粤北地区环境条件下SAC与GAC沥青混凝土的路用性能

张永升，罗代松，刘中宇，畅浩浩，李 迪

（1.交通运输部科学研究院，北京 100029；2.交科院科技集团有限公司，北京 100013）

0 引言

粤北地区的气候特点是雨季持续时间长、降雨量大，夏季高温持续时间长、极端高温频繁、昼夜温差小，冬季偶有负温现象，因而高速公路沥青路面常产生水损害、路面车辙、拥包、泛油、表面抗滑性能丧失和温度裂缝等病害。针对粤北地区的特殊气候条件，为了减少沥青路面病害和提高高速公路沥青路面质量，有必要根据沥青混凝土的特点，开展沥青路面不同结构层沥青混凝土使用性能及其适用性研究。

针对如何提高沥青混凝土使用性能等问题，沙庆林[1]通过试验研究发现多碎石沥青混凝土（Stone Asphalt Concrete,SAC）具有较好的使用性能。梁锡三[2]通过总结广东地区的工程实践和试验研究，得出改进型沥青混凝土（Graded As⁃phalt Concrete,GAC）具有较好的使用性能。对于SAC 和GAC，国外未见工程应用和研究，国内一些相关研究包括：刘朝晖等[3]对SAC 的2 种级配（SAC-25,SAC-20）、3 种沥青结合料（A-70,A-30,SBS改性沥青）的高温性能和单轴贯入剪切试验、低温性能、水稳性能等进行了比较试验研究，发现SAC-25,SAC-20 均具有良好的路用性能（尤其是高温稳定性），适用于沥青路面中下面层；李文深[4]、彭波等[5]系统分析了SAC 和密级配沥青混凝土的路用性能，认为SAC 的水稳定性、高温稳定性、摩擦系数和构造深度等方面优于密级配沥青混凝土；赵伟等[6]通过Xray CT 技术和图像处理技术分析AC-13C,SMA-13,SAC-13和AR-AC-13S等4种级配的沥青混凝土内部结构的空隙分布等细观特征参数，认为SAC-13 在内部空隙特征方面表现良好；冯浩等[7]分析断级配沥青混凝土与GAC 的适用性，发现两种类型的沥青混凝土均具有良好的高温性能及抗水损害性能，且路用性能相当；刘涛等[8]研究指出，路面水损害的主要原因不在于酸性集料与沥青黏附性差和层厚偏薄，也不在AK 型沥青混凝土本身，并推荐了GAC-16 和GAC-16C；吕瑞[9]研究得知，GAC-16C 在高温稳定性、水稳定性等方面相比AC-16C 具有一定的优势。以上研究表明：SAC与GAC 相比其他级配沥青混凝土均具有较好的使用性能。

综合而言，目前对于SAC 和GAC 这两种沥青混凝土与其他级配沥青混凝土的使用性能对比研究较多，但缺少对SAC 和GAC 的使用性能对比研究，且基于提高沥青路面各结构层主要功能的沥青混凝土使用性能的研究不够深入。为此，本文将针对粤北地区的气候特点，采用该地区的原材料进行SAC-16,SAC-20,GAC-16C和GAC-20C的性能试验，分析4 种沥青混凝土在高温多雨条件下的适用性，并根据沥青路面各结构层功能需要，优选适用性较好的沥青混凝土类型，为相关工程提供参考。

1 原材料试验

1.1 集料试验

本研究中，集料采用粤北地区石灰岩，填料采用石灰岩矿粉。对原材料进行物理性能试验[10]，结果如表1和表2所示。

表1 集料相对密度和含水量试验结果

表2 面层粗集料试验指标和技术要求

由表2 可知，石料的相对密度、吸水率、压碎值、洛杉矶磨耗值、坚固性、含泥量、针片状颗粒含量和与沥青黏附性等均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[11]要求。

1.2 沥青结合料试验

结合粤北地区的气候条件和工程经验，选用改性沥青SBS（I-D）作为沥青路面上、下面层结合料，各技术指标试验结果见表3。

表3 SBS改性沥青结合料技术指标

从表3 可知，SBS（I-D）的软化点达73.5℃，5℃延度达34.1cm，表明该结合料具有较好的耐高温性和低温抗变形能力。此外，运动黏度（135℃）为2.435Pa·s，表明SBS（I-D）的施工和易性良好。

2 配合比设计

基于国内尤其广东地区的道路施工经验，路面上面层沥青混凝土初选SAC-16 和GAC-16C，中面层初选SAC-20 和GAC-20C。通过对SAC-16,SAC-20,GAC-16C和GAC-20C的室内试验[12]，对比研究SAC 与GAC 的路用性能。

2.1 级配设计

本文采用SAC 级配设计法[1,12]进行SAC-16 和SAC-20 级配设计。粗、细集料级配设计计算公式分别见式（1）和式（2）。

式（1）～式（2）中：di为第i档集料的粒径（mm）；为粗、细集料通过率（%）；Dmax为混合料最大公称粒径（mm）；A为Dmax筛孔通过率（%）；P4.75为4.75mm筛孔通过率（%）；B,B1均为系数。

SAC-16 和SAC-20 的级配设计结果见表4和图1。参考以往的工程技术经验，经试验获得GAC-16C 和GAC-20C 的级配设计结果，同见表4和图1。

表4 级配设计结果

图1 级配曲线

贝雷法[13]采用粗集料比（Coarse Aggregate Ra⁃tio,CA Ratio）、细集料粗比（Coarse Portion of Fine Aggregate,FAC）和细集料细比(Fine Portion of Fine Aggregate,FAF)3 项指标进行级配评价，该方法可使设计级配形成稳定的骨架结构并具有合适的矿料间隙率。本文采用贝雷法对以上4 种级配设计结果进行评价，结果见表5。

表5 基于贝雷法的各混合料级配评价结果

由图1 可知，4 条级配曲线都接近于S 形。从表5 所示评价结果可知，SAC-20 和GAC-2C 的CA比分别为0.57和0.45，表明这两种沥青混凝土具有很好的骨架密实状态，抗车辙能力强；上面层SAC-16 的CA 比为0.7，GAC-16C 的CA 比为0.53，表明GAC-16C 和SAC-16 具有既不离析，又容易被压实的特性。

2.2 配合比

根据以上4 种级配设计结果，本研究采用马歇尔法进行沥青混凝土配合比设计。试验得出SAC-16,SAC-20,GAC-16C 和GAC-20C 这4 种沥青混凝土的最佳油石比分别为4.7%，4.5%，4.6%和4.4%。

在以上最佳油石比下，4 种沥青混凝土的各项体积指标和力学指标见表6。

表6 4种沥青混凝土在最佳油石比下的马歇尔试验结果

3 路用性能试验

为掌握以上4 种沥青混凝土的适用性，确保沥青路面满足使用要求，本研究基于水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性、抗滑性和抗渗水性5项技术指标，对沥青混凝土各项性能展开全面分析[14-16]，以明确适用于沥青路面上、下面层的沥青混凝土类型。

3.1 水稳定性

对于GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20这4 种沥青混凝土的水稳定性，选取残留稳定度和残留强度比这两个技术指标进行评价。采用马歇尔试验仪双面分别击实75次制成两组试件，一组试件用于常规马歇尔试验（60℃，浸水30min），获得马歇尔稳定度；另一组试件用于测定试件的浸水马歇尔稳定度（60℃，浸水48h），以残留稳定度为检验指标，评价沥青混凝土的稳定性，试验结果如表7所示。

表7 沥青混凝土浸水马歇尔试验结果

从表7 可知，GAC-16C 的残留稳定度比SAC-16 的残留稳定度高出约6%；GAC-20C 的残留稳定度比SAC-20 的残留稳定度高出约0.9%。这说明以残留稳定度为评价指标时，GAC 的抗水损害性能略优。

采用马歇尔试验仪双面分别击实50次制成马歇尔试件各两组，一组试件在25℃恒温水箱中浸水养护2h后用于劈裂试验，以获取该组沥青混凝土的劈裂强度；另一组试件在-18℃下依次经过16h 冷冻养护、60℃下24h 水浴养护和25℃下2h水浴养护后进行劈裂试验，获取该组沥青混凝土的劈裂强度。试验结果见表8。

表8 沥青混凝土冻融劈裂试验结果

从表8 可知，GAC-16C 的残留强度比SAC-16 略大0.07%；GAC-20C 的残留强度比SAC-20大5.8%；无论是否经过冻融损害，GAC比SAC的劈裂强度均略大。这表明以残留强度比为评价指标时，GAC-16C与SAC-16的抗水损害性能相当，GAC-20C比SAC的抗水损害性能略优。

3.2 高温稳定性

为了解GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20 的高温稳定性，分别碾压成型300mm×300mm×500mm 车辙板试件各1 组，在60℃和0.7MPa 条件下进行车辙试验。以动稳定度作为评价指标，得到以上4 种沥青混凝土的高温稳定性评价结果（见表9）。

表9 沥青混凝土高温稳定性试验结果

从表9 可知，GAC-16C,GAC-20C,SAC-16和SAC-20 的动稳定度远大于规范要求，均具有较好的高温稳定性能；GAC-16C 的动稳定度较SAC-16 高出约5.5%；SAC-20 的动稳定度较GAC-20C高出约12.3%。

3.3 低温抗裂性

粤北地区夏季高温多雨，冬季负温最低可达-3℃。虽然低温时间持续不长，但也会导致沥青路面产生温度裂缝。为此，本研究对4 种沥青混凝土GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20进行低温性能检测，探究在-10℃下沥青混凝土的低温变形能力和温度敏感性，试验结果见表10。

表10 沥青混凝土低温性能试验结果

由表10 可知，4 种沥青混凝土均具有良好的低温抗裂性能。GAC-16C 比SAC-16 的最大弯拉应变高出约7%，GAC-20C 比SAC-20的最大弯拉应变高出约4.5%。由此可见，GAC在低温条件下的变形能力优于SAC。

3.4 抗滑性能

沥青路面表面层应具有足够的抗滑性，以确保使用安全。本研究选择构造深度指标，评价沥青路面表面层材料GAC-16C 和SAC-16 的抗滑性。针对两种沥青混凝土，分别成型300mm×300mm×500mm 车辙板试件各1 组，每组3 块。采用手工铺砂法检测成型的沥青混凝土车辙板的构造深度，试验结果见表11。

表11 沥青混凝土表面构造深度试验结果

由表11 所示结果可知，GAC-16C 和SAC-16的表面构造深度均远大于技术要求值，具有很好的抗滑效果，可为汽车安全行驶提供保障。比较GAC-16C 和SAC-16 的表面构造深度，发现二者抗滑性能相当。

3.5 抗渗水性

雨水会通过表面层沥青混凝土空隙逐步渗透至结构层内部，引起路面结构层内部水损害。因此，沥青混凝土必须达到密实状态，以防水分进入路面结构内部。采用GAC-16C 和SAC-16，分别成型300mm×300mm×500mm 试件各1 组，并采用渗水仪法检测沥青混凝土的渗水情况，结果如表12 所示。通过试验数据分析可知，GAC-16C的渗水系数小于规范值，SAC-16不渗水。

表12 沥青混凝土渗水试验结果

4 路用性能综合评价

对比分析GAC和SAC的试验结果，发现；

（1）抗渗水性；GAC-16C 和SAC-16 的渗水系数很小或几乎不渗水，抗渗水性相差不大；

（2）抗滑性：GAC-16C 和SAC-16 的构造深度均远大于规范要求值，且均超过1.1mm，说明二者均具有优越的抗滑性；

（3）高温稳定性：GAC-16C 和SAC-16 的动稳定度相差不大，SAC-20 的动稳定度明显大于GAC-20C，但均远大于规范要求值，说明均具有较好的高温稳定性；

（4）低温抗裂性：GAC的低温抗裂性优于SAC；

（5）抗水损害性：以残留稳定度为评价指标，GAC 的抗水损害性能略优于SAC；以残留强度比为评价指标，GAC-16C 与SAC-16 的抗水损害性能相当，GAC-20C 的抗水损害性能略优于SAC沥青混凝土。

（6）经济性：GAC-16C 相对SAC-16，GAC-20C 相对SAC-20 的油石比均降低约2%。GAC 的造价相对SAC 略低，但仍需结合路面长期性能全面考量路面全生命周期的经济性。

5 结论

本文通过工程实地调研，结合粤北地区的气候特点及高速公路路面各结构层功能需求，基于试验分析了当地原材料及SAC 和GAC 的各项性能，并对适用于路面各结构层的沥青混凝土类型进行了比选，得出如下结论；

（1）原材料均满足试验要求，适用本地区高速公路建设。

（2）由贝雷法对SAC 和GAC 的级配设计评价结果可知，SAC 和GAC 都可以达到既不离析，也易压实的效果；4条级配曲线都接近于S形。

（3）SAC 和GAC 均表现出较好的路用性能。对于高温多雨地区，沥青路面耐高温性能和抗水损害性能是两个比较重要的指标。GAC-16C的耐高温性能和抗水损害性能优于SAC-16，更适用于高温多雨地区表面层；SAC-20 的抗水损害性能略低于GAC-20C，但在耐高温性能方面优于GAC-20C。考虑到中面层对抗车辙性能的贡献较大，SAC-20更适用于中面层。

对于沥青混凝土的使用性能优劣的评价，不仅需要通过室内试验分析，更需要通过工程实践验证。鉴于不同结构层沥青混凝土对高速公路沥青路面使用品质影响的试验观测周期较长，本文未开展沥青混凝土的长期性能研究。今后有必要结合沥青混凝土的经济性，进一步研究不同结构层沥青混凝土全寿命周期内的使用性能。