基于加速加载试验的花岗岩沥青混合料水温稳定性能研究

王立业， 杨永富， 张黎明， 庄传仪

(1.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250021; 2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031； 3.山东交通学院，山东 济南 250357)

随着公路建设的纵深发展和环保意识的不断提高，性能优异且不可再生的碱性集料也在极速减少[1]。而我国花岗岩分布广、储量极为丰富，具有力学强度高、耐磨性好、抗滑耐疲劳等优点，如通过添加抗剥落剂、使用改性沥青或矿粉改性等措施，将花岗岩大规模地应用于沥青面层，不仅可以解决碱性集料资源不足的难题，还能带动当地经济发展。但是花岗岩与沥青的粘附性较差，存在水稳定性不足等弊端，因此改善花岗岩沥青混合料的抗水损坏性能，保持或提高其他路用性能，将对我国公路等基础设施建设有着重大的意义。

为提高花岗岩与沥青的粘附性，国内外专家学者对其进行了深入的研究，如使用改性沥青、消石灰、水泥等碱性材料代替混合料中的部分矿粉，用碱性溶液处理花岗岩集料表面等[2-3]。王富强[4]在高湿热地区采用硅烷偶联剂和消石灰评价了对花岗岩沥青混合料水稳定性的改善效果，提出了消石灰和硅烷偶联剂复掺效果最佳。原宝盛[5]等发现Morlife300抗剥落剂的花岗岩沥青混合料高温稳定性和水稳定性大幅提高，并将其用于珠三角地区白改黑实体工程中。李瑞霞[6]等从微观角度分析了克拉玛依70号沥青和BRA改性沥青的化学组成，发现BRA改性沥青中聚集态转变数量减少，两者形成了相互交错且两相连续的沥青胶体结构，温度稳定性能得到提高。刘平[7]以砂岩、花岗岩作为沥青混合料集料，提出掺量为0.3%的LX-6525型抗剥落剂能提高砂岩与花岗岩混合料的动稳定度、水稳定性和冻融劈裂强度，但砂岩的冻融劈裂残留强度比不合格。上述研究通过添加抗剥落剂、活性材料及石灰粉等，采用微观表征、室内性能试验等方法评价花岗岩与沥青粘附性及其混合料的路用性能，但室内单一混合料试件试验受到试件尺寸、边界效应、环境和加载方式等限制，与公路路面的实际情况存在较大的差异。本文借助1/3比例尺气囊式加速加载系统，较真实地模拟货车轮载的反复作用和夏季高温降雨的环境条件，研究5种抗剥落措施的双层沥青混合料复合试件的高温抗车辙及水—温耦合作用下的抗水损、抗车辙性能，评价不同抗剥落措施对花岗岩沥青混合料路用性能的改善效果。

1 沥青混合料设计与试验方案

1.1 原材料与配合比

a.沥青。

本次试验使用的沥青为70-A沥青和成品SBS改性沥青，根据JTG E20对沥青的相关性能进行了测试，见表1和表2，试验结果均符合规范要求。

b.集料。

花岗岩粗集料规格为10～20 mm、10～15 mm、5～10 mm和3～5 mm，细集料选用机制砂(0～3 mm)，填料选用矿粉和消石灰粉，其技术指标分别见表3～表5。

表1 70-A道路石油沥青技术指标Table1 Technicalindexofroadpetroleumasphalt试验项目针入度(25℃,100g,5s)//0.1mm针入度指数软化点/℃15℃延度/cm沥青密度(15℃)/(g·cm-3)TFOT残留25℃针入度比/%延度(10℃)/cm质量变化/%试验结果660.4446.51630.9916812-0.13技术要求60～80-1.8～+1.0≥44≥100试验结果≥58≥4-0.8～+0.8

表2 成品SBS改性沥青技术指标Table2 TechnicalindexofSBSmodifiedasphalt试验项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm针入度指数软化点/℃5℃延度/cmTFOT残留25℃针入度比/%延度(5℃)/cm质量变化/%试验结果410.329324.38512-0.071技术要求40～60≥0≥60≥20≥65≥4-0.8～+0.8

表3 粗集料技术指标Table3 Technicalindexofcoarseaggregate类别集料压碎值/%表观相对密度/(g·cm-1)3～55～1010～1510～20吸水率/%对沥青的粘附性针片状颗粒含量/%水洗法<0.075mm颗粒含量/%软石含量/%磨耗值(洛杉矶法)/%检测结果18.82.7122.6422.6212.6301.8290.41.219技术要求不大于26不小于2.60不大于2.0不小于4级不大于15不大于1不大于3不大于28

表4 细集料技术指标Table4 Technicalindexoffineaggregate类别表观相对密度/(g·cm-1)含泥量(小于0.075mm的含量)/%砂当量/%亚甲蓝值/(g·kg-1)检测结果2.65818715技术要求不小于2.50不大于3不小于60不大于25试验方法T0328T0333T0334T0349

表5 矿粉技术指标Table5 Technicalindexofmineralpowder试验项目表观密度/(g·cm-1)含水量/%不同粒度(mm)范围含量/%<0.6<0.15<0.075试验结果 2.6320.6810095.886.4技术要求≥2.5≤1.010090～10075～100

由表3～表5可知，所选择的集料和填料技术指标均满足现行规范要求。

表6 消石灰粉技术指标Table6 Technicalindexofslakedlime类别表观密度/(g·cm-1)不同粒度(mm)范围含量/%<0.6<0.15<0.075含水量/%亲水系数塑性指数外观技术要求≥2.5100～10090～10085～100≤1≤1≤4无团粒结块检测结果2.612100.097.686.70.40.42.8无团粒结块

c.配合比设计。

通过沥青混合料配合比试验，得出AC-10和AC-16的最优矿料级配，见表7。AC-10和AC-16花岗岩沥青混合料最佳油石比分别为5.5%和4.7%。

表7 沥青混合料矿料级配Table7 Gradationofasphaltmixture矿料种类通过以下筛孔(mm)的质量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-10100.096.256.537.730.424.918.511.76.6AC-1610097.688.969.841.627.119.414.511.18.77.1

1.2 试验设备与方案

为了评价花岗岩沥青混合料高温及水耦合作用下的路用性能，借助1/3比例尺气囊式路面加速加载试验系统，通过可控的轮载加速沥青混合料试件的破坏，可以使试件在较短时间内产生车辙和疲劳破坏等。1/3比例尺气囊式路面加速加载试验系统如图1所示，通过3组4.00-8单轮斜交充气轮胎回转循环方式，对试槽内的花岗岩车辙试件进行加载。本试验采用的轮载为700 kg，接地压力为1.06 MPa，胎压为0.85 MPa，按照接地压力比相当于200 kN单轴双轮组轴载。碾压速度为10 km/h，每1 h对试槽的试件施加3 600次单轮轮载作用[7-10]。

图1 1/3比例尺气囊式路面加速加载试验系统

成型3 cmAC-10+5 cmAC-16双层花岗岩沥青混合料复合试件，进行60 ℃空气浴高温性能、50 ℃水浴抗水损坏性能的加速加载试验，评价5种抗剥落方案的花岗岩沥青混合料复合试件高温稳定性和水稳定性，双层沥青混合料复合试件方案见表8。

表8 双层沥青混合料复合试件方案Table8 Testschemefordouble-layerasphaltmixturecom-positespecimen方案3cmAC-10面层沥青填料方案170-A矿粉∶消石灰粉(4∶3)方案270-A+0.3%硅烷偶联剂矿粉∶消石灰粉(4∶3)方案3SBS改性沥青矿粉∶消石灰粉(4∶3)方案4岩改沥青矿粉方案5岩改沥青+0.3%硅烷偶联剂矿粉方案5cmAC-16面层沥青填料方案170-A矿粉∶消石灰粉(4∶3)方案270-A矿粉∶消石灰粉(4∶3)方案370-A矿粉∶消石灰粉(4∶3)方案470-A矿粉∶消石灰粉(4∶3)方案570-A矿粉∶消石灰粉(4∶3)

2 基于加速加载试验的双层混合料复合试件高温性能评价

2.1 试件成型与试验设计

双层沥青混合料复合试件尺寸为300 mm×300 mm×80 mm，先成型50 mm厚的 AC-16下面层，放上30 mm厚的铝板进行碾压成型；取出30 mm厚的铝板，常温下养生5 h后再在其上铺筑30 mm 厚的AC-10上面层混合料，分两次碾压成型，试件成型过程见图2。

图2 双层沥青混合料复合车辙试件

试验开始之前将车辙板置于试槽中保温10 h，调试加载轮碾压方向与车辙板碾压成型方向相一致，每0.45万次轮载作用进行一次断面车辙检测，当车辙深度超过20 mm时终止碾压，结束试验。

2.2 高温稳定性能分析

根据表8试验方案，进行60 ℃空气浴环境的高温车辙试验，试验结果见图3和图4。

由图3和图4可以看出，在60 ℃高温环境条件下，5种抗剥落措施的花岗岩沥青混合料车辙深度随加载次数的变化存在着较大的差异。在整个加载周期内，5种抗剥落措施花岗岩沥青混合料复合试件车辙深度随加载次数始终较快增长，相比较而言，方案3(SBS改性沥青+消石灰粉)、方案4(岩改沥青)和方案5(岩改沥青+0.3%偶联剂)3种抗剥落措施能够显著减小车辙深度，具有较强的高温抗车辙性能。5种抗剥落措施对花岗岩沥青混合料高温性能改善的优劣排序为方案5>方案4>方案3>方案1>方案2，可见，单一的以硅烷偶联剂为抗剥落剂，花岗岩沥青混合料的抗车辙性能并没有提高；改性沥青的使用对高温性能的改善起到了较为显著的效果，且岩沥青改性沥青优于SBS改性沥青。

图3 双层沥青混合料复合试件60 ℃车辙

图4 9 000次轮载时不同方案车辙深度

通过加速加载高温轮辙试验可以看出，方案4和方案3车辙深度随着轮载次数的变化分为初期压密、蠕变稳定发展和失稳破坏3个阶段。由于混合料试件碾压不密实存在一定的空隙，在初期压密阶段受高温和重轮载的耦合作用，车辙快速增大，但车辙增长的蠕变速率逐渐减小；而后进入蠕变稳定发展阶段，该阶段沥青混合料已有较大的密实度，抗车辙能力得到了较大的提高，车辙蠕变速率较小且基本恒定，车辙深度随轮载次数呈线性缓慢增长；到了失稳破坏阶段，车辙蠕变速率迅速增大，沥青混合料发生大面积的剪切流动变形。方案2采用采用0.3%硅烷偶联剂作为抗剥落剂，其车辙蠕变速率最大，车辙深度最深；方案1采用消石灰粉，高温抗车辙性能表现一般。

图5为方案1(石灰粉)复合试件车辙断面随轮载次数的变化曲线，图6为方案5(偶岩复合改性措施)车辙断面随轮载次数的变化曲线，可以看出方案1在高温轮辙作用下由初期压密直接进入后期失稳破坏，车辙的发展基本呈线性增长。方案5明显地看出中期蠕变稳定阶段车辙发展较为缓慢，表现出优异的高温抗车辙能力，既展现了岩沥青软化点高、与花岗岩集料的浸润性等优点，又发挥了硅烷偶联剂与花岗岩等酸性集料粘接界面强力较高的化学键，大大改善了其粘接强度和高温性能。

图5 方案1车辙断面随轮载作用次数的变化曲线

图6 方案5车辙断面随轮载作用次数的变化曲线

3 高温-水耦合作用下复合试件水温稳定性

为了进一步评价高温多雨环境条件下花岗岩沥青混合料抗水损、抗车辙性能，开展了基于1/3比例尺气囊式加速加载试验的高温水浴轮辙试验。试验仍采用1/3比例尺气囊式加速加载试验系统，向试槽中加入50 ℃的循环水，将厚度为80 mm的双层花岗岩沥青混合料复合车辙试件放入试槽中，使液面略高于试件顶部，保温5 h后进行水浴轮辙加速加载试验。当车辙深度大于20 mm或者加载次数超过72 000时终止试验，每隔0.45万次量测双层沥青混合料复合车辙试件的最大车辙深度，同时在最大车辙深度断面横向每隔20 mm测量一次车辙深度，每个断面测量5个测点，得到车辙断面形态[11]。图7为5种抗剥落措施车辙深度随轮载作用次数的变化。

图7 车辙深度随轮载次数的变化

从图7可以看出，在50 ℃水浴环境中，轮载为50 kN(轴载为200 kN)条件下，方案5(偶岩复合改性花岗岩沥青混合料)车辙深度和蠕变速率最小，剥落拐点约为40 500次重轮载作用(相当于291.6万次标准轴载作用)，远高于方案2(硅烷偶联剂)的13 500次轮载作用(相当于97.2万次标准轴载作用)，以及方案3(SBS改性沥青)的27 000次轮载作用(相当于194.4万次标准轴载作用)。剥落拐点与沥青混合料抗剥落能力正相关，其数值越高混合料抗剥落能力越强，数值越低抗剥落能力越差，比较5种抗剥落方案，岩偶复合改性沥青拌制的花岗岩沥青混合料抗水剥落性能和高温抗车辙性能最优，其次为方案4、方案3，方案1和方案2抗高温和水损能力最弱。

由图7还可以看出，在重轮载的反复作用和50 ℃水浴的综合影响下，各抗剥落措施双层沥青混合料试件大体上都经历了初期压密、中期蠕变稳定和后期失稳破坏3个阶段[9，12-14]，但方案4、方案3和方案1中期蠕变稳定阶段很不明显，只经过很少的轮载作用次数(约30～50万次标准轴载作用)即进入了失稳破坏阶段，而添加偶岩复合改性沥青的方案5，表现出了较为明显的3阶段发展过程和良好的水温稳定性，这是因为硅烷偶联剂是具有硅烷氧基和有机官能基的有机硅单体，硅烷氧基对花岗岩中的无机物具有反应性，而有机官能团对沥青中的有机物具有反应性和相互包容性，青川岩沥青氮含量高，与沥青及硅烷偶联剂的相容性好，增强了与集料的黏附性及抗剥离性，所以在硅烷偶联剂处于沥青与花岗岩界面相交处时能与岩改沥青中的有机物和花岗岩的无机材料发生反应，形成沥青有机基体-硅烷偶联剂-花岗岩无机基体的结合层，改善了分子间作用力，增强了极性键，并产生化学交联、聚合生成大分子网状结构，增强了偶岩复合改性沥青与花岗岩集料的粘结力、相容性和附着力。

偶岩复合改性沥青花岗岩混合料经过初期压密阶段后，进入蠕变稳定发展阶段(图7中4 500～40 500次)。该阶段沥青混合料车辙深度与轮载作用次数表现为线性变化或指数关系变化，通过对该阶段试件车辙深度与荷载作用次数回归分析，得出中期蠕变阶段偶岩复合改性沥青混合料车辙深度与轮载作用次数的关系模型，如式1所示。

Rd=0.000 2N+1.733 3,(R2=0.97)

(1)

式中:Rd为车辙深度，mm；N为轮载作用次数(50 kN轮载，50 ℃水浴，碾压速度10 km/h)，次。

为了进一步分析5种方案的双层沥青混合料复合试件车辙断面随轮载作用次数的变化形态，在加速加载试验过程中，每隔4 500次轮载作用，量测最大车辙深度位置5个测点的断面车辙深度，结果见图8～图12。

由图8～图12可以看出，不同抗剥落措施的车辙断面形态存在着较大差异，而且车辙深度也存在着明显差别。对比方案2(硅烷偶联剂)、方案4(岩沥青)和方案5(偶岩复合改性沥青)，方案2的蠕变速率最快，经历了初期压密阶段后经过约4 500次轮载作用(约32万次标准轴载作用)即进入后期加速破坏阶段。方案4岩沥青属于石油基固体材料，具有与沥青相近的化学结构，与沥青的相容性好，与基质沥青极易相容共存。制作岩沥青改性沥青后，形成岩沥青与基质沥青的紧密分子，这种分子既有岩沥青的硬度和耐磨性，同时也保留了沥青的韧性，提高了沥青混合料的抗剥落性能。方案5试件的车辙深度随轮载作用次数增长最为缓慢，蠕变速率较小，表现出优异的高温稳定性和水稳定性，与硅烷偶联剂等单一有机胺类抗剥离剂相比，岩沥青的加入，显著增强了分子间力和化学交联作用，使得它与矿物石料表面的吸附力增强、润湿性改善，即使在高温和水的耦合作用下花岗岩沥青混合料依然表现出优异的性能。

图8 方案1不同碾压次数车辙断面

图9 方案2不同碾压次数车辙断面

图10 方案3不同碾压次数车辙断面

图11 方案4不同碾压次数车辙断面

图12 方案5不同碾压次数车辙断面

4 结语

针对花岗岩沥青混合料水—温稳定性差等技术难题，基于1/3比例尺气囊式加速加载系统，模拟实体工程沥青面层混合料受力状态，对轮碾成型的双层复合车辙试件，进行高温-重载-水损害耦合作用下的加速加载试验，评价了消石灰粉、硅烷偶联剂、SBS改性沥青、青川岩沥青、青川岩沥青与硅烷偶联剂的复合改性沥青5种抗剥落措施对花岗岩沥青混合料高温性能和水稳定性的改善效果，结论如下：

a.1/3比例尺路面加速加载试验系统能够模拟不同受力状态和环境条件，快速精确地评价花岗岩沥青混合料或沥青结构层的高温性能和水稳定性。

b.偶岩复合改性沥青花岗岩混合料的蠕变速率和车辙深度发展缓慢，具有优良的高温稳定性和抗水损性能。

c.通过对中期稳定蠕变阶段试件车辙深度与荷载作用次数的回归分析，建立了偶岩复合改性沥青花岗岩混合料车辙深度与轮载作用次数的线性关系模型，为高温性能预估提供了参考。

本文通过1/3比例尺气囊式加速加载水浴轮辙试验，对5种改善花岗岩沥青混合料水稳定性的抗剥落措施进行了性能评价，着重研究了AC-16+AC-10双层花岗岩沥青混合料复合试件的高温性能及高温和水耦合作用下的水温稳定性，但未开展不同抗剥落措施与花岗岩集料的界面微观表征、不同抗剥落措施制作的沥青胶浆或沥青胶砂的流变性能研究，因此，在今后进行花岗岩沥青混合料抗水损坏性能及高温稳定性等性能评价时，补充完善沥青胶浆与花岗岩的粘附性、沥青胶浆的高温性能和抗疲劳性能等评价，形成成套的评价花岗岩等酸性集料沥青混合料抗水损、抗高温车辙性能的试验体系。