资兴高速花岗岩集料沥青中面层配合比设计应用研究

周善宽，张大斌，李美华

(1.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；3.广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

广西资源至兴安高速公路是《广西高速公路网规划修编2010-2020年》规划的“6横7纵8支线”布局方案中7纵线之一，路线全长82.745 km，是湖南湘西经广西桂北连接广西北部湾经济区的纵向跨省通道，项目的建设对完善广西高速公路

网，推动桂湘两省区间区域经济发展和合作具有重要意义。项目沿线资源段石灰岩资源匮乏，经考察最近的石场运距超过50 km，且集料颗粒形状、洁净度难以满足规范要求。综合考虑后项目部拟利用当地花岗岩作为中下面层集料，为保证进场集料质量[1]，花岗岩集料由项目部自行加工。

与石灰岩相比，花岗岩集料具有更好的力学强度和耐磨耗性能，但是由于其偏酸性，与沥青的粘附性能较差，容易造成沥青路面水损害，影响其推广应用。研究表明[2-4]：花岗岩沥青混合料水稳定性与其岩性组成息息相关，添加消石灰、水泥、抗剥落剂均可以改善其水稳定性能。水泥材料由于能与沥青的有机酸反应生成吸附能力极强的物质，能起到表面活性剂的作用，同时还可以提高沥青混合料的高温性能。本文对花岗岩在中面层的应用进行研究，以用于指导路面施工。

1 原材料试验

改性沥青采用SBS I-D，花岗岩碎石规格9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm，填料为石灰岩矿粉。沥青与碎石的检测指标如表1和表2所示：

表1 SBS I-D改性沥青试验结果表

表2 集料试验结果表

由表1、表2可知，SBS改性沥青以及集料均满足规范要求[5]，且花岗岩集料与SBS改性沥青粘附等级达到4级。

2 配合比设计

由于花岗岩集料与沥青粘附等级达到4级，按照规范要求可以直接用于沥青面层配比设计，结合广西现有高速公路沥青路面建设经验：中面层沥青混合料应具有良好的高温稳定性能，应采用骨架密实结构，在保证密实的前提下尽量提升粗骨料的用量，本次中面层矿料级配组成设计见表3。

经马歇尔试验确定最佳油石比为4.7%，沥青混合料最佳油石比体积指标见下页表4。

3 性能验证

3.1 水稳定性能验证

对设计的花岗岩沥青混合料进行残留稳定度试验和冻融劈裂试验，对其水稳定性能评价如下页表5所示。

表3 矿料级配组成设计表

表4 4.7%油石比马歇尔试验结果表

表5 花岗岩沥青混合料水稳定性试验结果表

由试验结果可知：花岗岩沥青混合料浸水马歇尔试验指标满足规范要求，冻融劈裂强度比则无法满足规范要求，这是由于真空负压状态下自由水容易沿着内部连通孔隙进入马歇尔芯样内部，在冻融循环作用下造成混合料内部损伤，从而导致沥青混凝土劈裂强度比低，满足不了规范要求。文献[2]～[4]中指出：水泥材料可以改善酸性集料的水稳定性能和高温性能，将花岗岩集料中的矿粉用2%水泥代替后再进行水稳定性能试验，试验结果如表6所示：

表6 2%水泥代替矿粉的花岗岩沥青混合料水稳定性试验结果表

采用水泥替代部分矿粉之后，花岗岩沥青混合料的水稳定性能均有提升，均能满足规范要求。其中浸水马歇尔强度比提高了8.0%，冻融劈裂强度比提高了36.0%，冻融循环后的强度增长了21.9%，说明水泥能够有效改善酸性集料与沥青的界面粘结强度，从而提高酸性集料的水稳定性能。

3.2 高温性能验证

分别对花岗岩沥青混合料以及2%水泥代替矿粉的花岗岩混合料进行车辙试验，以对其高温性能进行验证，试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验条件为 60±1 ℃，0.7±0.05 MPa，结果如表7所示：

表7 60 ℃车辙试验结果对比表

采用水泥替代部分矿粉后，花岗岩沥青混合料的60 ℃车辙试验结果前后变化不大，增加幅度为4.0%，有效增加幅度基本在仪器误差范围之内，但是混合料的不同阶段唯一变形量变化明显，掺加水泥之后，沥青混合料45 min、60 min唯一变形量均减小，由于沥青混合料车辙试验唯一变形量是一个不断往返累计的过程，其位移变形量的大小更能反映沥青混合料在车轮反复作用下的抵抗变形的能力，因此掺加2%水泥代替矿粉后花岗岩沥青混合料的高温性能也有了较为显著的提升。

4 汉堡车辙试验

由上述性能验证可知：采用水泥作为抗剥落剂，资兴高速花岗岩集料中面层各项性能指标均能满足规范要求。沥青路面使用过程中，高温性能和水稳定性能往往相互影响、相互制约，尤其是广西地区高温季节与雨季同时出现，沥青混合料应具有良好的高温抗水损害能力。对掺2%水泥代替矿粉的花岗岩沥青混合料成型汉堡车辙板试件，采用设计空隙率，对其进行浸水汉堡车辙试验，试验温度为50 ℃，如图1所示：

图1 汉堡车辙变形深度随轮碾次数的变化曲线图

由图1可知：加载初期(6 000次)，沥青混合料主要发生压密变形，此时变形速率一般较快，随着加载次数的增加，试件压密到一定程度后将不再发生压密变形；高温条件下混合料的粘塑性会使混合料继续发生蠕变变形(6 000次以后)；蠕变阶段，混合料的变形量以稳定的速率增长，变形速率越大，高温性能越差；轮碾往复作用20 000次后，试件的变形深度为2 mm，此时混合料仍处于蠕变阶段，变形曲线未出现拐点，表明采用2%水泥代替矿粉花岗岩沥青混合料具有良好的高温抗水损害能力，可以用于指导现场施工。

5 结语

通过本文研究可知：资兴高速花岗岩集料与沥青粘附等级满足规范要求，但是直接用于沥青中面层其冻融劈裂强度比难以满足规范要求；采用2%水泥代替矿粉后，花岗岩沥青混合料的水稳定性能和高温性能均有改善提高，其冻融劈裂强度比满足规范要求。高温浸水车辙试验表明：采用水泥替代部分矿粉后，花岗岩沥青混合料具有良好的抵抗高温水损害的能力。因此通过添加水泥，资兴高速沥青中面层采用花岗岩集料的方案是可行的。