抗滑表层沥青混合料GAC-13组成及性能分析

岳爱军， 覃金寿， 栾利强， 刘 浪

(桂林理工大学土木与建筑工程学院， 桂林 541004)

车辙是广西地区沥青路面早期破坏的主要病害形式，坑槽等水损害现象次之，除此以外，广西高速公路沥青路面面临的一大难题就是抗滑性能衰减较快。而沥青混合料是由矿料、沥青及空气三相组成的，其中细集料组成和用量的确定是整个沥青混合料设计中重要环节之一[1-2]。为了提高沥青混合料的性能，细集料的组成设计成为其中一个重要的研究方向。徐慧宁等[3]运用秩和检验分析表明导致沥青混合料空隙率变化最显著是细集料级配。与此同时，Cai等[4]指出，沥青混合料的稳定性与细集料级配连续性呈正相关。王大庆[5]通过单轴压缩试验和图像处理技术指出，细集料的形状特性和棱角性对力学性能有显著影响。谢百慧[6]通过对比分析3种不同细集料的沥青混合料抗剪性能，发现机制砂因级配合理、棱角性好等优势，可以显著提高沥青混合料性能。Yao等[7]研究发现1.18、0.6、0.3 mm筛孔上的集料对混合料结构稳定性贡献大于50%。程永春等[8]运用灰色关联分析得到常温抗拉、抗压和低温开裂性能与0.15～0.3 mm和1.18～2.36 mm两档集料含量相关程度较高，0.6～1.18 mm和2.36～4.75 mm这两档集料含量对常温抗蠕变变形能力影响较大。Wang等[9]通过标准贯入试验来评价4.75 mm和2.36 mm的筛孔通过率大小对骨架结构的影响，发现沥青混合料骨架强度随2.36 mm筛孔通过率增加而降低，与4.75 mm筛孔通过率相关性不大。Garcia-Gil等[10]认为沥青混合料细集料含量与沥青混合料的开裂性能有显著相关性。姑丽比娅[11]研究表明，细集料含量增加会使得混合料动稳定度急剧下降。熊依筱[12]研究显示，通过适当减少细集料含量，降低4.75 mm筛孔通过率，既获得了骨架密实结构的沥青混合料，同时也能提高混合料表面抗滑能力。

从上述研究成果可以看出，这些主要集中研究细集料级配、棱角性、关键筛孔以及颗粒含量等指标对沥青混合料性能影响，关于细集料的规格及材质对沥青混合料性能影响方面研究较少，而且细集料的不同指标对沥青混合料性能影响的侧重方向有所差异。而抗滑表层沥青混合料各项性能往往是相互矛盾或制约，如高温稳定性和低温抗裂性的矛盾，抗滑为主的沥青路面与水稳定性的矛盾。为了探讨沥青混合料细集料组成设计具有更好的适应性，有必要综合分析不同规格及材质的细集料对沥青混合料性能影响。

2019年，广西钟山至昭平高速公路抗滑表面层沥青路面第一次成功采用了精品机制砂做细集料，考虑到广西高温时间长，雨水相对来得快，去得快的特点，为此，以抗滑表层沥青混合料GAC-13为研究对象，粗集料选用同一碎石加工场生产辉绿岩碎石，变化细集料的类型：辉绿岩石屑、白色石灰岩普通机制砂、黑色石灰岩精品机制砂，制备出3种不同的沥青混合料，旨在分析细集料的规格及材质对抗滑表层GAC-13的组成设计、路用性能和力学性能的影响。研究结论可为广西高速公路抗滑表层GAC-13的选材提供参考依据。

1 原材料

1.1 沥青

考虑到改性沥青可能掩盖细集料材质、规格对GAC-13性能的影响，采用70#A级道路石油沥青，测试结果如表1所示。

表1 70#A级道路石油沥青基本技术指标测试结果

1.2 矿料

粗集料为广西大化岩滩石场1#辉绿岩碎石(10～15 mm)、2#辉绿岩碎石(5～10 mm)，细集料有上林洋度石场3#白色石灰岩普通机制砂(0～3 mm)，大化岩滩石场4#辉绿岩石屑(0～3 mm)及广西新柳南高速公路7标南方路机V7制砂机生产的5#黑色石灰岩精品机制砂(0～3 mm)，填料采用6#白色石灰岩矿粉。矿料主要技术指标测试结果如表2所示，集料筛分结果如表3所示。

表2 矿料主要技术指标测试结果

从表3可以看出，3#白色石灰岩普通机制砂与4#辉绿岩石屑各筛孔质量百分率相差不大，2.36 mm筛孔的筛余量约为20%，0.15 mm筛孔通过率约为18.5%，5#黑色石灰岩精品机制砂0.15～2.36 mm 颗粒相对含量较多，级配均匀，0.075 mm筛孔通过率不超过10%。

表3 集料筛分结果

2 抗滑表层GAC-13的配合比设计

结合广西高速公路沥青路面建设与运营经验，抗滑表层GAC-13的矿料组成如表4所示，其中，GAC-13(25)的矿料组成设计为，1#辉绿岩碎石∶2#辉绿岩碎石∶3#白色石灰岩普通机制砂∶6#矿粉=38∶34∶25∶3；GAC-13(30)的矿料组成设计为，1#辉绿岩碎石∶2#辉绿岩碎石∶4#辉绿岩石屑∶6#矿粉=33∶34∶30∶3；GAC-13(23)的矿料组成设计为，1#辉绿岩碎石∶2#辉绿岩碎石∶5#黑色石灰岩精品机制砂∶6#矿粉=39∶35∶23∶3。

参考文献[13]，当AC类沥青混合料空隙率为4%～4.5%，性能达到最优。本文设计的目标空隙率为4.2%，GAC-13(25)、GAC-13(30)和GAC-13(23)的最佳油石比分别为4.6%、4.9%和4.8%。在最佳油石比下，GAC-13的马歇尔试验结果如表5所示。

从表5可知，最佳油石比下GAC-13(25)、GAC-13(30)和GAC-13(23)的体积指标、稳定度和流值均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的技术要求。结合表4可知，相同规格辉绿岩粗集料，级配接近的白色石灰岩普通机制砂与辉绿岩石屑相比，GAC-13中辉绿岩石屑用量相对要多，这主要是由于辉绿岩石屑中含有SiO2，相对难以压实，沥青混合料达到相同的密实度需要较多辉绿岩细集料填充；GAC-13中黑色石灰岩精品机制砂用量较白色石灰岩普通机制砂少，黑色石灰岩精品机制砂GAC-13的0.6 mm筛孔通过率就可达13.1%，这与精品机制砂中0.15～2.36 mm 颗粒含量较多，特别是0.6、1.18 mm筛孔的颗粒含量相对较多相关。

表4 GAC-13的矿料组成设计结果

表5 GAC-13的马歇尔试验结果

3 抗滑表层GAC-13的路用性能检验

3.1 GAC-13的高温稳定性检验

评价沥青混合料高温稳定性常采用车辙试验。试验在60 ℃，轮压为0.7 MPa条件下开展抗滑表层GAC-13的车辙试验，其测试结果如表6所示。

从表6可以看出，随着细集料掺量的减少，GAC-13的动稳定度呈增大趋势，与GAC-13(30)相比，GAC-13(25)、GAC-13(23)的动稳定度分别提高13.3%、17.6%，表明使用机制砂作为沥青混合料细集料，由于其用量相对较少，粗骨料相应增加，增强了碎石颗粒间骨架嵌挤能力，提高沥青混合料高温稳定性。

表6 GAC-13的车辙试验结果

3.2 GAC-13的水稳定性检验

水损害是抗滑表层沥青路面主要病害之一。评价沥青混合料水稳定性一般采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，浸水马歇尔试验将标准马歇尔试件在60 ℃下进行测试，冻融劈裂试验采用双面击实次数为50次马歇尔试件，在25 ℃下进行测试，GAC-13的试验结果如表7所示。

从表7可以看出，GAC-13的浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融劈裂试验抗拉强度比均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)技术要求，但GAC-13(30)的水稳定性能明显低于GAC-13(25)、GAC-13(23)的水稳定性能，GAC-13(23)的残留稳定度最高，GAC-13(25)次之；GAC-13(23)和GAC-13(30)的冻融劈裂抗拉强度比相较于GAC-13(25)分别降低了5.2%和17.6%。GAC-13的残留稳定度与抗拉强度比变化规律不同，这主要是因为浸水马歇尔试验与实际路面水损害有差异，冻融劈裂试验采用加速冰冻和高温溶解，在水力耦合作用下能快速模拟水侵蚀的损伤状况。与GAC-13(25)相比，GAC-13(23)和GAC-13(30)的抗拉强度比降低的主要原因是石灰岩机制砂属于碱性材料，辉绿岩石屑偏中性材料，碱性的石灰岩机制砂细集料与沥青形成沥青胶(砂)浆的黏附性相对更大，具有更好的抗水损害性能；白色石灰岩普通机制砂相对黑色石灰岩精品机制砂的碳酸钙含量更高，白色石灰岩机制砂GAC-13的抗水损害能力更强。

表7 GAC-13的水稳定性试验结果

3.3 抗滑表层GAC-13的抗滑性能检验

采用渗水试验、表面构造深度试验和表面摩擦系数试验评价GAC-13的抗滑性能。按轮辗法成型试件，使用渗水仪、手工铺砂和摆式仪在试件表面进行相应测试，其试验结果如表8所示。

从表8可以看出，在最佳油石比和空隙率为4.2%下，所设计GAC-13的白色石灰岩普通机制砂细集料用量为25%、辉绿岩石屑细集料用量为30%、黑色石灰岩精品机制砂细集料用量为23%，GAC-13的渗水系数均为0，GAC-13(23)的构造深度和摆值相对GAC-13(25)分别提高了6.5%、7.2%，相对GAC-13(30)分别提高了32%、25%，这主要原因是在保证密实的情况下，GAC-13(23)中4.75 mm通过率仅为32.5%，粗集料用量相对GAC-13(25)、GAC-13(30)多，可形成更大的构造深度，增大了抗滑表层沥青路面的摩擦系数。

表8 GAC-13的抗滑性能测试结果

4 抗滑表层GAC-13的力学性能测试

传统的强度理论[14-15]认为沥青混合料强度主要由矿料骨架强度和沥青的胶结强度构成，分别表现为颗粒材料的内摩擦角φ和沥青混合料的黏聚力c，可用库伦内摩擦理论来表征。其计算方法为

(1)

(2)

式中：σ1为无侧限抗压强度；σ2为抗拉强度。

为了表征沥青混合料力学性能，采用单轴压缩试验和劈裂试验分别测试无侧限抗压强度和抗拉强度，如图1所示。为了使测试抗压强度和抗拉强度在同一条件下进行，并且克服静压成型的单轴压缩试件可操作性差特点，本文中均采用标准马歇尔试件，试验温度T分别为15、20、25、30、40、50 ℃，GAC-13的试验结果如图2所示。表9给出了GAC-13黏结力和内摩擦角随温度变化关系的拟合结果。从表9可以看出，GAC-13的黏结力c与温度呈c=AeBT指数形式(A、B为系数)，内摩擦角与温度呈φ=NTM幂函数形式(N、M为系数)，且拟合相关系数都大于0.95，说明黏结力、内摩擦角随温度变化具有很强相关性。

图1 单轴压缩及劈裂试验

表9 GAC-13黏结力和内摩擦角随温度变化关系

图2 GAC-13的单轴压缩及劈裂试验结果

从图2和表9可以看出，不同细集料的GAC-13的抗拉强度和黏结力c大小不同，但抗拉强度和黏结力c变化规律相同，即随温度升高呈指数形式降低；GAC-13(30)的黏结力高于GAC-13(25)、GAC-13(23)，这与GAC-13(30)中细集料相对较多，形成 “结构沥青”越多，相应的黏结力就越好。

从图2可以看出，抗压强度也随温度增加逐渐降低，GAC-13(30)的抗压强度最大，GAC-13(23)次之，GAC-13(25)最小，且在20～30 ℃时，GAC-13(25)、GAC-13(23)的抗压强度下降趋势更明显，这可能与辉绿岩石屑抵抗压碎能力比石灰岩机制砂强相关，而GAC-13(23)的抗压强度比GAC-13(25)大的原因，这可能与GAC-13(23)中辉绿岩碎石用量多相关。

从图2还可以看出，GAC-13的内摩擦角随温度升高而变大，与黏结力呈反比关系，超过45 ℃以后，基本不变或略有减小趋势，相对于GAC-13(25)、GAC-13(30)，GAC-13(23)的内摩擦角最大，表明辉绿岩碎石用量最多的黑色石灰岩精品机制砂沥青混合料具有较好的高温稳定性，与表6得到的结论一致。

5 结论

(1)抗滑表层GAC-13的细集料选用精品机制砂具有更好的适宜性。抗滑表层黑色石灰岩精品机制砂沥青混合料GAC-13的9.5、4.75、2.36、0.6、0.075 mm通过率宜分别为67.3%、32.5%、24.0%、13.1%、5.2%。

(2)细集料材质对沥青混合料水稳定性影响较大，抗滑表层GAC-13的细集料不宜采用辉绿岩石屑。