王志斌，邱文利，張 博，趙曉瑞，盛燕萍

(1.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 霸州 065799；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引言

路面作為一種多層結(jié)構(gòu)，每層都具備各自的功能。其中，超薄磨耗層常被用作瀝青路面的加鋪層，是道路直接與車(chē)輛荷載及自然環(huán)境接觸的表層，因此，該結(jié)構(gòu)應(yīng)提供較為持久的抗滑性和駕駛舒適性[1-2]。超薄磨耗層技術(shù)是厚度在15～25 mm的瀝青磨耗層鋪裝技術(shù)。

由于厚度僅為傳統(tǒng)瀝青上面層厚度的1/3～1/2，故此類(lèi)技術(shù)可在節(jié)約造價(jià)與維護(hù)成本30%～40%的同時(shí)，減少對(duì)資源與能源的消耗，是一類(lèi)環(huán)境友好型鋪面技術(shù)[3]。然而，在長(zhǎng)期暴露于氧氣、紫外線(xiàn)輻射中和車(chē)輛載荷的重復(fù)作用下，表面層的功能性逐漸降低，因此超薄磨耗層的使用壽命一般在10 a以?xún)?nèi)，需要進(jìn)行定期的維修和養(yǎng)護(hù)[4-5]。近年來(lái)“功能設(shè)計(jì)”概念被廣泛應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。超薄磨耗層的關(guān)鍵性能是提供優(yōu)良的平整度、抗滑性和駕駛舒適性，而不再作為一個(gè)高強(qiáng)度的承重層來(lái)使用[6]。

為保證超薄磨耗層具有持久的抗滑性能，通常采用耐磨性較高的集料，研究表明集料的抗滑性能與其化學(xué)和礦物組成有較高的相關(guān)性，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)Wang等[7]通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型的集料進(jìn)行輪胎磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石英含量較高的集料具有更為優(yōu)異的抗滑性能。煅燒鋁礬土的主要化學(xué)成分為Al2O3，是由鋁礬土經(jīng)1 300～1 500 ℃高溫煅燒而得的燒結(jié)塊再經(jīng)破碎、篩選制得，一般用作制備耐火材料。煅燒鋁礬土作為一種人造集料，具有高磨光值、高硬度等優(yōu)點(diǎn)[8-9]，將其應(yīng)用于超薄磨耗層瀝青混合料中，可有效提高磨耗層的表面功能性和耐久性。長(zhǎng)安大學(xué)田海濤等[10]通過(guò)評(píng)價(jià)煅燒鋁礬土集料與瀝青的黏附性，表明煅燒鋁礬土集料粉末與瀝青的交互作用能力較強(qiáng)，二者的黏附性較好。長(zhǎng)安大學(xué)宗有杰等[11]為研究煅燒鋁礬土集料制備的瀝青混合料的抗滑性能，通過(guò)模擬路表的磨光情況，基于差異磨光原理對(duì)煅燒鋁礬土瀝青混合料進(jìn)行了抗滑性能驗(yàn)證，提出了將煅燒鋁礬土集料與傳統(tǒng)集料進(jìn)行混摻的使用方法，為超薄磨耗層抗滑性能的提升提供了新的研究方向。結(jié)合文獻(xiàn)可知，目前將煅燒鋁礬土集料應(yīng)用于路面超薄磨耗層中的研究較少，因此針對(duì)該類(lèi)型的瀝青混合料開(kāi)展研究具有一定的理論意義和工程價(jià)值。

由于路用煅燒鋁礬土與石灰?guī)r的性質(zhì)差異，本研究基于差異磨光原理，利用改進(jìn)后的粗集料空隙填充法設(shè)計(jì)了一種煅燒鋁礬土超薄抗滑磨耗層(Calcined Bauxite Ultra-thin Friction Course, 簡(jiǎn)稱(chēng)CB-UTFC)。通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)、高溫車(chē)轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)等對(duì)CB-UTFC進(jìn)行路用性能檢測(cè)，采用擺值和構(gòu)造深度來(lái)測(cè)試混合料的抗滑性能，從而研究了不同煅燒鋁礬土摻量對(duì)超薄磨耗層瀝青混合料路用性能的影響，并采用灰靶決策理論，確定了CB-UTFC中煅燒鋁礬土集料的最佳摻量范圍。

1 原材料

試驗(yàn)選用SBS改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[12]中的規(guī)定對(duì)瀝青進(jìn)行性能檢測(cè)，各項(xiàng)基本性能指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范[13]要求，結(jié)果如表1所示。

表1 SBS改性瀝青基本性能指標(biāo)

試驗(yàn)采用兩種集料：石灰?guī)r和88#煅燒鋁礬土，分別產(chǎn)自陜西省和山西省，其基本性能指標(biāo)見(jiàn)表2。使用石灰石礦粉作為礦物填料，纖維選用木質(zhì)素纖維，兩種填料的技術(shù)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范[13]要求，其中木質(zhì)素纖維的摻量為礦料質(zhì)量的0.3%。

表2 集料基本性能指標(biāo)

石灰?guī)r和煅燒鋁礬土的宏觀(guān)形貌如圖1所示。集料的化學(xué)成分和礦物組成分別采用X射線(xiàn)熒光光譜儀(XRF)和X射線(xiàn)衍射儀(XRD)進(jìn)行測(cè)試。石灰?guī)r和煅燒鋁礬土的化學(xué)組成見(jiàn)表3，從表中可明顯看出兩種集料的化學(xué)組成差異，其中石灰?guī)r中CaO含量較高，而煅燒鋁礬土中Al2O3含量較高。趙華和Zhang等[14-15]采用皮爾遜相關(guān)分析來(lái)研究集料的化學(xué)組成對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明集料的破碎值和磨耗值與Al2O3含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與CaO呈顯著正相關(guān)。煅燒鋁礬土的抗壓性能和耐磨耗性能較為優(yōu)良，對(duì)于抗滑性能要求較高的路面，可優(yōu)先考慮煅燒鋁礬土這類(lèi)Al2O3含量較高的集料。石灰?guī)r和煅燒鋁礬土的主要礦物組成如圖2所示，由圖2可知，石灰?guī)r的礦物晶相主要為方解石和白云石，煅燒鋁礬土的礦物晶相主要為剛玉和莫來(lái)石，其中方解石和白云石的莫氏硬度分別為3和3.5，而剛玉和莫來(lái)石的莫氏硬度則分別為9和6，由此可以看出相比于石灰?guī)r，煅燒鋁礬土的結(jié)構(gòu)更為致密，硬度更大，不易被磨光。

圖2 集料XRD衍射分析

表3 石灰?guī)r和煅燒鋁礬土的化學(xué)組成

圖1 集料的宏觀(guān)形貌

2 CB-UTFC配合比設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)粗集料空隙填充法

粗集料空隙填充法(Course Aggregate Void Filling method，簡(jiǎn)稱(chēng)CAVF法)是華南理工大學(xué)張肖寧教授于20世紀(jì)90年代提出的一種瀝青混合料組成設(shè)計(jì)方法，該方法將粗集料骨架的嵌擠作用和細(xì)集料的填充作用進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到增強(qiáng)瀝青混合料性能的目的[16-18]。然而CAVF法在應(yīng)用過(guò)程中也存在一些技術(shù)問(wèn)題，例如原體積平衡方程中未考慮集料對(duì)瀝青的吸收情況，當(dāng)所選用的集料空隙率較大時(shí)，這一部分的變化容易對(duì)混合料的性能造成影響。華南理工大學(xué)葛折圣等[19]根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[13]求得有效瀝青體積對(duì)CAVF法進(jìn)行改進(jìn)，并以此設(shè)計(jì)了密斷級(jí)配瀝青混合料，結(jié)果表明改進(jìn)的CAVF法適用于不同類(lèi)型瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)。因此，在本研究中首先采用瀝青浸漬法對(duì)集料的有效密度進(jìn)行測(cè)量，并將其運(yùn)用到CAVF法的體積平衡方程中，得到改進(jìn)后的CAVF法公式，見(jiàn)式(1)～式(6)：

qc+qf=100，

(1)

(2)

VMA=VV+Vbe,

(3)

(4)

(5)

qa=qba+qbe,

(6)

式中，qc，qf分別為主骨料、填充料的質(zhì)量百分率；γf為填充料的表觀(guān)相對(duì)密度；γa為瀝青的相對(duì)密度；γs為主骨料松方毛體積相對(duì)密度；VDRC為干搗實(shí)狀態(tài)下主骨料松裝間隙率；VV為設(shè)計(jì)混合料的空隙率；Vbe為有效瀝青體積；qbe為有效油石比；qba為被集料吸入的油石比；qa為油石比；VMA為礦料間隙率；γse為主骨料有效相對(duì)密度；γsb為主骨料毛體積相對(duì)密度。

2.2 基于改進(jìn)CAVF法的CB-UTFC配合比設(shè)計(jì)

本研究采用煅燒鋁礬土和石灰?guī)r混摻設(shè)計(jì)超薄磨耗層瀝青混合料，礦料級(jí)配設(shè)計(jì)采用 SMA-5。長(zhǎng)安大學(xué)豆懷兵[20]分別采用逐級(jí)填充試驗(yàn)和n法對(duì)SMA-5中的主骨料和填充料的組成比例進(jìn)行優(yōu)化，得到了混合料礦料的級(jí)配范圍。本研究參考其研究?jī)?nèi)容，確定出符合規(guī)范要求的主骨料和填充料各自的比例，見(jiàn)表4。

表4 礦料的級(jí)配組成

通過(guò)實(shí)測(cè)得到細(xì)集料的表觀(guān)相對(duì)密度為2.643，礦粉表觀(guān)相對(duì)密度為2.675，瀝青相對(duì)密度為 1.024。采用試驗(yàn)所用SBS改性瀝青進(jìn)行瀝青浸漬法試驗(yàn)，測(cè)得煅燒鋁礬土摻量分別為0%，20%，40%，60%，80%以及100%時(shí)的合成礦料有效相對(duì)密度γse，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 主骨料密度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求，擬定VMA=18%，VV=4.0%，將其代入式(1)～式(6)中可得到不同煅燒鋁礬土摻配比例下瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表6。

表6 不同煅燒鋁礬土摻量的混合料級(jí)配計(jì)算結(jié)果

3 CB-UTFC路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性一般采用車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行研究，由動(dòng)穩(wěn)定度(DS)來(lái)表征，其值越大表明路面高溫抗車(chē)轍性能越好。試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)穩(wěn)定度和車(chē)轍深度隨煅燒鋁礬土摻量的變化曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 CB-UTFC瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，CB-UTFC瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨煅燒鋁礬土摻量的增大而呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)。在60 ℃溫度條件下，煅燒鋁礬土摻量60%的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最大值為6 875次/mm，較僅含石灰?guī)r集料的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高4 601次/mm，而混合料的車(chē)轍深度與動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，因此當(dāng)煅燒鋁礬土摻量為60%時(shí)，車(chē)轍深度出現(xiàn)最小值。另外，煅燒鋁礬土摻量由0%增大到40%的過(guò)程中，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增大趨勢(shì)較為明顯，產(chǎn)生此規(guī)律的原因?yàn)椋红褵X礬土內(nèi)的氧化鋁含量較高，使其具有堿性特質(zhì)，且其多孔構(gòu)造也會(huì)增加集料與瀝青結(jié)合料之間的黏結(jié)力，從而在混合料內(nèi)部產(chǎn)生更大的附著力；同時(shí)，煅燒鋁礬土致密的結(jié)構(gòu)和較大的硬度也會(huì)提高瀝青混合料的抗壓性能，進(jìn)一步增強(qiáng)了CB-UTFC混合料抵抗永久變形的能力。在煅燒鋁礬土摻量由60%增大到100%時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)較為緩慢的下降趨勢(shì)，這是由于隨著煅燒鋁礬土摻量的增加，其較大的空隙率會(huì)吸收更多的瀝青，當(dāng)瀝青含量過(guò)高時(shí)，多余的自由瀝青在混合料內(nèi)部起到潤(rùn)滑作用，因此對(duì)CB-UTFC的高溫穩(wěn)定性造成不利影響。

3.2 低溫抗裂性

采用低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)CB-UTFC瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。彎拉應(yīng)變值可有效反映瀝青混合料在低溫下呈現(xiàn)脆性斷裂的可能性，并以此表征其低溫抗裂性。彎拉應(yīng)變?cè)酱?，說(shuō)明混合料單位長(zhǎng)度承受變形的能力越好，低溫抗裂性能越好。由表7可知，隨著煅燒鋁礬土摻量的增加，混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變逐漸增大，其勁度模量值逐漸下降。這表明煅燒鋁礬土的摻入提高了CB-UTFC瀝青混合料的低溫抗裂性能。這是由于煅燒鋁礬土的多孔特性造成CB-UTFC的瀝青含量增加，使瀝青與集料的黏附性提高，因此隨著煅燒鋁礬土含量的增加，CB-UTFC表現(xiàn)出更加優(yōu)良的低溫抗裂性能。

表7 CB-UTFC瀝青混合料三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性

為評(píng)價(jià)CB-UTFC的水穩(wěn)定性，對(duì)不同煅燒鋁礬土摻量的瀝青混合料分別進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 CB-UTFC瀝青混合料水穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

由圖4可知，煅燒鋁礬土的摻入使混合料的水穩(wěn)定性呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，摻量由0%增至100%時(shí)，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度(RMS)增大7.8%，凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)提高8.1%。分析不同煅燒鋁礬土摻量的CB-UTFC瀝青混合料的水穩(wěn)定性差異，當(dāng)瀝青滲入集料中的孔洞或裂縫中時(shí)會(huì)發(fā)生機(jī)械嵌鎖錨固作用，其黏結(jié)力會(huì)有一定的提高。因此，基于煅燒鋁礬土集料較高的空隙率，CB-UTFC瀝青混合料的抗水損害能力隨著煅燒鋁礬土摻量的增加有一定提高，但提高不明顯。

3.4 抗滑性能

為研究煅燒鋁礬土對(duì)CB-UTFC瀝青混合料初始抗滑性能的影響，分別對(duì)6種混合料的構(gòu)造深度與擺值進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 CB-UTFC瀝青混合料初期抗滑性能測(cè)試結(jié)果

從圖5中可以看出，CB-UTFC瀝青混合料的初始構(gòu)造深度和擺值隨煅燒鋁礬土摻量改變的變化不大。但對(duì)比煅燒鋁礬土摻入前后瀝青混合料的構(gòu)造深度，發(fā)現(xiàn)煅燒鋁礬土的摻入使瀝青混合料的抗滑性能先呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，構(gòu)造深度和擺值分別在摻量為60%和40%時(shí)達(dá)到最大值0.59 mm和83.11 BPN，之后隨著煅燒鋁礬土比例的繼續(xù)增加，兩者都有小幅減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：由于煅燒鋁礬土與石灰?guī)r集料的粗糙度和棱角性差異，使瀝青混合料表面的抗滑性增強(qiáng)，然而相比于石灰?guī)r集料，煅燒鋁礬土集料的粗糙性較小，因此當(dāng)煅燒鋁礬土摻量增大至超過(guò)50%時(shí)，混合料的抗滑性有所下降。由抗滑測(cè)試結(jié)果可知，雖然集料種類(lèi)的改變會(huì)對(duì)瀝青混合料初始抗滑性能有一定的影響作用，但整體看來(lái)效果并不明顯，煅燒鋁礬土摻加的主要目的是提高抗滑表層的長(zhǎng)期抗滑性能。長(zhǎng)安大學(xué)宗有杰等[11]通過(guò)模擬路表的磨光情況，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行長(zhǎng)期抗滑性能測(cè)試的結(jié)果可知，煅燒鋁礬土集料的摻入可使瀝青混合料表面的長(zhǎng)期抗磨耗性能提高25%至45%。因此，煅燒鋁礬土集料在瀝青混合料中的應(yīng)用可使瀝青路面抗滑性能得到較大的提升。

4 基于灰靶決策理論的煅燒鋁礬土摻量?jī)?yōu)選

由CB-UTFC路用性能研究結(jié)果可知，煅燒鋁礬土摻量對(duì)混合料的各項(xiàng)性能具有顯著影響，且對(duì)于不同的性能存在不同的煅燒鋁礬土最佳摻量。因此，為充分發(fā)揮CB-UTFC瀝青混合料的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)選出綜合路用性能最佳的煅燒鋁礬土摻量，采用灰靶決策理論，針對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及抗滑性能各項(xiàng)指標(biāo)，建立了基于多指標(biāo)的煅燒鋁礬土摻量?jī)?yōu)選模型[21]，從而確定了煅燒鋁礬土在CB-UTFC中的最佳摻量?；疑珱Q策即根據(jù)目標(biāo)來(lái)選擇效果最優(yōu)對(duì)策的一種方法。

以不同煅燒鋁礬土摻量下CB-UTFC的動(dòng)穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度、擺值等試驗(yàn)結(jié)果作為評(píng)價(jià)指標(biāo)建立煅燒鋁礬土摻量?jī)?yōu)選模型。對(duì)于各摻量方案，根據(jù)灰靶決策建模理論，對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度、構(gòu)造深度、擺值等指標(biāo)采用式(7)的灰色上限效果測(cè)度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)車(chē)轍深度、彎曲勁度模量等指標(biāo)采用式(7)的灰色下限效果測(cè)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表8。對(duì)于各指標(biāo)的效果測(cè)度值而言，其數(shù)值越大，表明煅燒鋁礬土摻量方案的性能越好。

表8 各指標(biāo)灰色效果測(cè)度變化值

(7)

根據(jù)表8可以看出，理想最佳摻量方案的灰色效果測(cè)度向量為r0=[1，1，1，1，1，1，1，1]，按照式(8)和式(9)可計(jì)算得出各煅燒鋁礬土摻量方案灰色效果測(cè)度向量與理想最佳摻量方案灰色效果測(cè)度向量之間的靶心距，如表9所示。

表9 不同煅燒鋁礬土摻量靶心距計(jì)算結(jié)果

決策一般采用由s維空間組成的球形灰靶，其模型為：

(8)

SDi=|ri-r0|=

(9)

由表9可知，不同煅燒鋁礬土摻量計(jì)算的靶心距大小排序?yàn)镾D0>SD20>SD100>SD80>SD40>SD60，即煅燒鋁礬土摻量為60%時(shí)，靶心距最小，其次是40%，80%，100%，20%以及0%。根據(jù)灰靶決策理論可知，在煅燒鋁礬土摻量為60%時(shí)，CB-UTFC瀝青混合料的路用性能達(dá)到平衡最優(yōu)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析，建議煅燒鋁礬土的最佳摻配比例范圍為40%～60%。

5 結(jié)論

本研究對(duì)CB-UTFC瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)和路用性能等進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了采用改進(jìn)的空隙填充法對(duì)CB-UTFC混合料的組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于灰靶決策理論確定出煅燒鋁礬土的最佳摻配比例范圍，主要得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)集料的化學(xué)成分和礦物組成分析，與石灰?guī)r相比，煅燒鋁礬土具有較低的壓碎值和較高的磨光值，適用于改善超薄磨耗層的長(zhǎng)期抗滑性能。

(2)基于CAVF法設(shè)計(jì)過(guò)程中的不足，采用瀝青浸漬法對(duì)集料的有效相對(duì)密度進(jìn)行測(cè)定，并將其應(yīng)用于CAVF法中對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，得到不同煅燒鋁礬土摻配比例下瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配結(jié)果。

(3)CB-UTFC瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨煅燒鋁礬土摻量的增加先升高后降低，并在摻量為60% 時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到峰值；由于煅燒鋁礬土的多孔特性使混合料中的瀝青含量增大，CB-UTFC表現(xiàn)出較好的低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性。煅燒鋁礬土的摻加對(duì)磨耗層的初始抗滑性能影響較小，但對(duì)其長(zhǎng)期抗滑性能具有較大的提升。

(4)煅燒鋁礬土摻量是CB-UTFC瀝青混合料路用性能的顯著影響因素，隨著煅燒鋁礬土摻量的變化，其路用性能表現(xiàn)出不同的規(guī)律；基于灰靶決策理論，CB-UTFC混合料的各項(xiàng)路用性能達(dá)到較優(yōu)平衡時(shí)，煅燒鋁礬土的最佳摻量范圍為 40%～60%。