细集料特性对GAC-16沥青混合料技术性能的影响

杨 军，唐胜刚，许新权,2

(1. 东南大学 交通学院，江苏 南京 211189； 2. 广东华路交通科技有限公司 道路研究所，广东 广州 510420)

0 引 言

GAC(GAI asphalt concrete)混合料作为一种粗级配的沥青混合料，不同于常见的SMA、AC、OGFC等混合料。SMA混合料高、低温性能均比较好，但沥青用量较大；普通细级配AC混合料性能衰减较快，易出现抗滑不足、车辙等病害；OGFC混合料多用于抗滑表层，虽具有不错的抗滑性能，但耐久性较差[1]。GAC是一种处于SMA和AC之间的混合料，它接近于骨架密实结构，各项路用性能指标也较好。目前该混合料多用于广东地区的沥青路面表层中，其级配范围规定也仅存于地方标准，并未体现于国家规范中。

学界一直认为细集料对混合料的性能有较大的影响，尤其是细集料棱角性对混合料抗车辙性能的影响[2-4]。许多学者针对细集料对混合料性能影响方面展开了研究，并取得了相应成果。WU Shaopeng等[5]以加工的石灰岩砂做细集料对沥青混合料的性能影响进行了研究，结果表明：加工后的石灰岩砂能提高混合料的动稳定度(DS)和高温稳定性，可降低沥青用量，且加工后的石灰岩砂质量要比天然砂更易保证，有利于施工质量的提高；CAO Weidong等[6]通过对玄武岩和石灰岩集料混合料的性能对比发现：玄武岩集料混合料有较好的抗车辙性能，但低温抗裂性和水稳定性相对较差；SHANG Fei等[7]分析了4种不同细集料对混合料性能的影响，结果表明：细集料性能与混合料性能之间具有较好相关性，不同类型细集料对混合料的各项性能有着不同影响；E.JOHNSON等[8]对Superpave混合料中细集料棱角性指标的合理性进行了研究，结果表明：混合料抗车辙性能和动态模量与混合料的FAA(fine aggregate angularity)值密切相关，FAA指标是合理的，且目前FAA的测试方法也可满足需求；ZHU Zhongrong等[9]分析了细集料尺寸和含量对沥青玛蹄脂混合料的影响，选用8种不同细集料类型和含量的沥青玛蹄脂混合料，在不同加载条件下进行单轴压缩和静态蠕变试验，结果表明：细集料体积分数对抗压强度有较大影响，64%为最佳体积分数，且体积分数对蠕变影响也十分显著。还有学者采用分形理论分析了细集料对GAC-20混合料高、低温及路用性能的影响，并建立了相关指标与混合料性能之间的预测模型[10-12]。其它一些类型的材料也可被用作细集料。例如，M.NAZARY等[13]对建筑废料(陶瓷、大理石、红砖)作为细集料在沥青混合料中的应用性展开了研究，结果表明：大理石混合料的性能优于其它混合料，在25%时拥有最佳性能，陶瓷沥青胶浆的高、低温性能优于其它类型沥青胶浆；SUN Yihan等[14]分析了以再生水泥混凝土骨料作为细集料对花岗岩沥青混合料性能的影响，结果表明：以再生水泥混凝土骨料作为细集料可提高混合料的高温性能，且水稳定性也满足要求，但抗疲劳性能有所降低，仍优于传统的石灰岩细集料。

学者们虽然一致认为细集料特性会对混合料路用性能有影响，但对其路用性能的贡献和测量方法仍存在争议[15-17]。许多指标已被用于分析细集料的特征参数，但如何根据这些指标区分集料及各指标与混合料性能之间的相关性还尚未明确。目前的研究多是针对普通AC和SMA混合料，很少分析细集料特性对GAC混合料性能的影响[18-19]。考虑现有研究的不足，笔者依托实际工程，全面分析了细集料特性对GAC混合料路用性能的影响。

1 原材料

两种细集料分别为广东连平石灰岩机制砂和广东连平辉绿岩机制砂，GAC-16沥青混合料所用粗集料为广东连平辉绿岩，填料采用某石灰岩磨细制备的矿粉，沥青结合料采用壳牌PG76-22 SBS改性沥青。各原材料均满足实际使用要求，粗、细集料技术指标试验结果如表1、表2。

表1 粗集料技术指标试验结果Table 1 Test results of coarse aggregate technical indicators

表2 细集料技术指标试验结果Table 2 Test results of fine aggregate technical indicators

2 GAC-16配合比设计

为分析细集料特性对混合料性能的影响，笔者利用1种粗集料和2种细集料设计了3种GAC-16沥青混合料，方案如表3。

这3种方案采用马歇尔法进行设计，细集料级配如表4，混合料合成级配曲线如图1，混合料相关力学指标如表5。

表4 细集料级配组成Table 4 Gradation composition of fine aggregates

表5 GAC-16沥青混合料体积和力学指标Table 5 GAC-16 asphalt mixture volume and mechanical index

图1 GAC-16沥青混合料合成级配曲线Fig. 1 GAC-16 asphalt mixture synthesis gradation curve

3 技术性能评价

3.1 细集料特性

3.1.1 扫描电镜试验

扫描电镜(SEM)作为一种用以揭示物质微观结构的工具，现已得到广泛应用。它能很好揭示物质表面微观构造，为分析物质某些性质提供依据，直观且具有较强说服力。因此，笔者采用SEM对两种细集料表面微观构造进行分析，研究其表面纹理构造对细集料特性影响。扫描结果如图2。

图2 细集料电镜扫描结果Fig. 2 SEM results of fine aggregates

从图2可看出：辉绿岩有着比石灰岩更为粗糙的表面构造，表面纹理更为复杂。这表明在相同的条件下，辉绿岩可依靠自身表面构造特性吸附更多的沥青，提升其与沥青的黏附性。

3.1.2 吸柱试验

表面能理论可解释集料与沥青黏附性的关系，已被广泛应用。为了研究两种细集料表面能大小，更好地分析两种细集料的吸附特性，笔者采用吸柱法对两种细集料表面能进行评价。在常温(20 ℃)下，煤油对集料的润湿作用可定性模拟集料与沥青在高温条件(如拌合温度)下的黏附作用[20]，故采用煤油对两种集料的表面能进行评价。具体步骤如下：将两根内径7 mm，外径10 mm的开孔细玻璃管作毛细管，用医用脱脂棉堵住底部开口，用天平称量3 g两种细集料，分别装于玻璃管中；在玻璃管侧面轻轻敲击20次，以达到相同的密实度；之后将玻璃管置于煤油之上，底部脱脂棉浸入煤油中；待煤油上升到细集料处开始计时，分别记录10、30、60、90、120、150、180、210、240 s时的上升高度。试验结果如图3。

图3 吸柱高度随时间的变化规律Fig. 3 Variation law of suction column height changing with time

由图3可看出：相比于石灰岩，煤油在辉绿岩细集料中的上升速度更快，到达稳定高度所需时间更短，且所能达到的稳定高度也较高。这表明辉绿岩拥有比石灰岩更大的表面自由能，在相同条件下，辉绿岩能更好的吸附沥青，与沥青黏附性更好。

3.1.3 水煮试验

鉴于浸水车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验用于检验细集料黏附性较为困难，也无法说明问题；而溶剂洗脱法相对比较复杂，操作难度较大；故笔者用改进后的传统水煮法对细集料与沥青的黏附性进行评价[21-22]。

水煮试验具体步骤为：将两种细集料(1.18～2.36 mm)进行清洗，清除表面灰尘后烘干、晾凉备用；各自称取100 g放入盘中，置于120 ℃烘箱内1.5 h；将细网筛置于天平上，分别量取30 g细集料，取下网筛轻轻筛动，并清除天平表面灰尘，接着称量，分量不足30 g则补足分量，如此反复几次，直至筛动前后称量质量无变化；将网筛浸入加热的沥青中，待沥青完全浸润集料开始计时，浸润10 min，确保集料充分吸附沥青后取出；浸润沥青后的集料放置于160 ℃的烘箱中加热6 h，使沥青自由流淌，直至无沥青向下躺滴为止；将两种细集料取出，进行称重并采用三氯乙烯回收细网筛上的集料，对细网筛上残余的集料进行称重，得到实际吸附沥青的细集料的量并据此计算出单位质量细集料的沥青吸附率；分别称取20 g吸附沥青的细集料在水中煮沸10 min，试验中油膜由水面捞出，之后取出细集料，放入烘箱中烘干，称重，损失质量与原本质量(20 g)的比值即为沥青剥落率。水煮试验结果如表6。

表6 水煮试验结果Table 6 Boiling test results

从表6可看出：辉绿岩细集料沥青吸附率要大于石灰岩，考虑是由于辉绿岩有着比石灰岩更大的表面自由能和表面粗糙度，从而可更好地吸附沥青，这与前述试验结论一致；水煮试验结果则相反，辉绿岩集料水煮后的沥青剥落率大于石灰岩，与以往两种岩石粗集料水煮试验评价结果一致。这是由于辉绿岩虽可依靠自身较大的表面自由能和粗糙度更好的吸附沥青，但其碱性低，与沥青中酸性成分的中和反应较差，因此在有水环境下，黏附沥青更易被水分子取代，有更高的剥落率[23]。

3.2 高温抗车辙性能

根据文献[24]要求，笔者采用室内车辙试验对设计的3种GAC-16沥青混合料进行高温抗车辙性能评价，试验在60、70 ℃条件下进行，如表7。

表7 GAC-16沥青混合料车辙试验结果Table 7 Rutting test results of GAC-16 asphalt mixture

从表7可看出：两种温度条件下的动稳定度，2#均优于1#、 3#，这3者之间的关系为2#>3#>1#。这表明采用辉绿岩细集料制备的GAC-16混合料的高温抗车辙性能要优于石灰岩细集料制备的混合料。依据表面能理论，沥青与集料之间的黏结过程实际是沥青对矿料的浸润过程，在浸润过程中，沥青与集料表面会产生能量交换，系统表面能降低，这种交换作用就是材料间黏附性来源[25-26]。根据细集料特性试验结果，辉绿岩拥有比石灰岩更大的表面自由能和表面粗糙度，因此可更好地吸附沥青；其次高温下更多沥青从高弹态向黏流态转变，结构沥青层减薄，沥青与集料之间的黏结作用大幅降低，此时集料强度对高温抗车辙性能影响更大；辉绿岩有着比石灰岩更高的密度和强度，因此制备的混合料高温抗车辙性能更好[26]。3#的各项性能均优于1#，这是因为其较粗的级配能更好的形成部分骨架结构，使得抗车辙性能更优。

由表7还可看出： 2#具有比1#、3#更高的动稳定度(DS)衰减率。这表明采用辉绿岩制备的GAC-16混合料在高温条件下对温度变化更为敏感。考虑水煮试验中本身也存在着温度对细集料与沥青黏附性影响，因此综合水煮试验与高温车辙试验结果，初步认为辉绿岩细集料与沥青的黏附性受温度变化影响较大，从而导致其制备的混合料在高温条件下对温度变化更为敏感。

3.3 低温抗裂性能

笔者采用-10 ℃条件下弯曲小梁试验评价GAC-16沥青混合料低温抗裂性能。成型的标准尺寸小梁试件通过万能试验机进行跨中单点加载，加载速率50 mm/min，试验结果如表8。

表8 GAC-16沥青混合料低温小梁弯曲试验结果Table 8 GAC-16 asphalt mixture trabecular bending test results atlow temperature

由表8可知：2#有着比1#、3#更高的抗弯拉强度和抗弯模量，但相应的极限弯拉应变也更小，抗弯拉强度和抗弯模量为2#>3#>1#，极限拉应变则为1#>3#>2#。这表明：采用辉绿岩细集料制备的GAC-16混合料相比与石灰岩拥有更低的低温抗裂性能。沥青混合料在低温下的抗裂性能取决于集料-沥青的黏附性及沥青自身特性。而细集料特性研究表明：辉绿岩与石灰岩相比，具有更大的表面自由能和粗糙度，能更好的黏附沥青。所以在相同的应变条件下，沥青结合料中产生的弯曲拉应力更大，因此更易被拉裂，低温抗裂性能更差。1#中混合料的低温抗裂性优于3#，这是因为3#中粗集料含量较多，集料之间嵌挤力及粗集料与沥青之间的黏附力较高所导致，从而使得3#的低温抗裂性较差。

3.4 水稳定性能

水对沥青混合料的影响可分为两方面。① 在浸水后的沥青混合料中，沥青由高弹态变为玻璃态时，温度会降低，即沥青更易变脆，在荷载作用下沥青与集料间的黏结界面更易开裂造成损坏[26-27]；② 水分进入到沥青混合料空隙中，会在车辆荷载作用下形成动水压力，动水压力在反复的车辆荷载作用下不断产生和消散，从而引起混合料破坏[28]。

常用的评价沥青混合料水稳定性方法是浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，但这两种方法均存在一定缺陷，对水稳定性的检验更偏向于混合料自身在浸水条件的性能变化，不能很好地反映车辆在行驶过程中动水压力对混合料的破坏作用[29]。浸水飞散试验通过浸水模拟沥青老化，以反复机械冲击磕碰打磨考察沥青混合料的矿料嵌挤能力、沥青老化后的黏结能力、抗剥离能力，用于检验沥青用量或黏结能力不足造成路面集料脱落和散失的程度，能最大程度的模拟沥青混合料水损害过程，与实际路用条件下沥青混合料的水损害过程有更好的相关性。

考虑到目前工程实际中多是以浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验混合料的水稳定性，笔者同时采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水飞散试验来综合评价GAC-16沥青混合料水稳定性能，试验结果如表9。

表9 GAC-16沥青混合料水稳定性能试验结果Table 9 GAC-16 asphalt mixture water stability performancetest results

由表9可知：3种GAC-16沥青混合料在的不同评价方法下，表现出抗水损害能力具有一定差异。在浸水马歇尔试验下，采用石灰岩细集料的1#、3#水稳定性较好；采用冻融劈裂试验时，采用辉绿岩细集料的2#表现最优。浸水飞散损失试验结果显示：浸水飞散损失为3#最大。考虑到试验方法和试验误差等因素，总体上认为3种GAC-16沥青混合料的水稳定性能相当；结合水煮试验结果进行分析，认为混合料水稳定性基本不受细集料影响。

3.5 疲劳性能

笔者采用四点弯曲疲劳试验对3种GAC-16沥青混合料进行疲劳性能评价。试验采用控制应变模式(500 με)，通过UTM-130试验机进行弯曲疲劳加载，试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，当所测试件模量下降至初始劲度模量的50%时结束加载。试验结果如图4。

图4 GAC-16沥青混合料疲劳寿命对比Fig. 4 Comparison of fatigue life of GAC-16 asphalt mixture

由图4可知：采用辉绿岩细集料的2#的沥青混合料疲劳寿命要低于1#、3#；从疲劳破坏试件来看，2#的沥青混合料试件表面密实程度较差。根据细集料特性试验结果，辉绿岩细集料表面自由能较大，能更好的黏结沥青，并且自身拥有较高的表面粗糙度和更大的强度，从而使得在相同的压实功下，沥青混合料不易压实，会导致辉绿岩细集料制备的沥青混合料疲劳寿命较低[25]。对比表4中最佳油石比下的3种GAC-16沥青混合料的马歇尔试验结果，初步认为混合料疲劳寿命指标随着空隙率增大而降低，但鉴于本次试验数据有限，细集料特性对混合料疲劳性能的影响仍待进一步分析。

3.6 动态特性

3.6.1 动态模量试验

根据文献[30]规定，将沥青混合料动态模量作为沥青路面结构分析与设计的重要参数。为获取准确的计算参数以便更好地指导沥青路面设计，笔者对采用不同细集料方案成型的GAC-16沥青混合料进行了动态模量试验研究。

沥青混合料作为黏弹性材料，其动态模量受到温度和加载频率影响。为研究加载频率对不同细集料制备的GAC-16沥青混合料动态模量的影响程度及规律，选用0.1、0.5、1、5、10、25Hz这6种加载频率分别对3种GAC-16沥青混合料进行动态模量试验。试验温度为20 ℃，采用动态伺服液压试验系统(UTM)，以控制应变方式(85～115 με)对标准试件进行正弦波加载，如图5。

图5 不同加载频率下GAC-16动态模量变化规律(20 ℃)Fig. 5 Variation law of dynamic modulus of GAC-16 under differentloading frequencies

由图5可知：3种不同的GAC-16沥青混合料动态模量随加载频率的升高而增大，当加载频率从1 Hz提升到5 Hz时，3种GAC-16沥青混合料动态模量增长幅度最大。不同的加载频率，1#制备的GAC-16沥青混合料动态模量始终最大，2#次之，3#最小。这在一定程度表明，GAC-16沥青混合料动态模量与混合料级配、细集料类型等有关，但受限于试验数量和水平，细集料特性对动态模量的具体影响规律暂不明确。

3.6.2 动态模量主曲线分析

沥青混合料作为典型的黏弹性材料，受温度和荷载作用时间影响显著。建立沥青混合料的动态模量主曲线，可以在进行有限试验基础上预测材料在更宽温度和时间范围内的力学性质。为了更好的分析细集料对沥青混合料动态特性的影响，笔者根据动态模量试验结果拟合了3种混合料的动态模量。

根据时间-温度等效原理，在不同温度、不同频率下实测的沥青混合料动态模量通过非线性最小二乘法拟合形成西格摩德(Sigmoidal)函数建立沥青混合料动态模量主曲线，如式(1)。

(1)

式中：E*为动态模量，MPa；fr为加载频率，Hz；α、β、γ、δ分别为回归系数。

不同温度条件下沥青混合料的动态模量，可通过时间-温度转化因子α(T)所得。α(T)代表了不同温度下动态模量主曲线移到参考温度下主曲线的平移距离，由非线性拟合确定。式(1)中加载频率与荷载作用时间的关系如式(2)。将式(2)代入式(1)可得到试验温度为T时的不同加载频率动态模量。

(2)

式中：f为试验温度的加载频率，Hz；T为试验温度，℃。

3种GAC-16沥青混合料动态模量主曲线参照20 ℃时的动态模量并结合非线性最小二乘法拟合构建，主曲线拟合结果及位移因子如表10，3种GAC-16沥青混合料动态模量主曲线如图6。

图6 GAC-16沥青混合料动态模量主曲线Fig. 6 Dynamic modulus master curve of GAC-16 asphalt mixture

表10 GAC-16沥青混合料Sigmoidal 函数拟合结果及位移系数Table 10 Sigmoidal function fitting results and displacement coefficients of GAC-16 asphalt mixture

由图6可知：随着缩减频率降低，3种GAC-16沥青混合料动态模量差异愈发明显，在低频(对应高温)条件下，3种GAC-16混合料抗变形能力差别最大。对比2#、3#，无论缩减频率高低，掺入辉绿岩细集料的GAC-16沥青混合料抗变形能力较好；对比1#和2#，在缩减频率中等或较高时，混合料动态模量相当，但在低频(高温)作用下时，掺入辉绿岩细集料的GAC-16沥青混合料抗变形能力出现明显的衰减。说明在高温条件下，采用辉绿岩细集料的GAC-16混合料对温度变化更敏感，这与高温车辙试验结果一致。

综合水煮试验、车辙试验和动态模量试验结果来看，初步认为辉绿岩细集料与沥青的黏附性受温度变化影响较大，且导致制备的混合料在高温下对温度变化的敏感性较高。

4 结 论

笔者通过扫描电镜、吸柱试验和水煮试验分析了石灰岩、辉绿岩两种细集料自身的特性；利用辉绿岩粗集料与两种细集料设计了3种不同的GAC-16沥青混合料；并对其高低温性能、疲劳性能、水稳定性和动态特性进行了评价，得出如下结论：

1)两种细集料特性试验结果表明：辉绿岩细集料有着更高的表面粗糙度和表面自由能，但抗水煮剥落性差。

2)高温车辙试验结果显示：采用辉绿岩细集料制备的GAC-16混合料有着比石灰岩细集料制备的混合料更高的动稳定度和衰减率，这表明辉绿岩细集料制备的GAC-16混合料具有更好的高温抗车辙性能，但相应对温度变化的敏感性也较高。

3)疲劳性能和低温抗裂性能试验结果表明：采用辉绿岩细集料制备的GAC-16混合料拥有比采用石灰岩细集料的混合料更低的疲劳寿命和低温抗裂性。对比3种混合料马歇尔试验结果，初步认为疲劳寿命随着空隙率增大而降低，但受限于疲劳试验数量和试验水平，疲劳性能仍待进一步评价。

4)3种GAC-16混合料在不同水稳定性评价方法下表现出不同差异，综合考虑试验方法和试验误差等因素及水煮试验结果，认为3种混合料水稳定性基本不受细集料影响，水稳定性能相当。

5)从动态模量试验结果来看：细集料对GAC-16混合料动态模量具有一定影响。在低频(高温)条件下，掺入辉绿岩细集料的GAC-16沥青混合料抗变形能力出现明显的衰减，表明其在高温下具有较高的温度变化敏感性，这与室内车辙试验结果一致。