岳愛(ài)軍， 覃金壽， 欒利強(qiáng)， 劉 浪

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 桂林 541004)

車(chē)轍是廣西地區(qū)瀝青路面早期破壞的主要病害形式，坑槽等水損害現(xiàn)象次之，除此以外，廣西高速公路瀝青路面面臨的一大難題就是抗滑性能衰減較快。而瀝青混合料是由礦料、瀝青及空氣三相組成的，其中細(xì)集料組成和用量的確定是整個(gè)瀝青混合料設(shè)計(jì)中重要環(huán)節(jié)之一[1-2]。為了提高瀝青混合料的性能，細(xì)集料的組成設(shè)計(jì)成為其中一個(gè)重要的研究方向。徐慧寧等[3]運(yùn)用秩和檢驗(yàn)分析表明導(dǎo)致瀝青混合料空隙率變化最顯著是細(xì)集料級(jí)配。與此同時(shí)，Cai等[4]指出，瀝青混合料的穩(wěn)定性與細(xì)集料級(jí)配連續(xù)性呈正相關(guān)。王大慶[5]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)和圖像處理技術(shù)指出，細(xì)集料的形狀特性和棱角性對(duì)力學(xué)性能有顯著影響。謝百慧[6]通過(guò)對(duì)比分析3種不同細(xì)集料的瀝青混合料抗剪性能，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂因級(jí)配合理、棱角性好等優(yōu)勢(shì)，可以顯著提高瀝青混合料性能。Yao等[7]研究發(fā)現(xiàn)1.18、0.6、0.3 mm篩孔上的集料對(duì)混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)大于50%。程永春等[8]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析得到常溫抗拉、抗壓和低溫開(kāi)裂性能與0.15～0.3 mm和1.18～2.36 mm兩檔集料含量相關(guān)程度較高，0.6～1.18 mm和2.36～4.75 mm這兩檔集料含量對(duì)常溫抗蠕變變形能力影響較大。Wang等[9]通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)4.75 mm和2.36 mm的篩孔通過(guò)率大小對(duì)骨架結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料骨架強(qiáng)度隨2.36 mm篩孔通過(guò)率增加而降低，與4.75 mm篩孔通過(guò)率相關(guān)性不大。Garcia-Gil等[10]認(rèn)為瀝青混合料細(xì)集料含量與瀝青混合料的開(kāi)裂性能有顯著相關(guān)性。姑麗比婭[11]研究表明，細(xì)集料含量增加會(huì)使得混合料動(dòng)穩(wěn)定度急劇下降。熊依筱[12]研究顯示，通過(guò)適當(dāng)減少細(xì)集料含量，降低4.75 mm篩孔通過(guò)率，既獲得了骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，同時(shí)也能提高混合料表面抗滑能力。

從上述研究成果可以看出，這些主要集中研究細(xì)集料級(jí)配、棱角性、關(guān)鍵篩孔以及顆粒含量等指標(biāo)對(duì)瀝青混合料性能影響，關(guān)于細(xì)集料的規(guī)格及材質(zhì)對(duì)瀝青混合料性能影響方面研究較少，而且細(xì)集料的不同指標(biāo)對(duì)瀝青混合料性能影響的側(cè)重方向有所差異。而抗滑表層瀝青混合料各項(xiàng)性能往往是相互矛盾或制約，如高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性的矛盾，抗滑為主的瀝青路面與水穩(wěn)定性的矛盾。為了探討瀝青混合料細(xì)集料組成設(shè)計(jì)具有更好的適應(yīng)性，有必要綜合分析不同規(guī)格及材質(zhì)的細(xì)集料對(duì)瀝青混合料性能影響。

2019年，廣西鐘山至昭平高速公路抗滑表面層瀝青路面第一次成功采用了精品機(jī)制砂做細(xì)集料，考慮到廣西高溫時(shí)間長(zhǎng)，雨水相對(duì)來(lái)得快，去得快的特點(diǎn)，為此，以抗滑表層瀝青混合料GAC-13為研究對(duì)象，粗集料選用同一碎石加工場(chǎng)生產(chǎn)輝綠巖碎石，變化細(xì)集料的類(lèi)型：輝綠巖石屑、白色石灰?guī)r普通機(jī)制砂、黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂，制備出3種不同的瀝青混合料，旨在分析細(xì)集料的規(guī)格及材質(zhì)對(duì)抗滑表層GAC-13的組成設(shè)計(jì)、路用性能和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)論可為廣西高速公路抗滑表層GAC-13的選材提供參考依據(jù)。

1 原材料

1.1 瀝青

考慮到改性瀝青可能掩蓋細(xì)集料材質(zhì)、規(guī)格對(duì)GAC-13性能的影響，采用70#A級(jí)道路石油瀝青，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 70#A級(jí)道路石油瀝青基本技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

1.2 礦料

粗集料為廣西大化巖灘石場(chǎng)1#輝綠巖碎石(10～15 mm)、2#輝綠巖碎石(5～10 mm)，細(xì)集料有上林洋度石場(chǎng)3#白色石灰?guī)r普通機(jī)制砂(0～3 mm)，大化巖灘石場(chǎng)4#輝綠巖石屑(0～3 mm)及廣西新柳南高速公路7標(biāo)南方路機(jī)V7制砂機(jī)生產(chǎn)的5#黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂(0～3 mm)，填料采用6#白色石灰?guī)r礦粉。礦料主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2所示，集料篩分結(jié)果如表3所示。

表2 礦料主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

從表3可以看出，3#白色石灰?guī)r普通機(jī)制砂與4#輝綠巖石屑各篩孔質(zhì)量百分率相差不大，2.36 mm篩孔的篩余量約為20%，0.15 mm篩孔通過(guò)率約為18.5%，5#黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂0.15～2.36 mm 顆粒相對(duì)含量較多，級(jí)配均勻，0.075 mm篩孔通過(guò)率不超過(guò)10%。

表3 集料篩分結(jié)果

2 抗滑表層GAC-13的配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合廣西高速公路瀝青路面建設(shè)與運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，抗滑表層GAC-13的礦料組成如表4所示，其中，GAC-13(25)的礦料組成設(shè)計(jì)為，1#輝綠巖碎石∶2#輝綠巖碎石∶3#白色石灰?guī)r普通機(jī)制砂∶6#礦粉=38∶34∶25∶3；GAC-13(30)的礦料組成設(shè)計(jì)為，1#輝綠巖碎石∶2#輝綠巖碎石∶4#輝綠巖石屑∶6#礦粉=33∶34∶30∶3；GAC-13(23)的礦料組成設(shè)計(jì)為，1#輝綠巖碎石∶2#輝綠巖碎石∶5#黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂∶6#礦粉=39∶35∶23∶3。

參考文獻(xiàn)[13]，當(dāng)AC類(lèi)瀝青混合料空隙率為4%～4.5%，性能達(dá)到最優(yōu)。本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)空隙率為4.2%，GAC-13(25)、GAC-13(30)和GAC-13(23)的最佳油石比分別為4.6%、4.9%和4.8%。在最佳油石比下，GAC-13的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表5可知，最佳油石比下GAC-13(25)、GAC-13(30)和GAC-13(23)的體積指標(biāo)、穩(wěn)定度和流值均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術(shù)要求。結(jié)合表4可知，相同規(guī)格輝綠巖粗集料，級(jí)配接近的白色石灰?guī)r普通機(jī)制砂與輝綠巖石屑相比，GAC-13中輝綠巖石屑用量相對(duì)要多，這主要是由于輝綠巖石屑中含有SiO2，相對(duì)難以壓實(shí)，瀝青混合料達(dá)到相同的密實(shí)度需要較多輝綠巖細(xì)集料填充；GAC-13中黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂用量較白色石灰?guī)r普通機(jī)制砂少，黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂GAC-13的0.6 mm篩孔通過(guò)率就可達(dá)13.1%，這與精品機(jī)制砂中0.15～2.36 mm 顆粒含量較多，特別是0.6、1.18 mm篩孔的顆粒含量相對(duì)較多相關(guān)。

表4 GAC-13的礦料組成設(shè)計(jì)結(jié)果

表5 GAC-13的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 抗滑表層GAC-13的路用性能檢驗(yàn)

3.1 GAC-13的高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)

評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性常采用車(chē)轍試驗(yàn)。試驗(yàn)在60 ℃，輪壓為0.7 MPa條件下開(kāi)展抗滑表層GAC-13的車(chē)轍試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，隨著細(xì)集料摻量的減少，GAC-13的動(dòng)穩(wěn)定度呈增大趨勢(shì)，與GAC-13(30)相比，GAC-13(25)、GAC-13(23)的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高13.3%、17.6%，表明使用機(jī)制砂作為瀝青混合料細(xì)集料，由于其用量相對(duì)較少，粗骨料相應(yīng)增加，增強(qiáng)了碎石顆粒間骨架嵌擠能力，提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

表6 GAC-13的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 GAC-13的水穩(wěn)定性檢驗(yàn)

水損害是抗滑表層瀝青路面主要病害之一。評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性一般采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，浸水馬歇爾試驗(yàn)將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件在60 ℃下進(jìn)行測(cè)試，凍融劈裂試驗(yàn)采用雙面擊實(shí)次數(shù)為50次馬歇爾試件，在25 ℃下進(jìn)行測(cè)試，GAC-13的試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，GAC-13的浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度比均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)技術(shù)要求，但GAC-13(30)的水穩(wěn)定性能明顯低于GAC-13(25)、GAC-13(23)的水穩(wěn)定性能，GAC-13(23)的殘留穩(wěn)定度最高，GAC-13(25)次之；GAC-13(23)和GAC-13(30)的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比相較于GAC-13(25)分別降低了5.2%和17.6%。GAC-13的殘留穩(wěn)定度與抗拉強(qiáng)度比變化規(guī)律不同，這主要是因?yàn)榻R歇爾試驗(yàn)與實(shí)際路面水損害有差異，凍融劈裂試驗(yàn)采用加速冰凍和高溫溶解，在水力耦合作用下能快速模擬水侵蝕的損傷狀況。與GAC-13(25)相比，GAC-13(23)和GAC-13(30)的抗拉強(qiáng)度比降低的主要原因是石灰?guī)r機(jī)制砂屬于堿性材料，輝綠巖石屑偏中性材料，堿性的石灰?guī)r機(jī)制砂細(xì)集料與瀝青形成瀝青膠(砂)漿的黏附性相對(duì)更大，具有更好的抗水損害性能；白色石灰?guī)r普通機(jī)制砂相對(duì)黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂的碳酸鈣含量更高，白色石灰?guī)r機(jī)制砂GAC-13的抗水損害能力更強(qiáng)。

表7 GAC-13的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3.3 抗滑表層GAC-13的抗滑性能檢驗(yàn)

采用滲水試驗(yàn)、表面構(gòu)造深度試驗(yàn)和表面摩擦系數(shù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)GAC-13的抗滑性能。按輪輾法成型試件，使用滲水儀、手工鋪砂和擺式儀在試件表面進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

從表8可以看出，在最佳油石比和空隙率為4.2%下，所設(shè)計(jì)GAC-13的白色石灰?guī)r普通機(jī)制砂細(xì)集料用量為25%、輝綠巖石屑細(xì)集料用量為30%、黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂細(xì)集料用量為23%，GAC-13的滲水系數(shù)均為0，GAC-13(23)的構(gòu)造深度和擺值相對(duì)GAC-13(25)分別提高了6.5%、7.2%，相對(duì)GAC-13(30)分別提高了32%、25%，這主要原因是在保證密實(shí)的情況下，GAC-13(23)中4.75 mm通過(guò)率僅為32.5%，粗集料用量相對(duì)GAC-13(25)、GAC-13(30)多，可形成更大的構(gòu)造深度，增大了抗滑表層瀝青路面的摩擦系數(shù)。

表8 GAC-13的抗滑性能測(cè)試結(jié)果

4 抗滑表層GAC-13的力學(xué)性能測(cè)試

傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論[14-15]認(rèn)為瀝青混合料強(qiáng)度主要由礦料骨架強(qiáng)度和瀝青的膠結(jié)強(qiáng)度構(gòu)成，分別表現(xiàn)為顆粒材料的內(nèi)摩擦角φ和瀝青混合料的黏聚力c，可用庫(kù)倫內(nèi)摩擦理論來(lái)表征。其計(jì)算方法為

(1)

(2)

式中：σ1為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；σ2為抗拉強(qiáng)度。

為了表征瀝青混合料力學(xué)性能，采用單軸壓縮試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)分別測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，如圖1所示。為了使測(cè)試抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在同一條件下進(jìn)行，并且克服靜壓成型的單軸壓縮試件可操作性差特點(diǎn)，本文中均采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，試驗(yàn)溫度T分別為15、20、25、30、40、50 ℃，GAC-13的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。表9給出了GAC-13黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角隨溫度變化關(guān)系的擬合結(jié)果。從表9可以看出，GAC-13的黏結(jié)力c與溫度呈c=AeBT指數(shù)形式(A、B為系數(shù))，內(nèi)摩擦角與溫度呈φ=NTM冪函數(shù)形式(N、M為系數(shù))，且擬合相關(guān)系數(shù)都大于0.95，說(shuō)明黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角隨溫度變化具有很強(qiáng)相關(guān)性。

圖1 單軸壓縮及劈裂試驗(yàn)

表9 GAC-13黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角隨溫度變化關(guān)系

圖2 GAC-13的單軸壓縮及劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從圖2和表9可以看出，不同細(xì)集料的GAC-13的抗拉強(qiáng)度和黏結(jié)力c大小不同，但抗拉強(qiáng)度和黏結(jié)力c變化規(guī)律相同，即隨溫度升高呈指數(shù)形式降低；GAC-13(30)的黏結(jié)力高于GAC-13(25)、GAC-13(23)，這與GAC-13(30)中細(xì)集料相對(duì)較多，形成 “結(jié)構(gòu)瀝青”越多，相應(yīng)的黏結(jié)力就越好。

從圖2可以看出，抗壓強(qiáng)度也隨溫度增加逐漸降低，GAC-13(30)的抗壓強(qiáng)度最大，GAC-13(23)次之，GAC-13(25)最小，且在20～30 ℃時(shí)，GAC-13(25)、GAC-13(23)的抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)更明顯，這可能與輝綠巖石屑抵抗壓碎能力比石灰?guī)r機(jī)制砂強(qiáng)相關(guān)，而GAC-13(23)的抗壓強(qiáng)度比GAC-13(25)大的原因，這可能與GAC-13(23)中輝綠巖碎石用量多相關(guān)。

從圖2還可以看出，GAC-13的內(nèi)摩擦角隨溫度升高而變大，與黏結(jié)力呈反比關(guān)系，超過(guò)45 ℃以后，基本不變或略有減小趨勢(shì)，相對(duì)于GAC-13(25)、GAC-13(30)，GAC-13(23)的內(nèi)摩擦角最大，表明輝綠巖碎石用量最多的黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性，與表6得到的結(jié)論一致。

5 結(jié)論

(1)抗滑表層GAC-13的細(xì)集料選用精品機(jī)制砂具有更好的適宜性?？够韺雍谏?guī)r精品機(jī)制砂瀝青混合料GAC-13的9.5、4.75、2.36、0.6、0.075 mm通過(guò)率宜分別為67.3%、32.5%、24.0%、13.1%、5.2%。

(2)細(xì)集料材質(zhì)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響較大，抗滑表層GAC-13的細(xì)集料不宜采用輝綠巖石屑。