歇尔试验

图3 冻融劈裂试验

试验结果显示GAC-16和AC-16残留稳定度和劈裂强度比均满足F40规范的要求，但GAC-16比AC-16型残留稳定度和冻融劈裂强度比分别高出1.3%和2%，经分析GAC-16的0.6～0.075 mm筛孔通过率和AC-16的通过率比较接近，均形成了较密实的结构。但是GAC-16有较多的粗骨料，形成了较大内摩阻力，能有效抵抗由于温度收缩而使混合料产生的内应力，同时减小了冻融循环时混合料的劈裂强度损失，从而提高混合料的劈裂强度比[1]。

(2) 高温稳定性分析

本文采用车辙试验评价混合料的高温稳定性能，试验条件为60±1 ℃，0.7±0.05 MPa。车辙试件动稳定度试验结果见图4。

上述试验结果显示GAC-16和AC-16动稳定度均满足F40规范的要求，但GAC-16的动稳定度远远大于AC-16，原因是通过调整级配上下限、关键筛孔通过率，使得GAC-16 关键筛孔2.36 mm(24.2%)和4.75 mm(34.5%)通过率均小于AC-16(27.6%，45.4%)，GAC-16粗集料相对于AC-16较多，有较多粗骨料相互嵌挤形成空间骨架型，骨架间隙有细集料密实填充，形成了骨架密实的结构，具有较高的内摩阻力和粘聚力，抵抗变形的能力也得到了增强，因此，GAC-16抗车辙能力优异且相对于AC-16有显著的提升[11]。

图4 车辙试验结果

(3) 低温抗裂性分析

本文采用低温小梁试验利用破坏应变评价混合料的低温性能，试验条件为-10 ℃，速率为50 mm/min，试验结果见图5。

图5 低温小梁试验结果

试验结果显示：GAC-16C和AC-16破坏应变均满足F40规范的要求，但GAC-16C破坏应变比AC-16高出187.2 με，因为GAC-16相比于AC-16有足够多的粗集料相互嵌挤锁结，形成了较大内摩阻力，在一定程度上提高了抵抗收缩应力的能量，能有效抵抗由于材料、温度收缩而使混合料产生的内应力[12]。

综上所述，GAC-16具有较好的抗水损害能力、高温抗车辙能力、低温抗裂能力，浸水残留稳定度为90.1%，劈裂强度比81.4%，动稳定度为10 328次/mm，破坏应变为2 734.5 με。由于AC-16混合料细集料较多，油石比为5.2%，GAC-16油石比为4.8%。

铺筑长100 m、宽5 m、厚4 cm道路，大概所需沥青混合料50 t，使用GAC混合料用油比使用AC高出0.3 t左右，大概节省了1 000元。因此，使用GAC-16混合料铺筑路面相比，用AC-16较经济。

4 结论

(1) 本文结合赣西气候和交通特点，对AC型沥青混合料改进得到骨架密实结构GAC-16，关键筛孔2.36 mm和4.75 mm的通过率分别为24.2%和34.5%。

(2) GAC-16沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性，相比于AC-16型混合料均有了一定程度的提高，浸水残留稳定度为90.1%，劈裂强度比81.4%，动稳定度为10 328次/mm，破坏应变为2 734.5 με。

(3) 通过调整级配上下限和关键筛孔通过率得到的GAC-16室内路用性能优异，有显著经济效益，可以进行推广应用，为今后工程提供技术参考。