董英運，潘艷珠，王振忠，曾衛(wèi)平

(1.佛山市公路工程質量檢測有限責任公司，廣東 佛山 528313；2.廣東交通職業(yè)技術學院，廣州 510630)

0 概述

截至2020年底，廣東省通車公路總里程已達22.4萬km[1]，其中大部分為國省公路和農村公路。低成本養(yǎng)護，是道路行業(yè)面臨的一個重要挑戰(zhàn)。另一方面，厚度小于等于4cm的瀝青薄加鋪層是公路瀝青路面預防性養(yǎng)護和功能恢復的主要手段。不同于新建道路的瀝青面層，由于已有舊瀝青路面存在裂縫，因此要求瀝青加鋪層混合料不僅能夠抵抗車轍，而且應具備抗裂的能力，抵抗反射裂縫。

Mark Blow[2]解釋了瀝青混合料平衡設計理念提出的背景，認為自Superpave提出以來，瀝青混合料設計取得了長足進步，同時也由于廣泛使用改性瀝青，瀝青路面的車轍問題已經不具備普遍性，而裂縫的問題依然沒有解決，用于長壽命路面的瀝青混合料設計必須同時考慮車轍和裂縫問題。Fujie Zhou[3]等開發(fā)了一種兼顧車轍和反射裂縫要求的瀝青加鋪層設計方法,該研究采用漢堡車轍儀( Hamburg Wheel Tracking Test，HWTT)和加鋪層檢測儀(Overlay Tester，OT)分別評價了不同瀝青混合料的抗車轍和抗裂性能,結果表明，按Superpave方法設計的密級配瀝青混合料具有良好的抗車轍性能，但一般不具有抗裂性,然而和密級配瀝青混合料相比較，評價的三種SMA混合料均表現出良好的抗車轍和抗裂性;檢測結果統(tǒng)計分析表明，瀝青膠結料的PG等級、有效瀝青體積含量(VBE)、瀝青膜厚度(FT)和集料比表面積(SA)對混合料的抗裂性有顯著影響;對瀝青混合料抗車轍性能有顯著影響的因素為：瀝青膠結料的PG等級、礦料間隙率(VMA)、瀝青膜厚度(FT)、集料比表面積(SA)和空隙率(Va)等。鄒桂蓮[4]等針對舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的反射裂縫問題，提出富瀝青含量瀝青混合料的概念(FAC)和設計方法(CAVF)，體現出瀝青混合料平衡設計的思想，并取得良好的技術經濟效果。石立萬[5]等通過離散元數值分析的方法，分析了瀝青混合料骨架構成的原則、設計與評價方法，可以有效提高瀝青混合料抗車轍的能力。梁何浩[6]通過虛擬試驗及室內試驗,發(fā)現粗集料含量和集料顆粒的比表面積是影響瀝青混合料抗裂性能的主要因素之一，并提出了抗裂功能型瀝青混合料的概念及其設計方法。

本文試圖通過性能平衡的原則，嘗試設計一種成本相對低廉的瀝青加鋪層混合料，用于國省公路和農村公路瀝青路面的預防性養(yǎng)護，以及路面功能的恢復、改善和提升?；旌狭掀胶庠O計的基本策略框架為：(1)純巖瀝青價格基本與基質瀝青相當，摻配巖瀝青的混合料不會大幅增加成本，通過不同摻量的巖瀝青調正瀝青膠結料的PG等級，以滿足混合料使用環(huán)境的氣溫和交通量要求[7]；(2)采用不同粒徑的集料分級摻配的方法設計適宜的骨架級配和VMA[4，8]；(3)采用馬歇爾方法確定最佳瀝青用量(雙面各擊實50次)；(4)采用車轍試驗評價混合料的抗車轍性能、浸水馬歇爾或凍融劈裂試驗評價混合料的水穩(wěn)定性、小梁四點彎曲試驗和斷裂韌性指標評價混合料抵抗反射裂縫的能力[9-10]?？蚣苤校?1)和(2)基于抵抗車轍的考慮、(3)傾向于抗裂的考慮。根據上述混合料的特征，本文將混合料命名為“RAC”，其中R代表巖瀝青和高瀝青含量。

1 配合比設計

1.1 試驗用原材料

本文試驗用的基質瀝青為茂名石化70#瀝青，相關技術指標滿足規(guī)范要求[11]。巖瀝青為廣東某公司提供的布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt，BRA)，技術指標見表1。粗集料(粒徑10～15mm和5～10mm)和細集料(3～5mm)為廣東清遠產的花崗巖，細集料(0～3mm)為廣西產的輝綠巖，礦粉為廣東地產的石灰?guī)r礦粉。粗細集料和礦粉的相關技術指標滿足規(guī)范要求。

表1 布敦巖瀝青技術指標

按文獻[7]推薦的方法確定巖瀝青改性瀝青中巖瀝青的摻加比例為25%(提純巖瀝青質量比)，對應的PG分級等級為PG76-10。

1.2 瀝青混合料級配

本文以分級摻配方法確定瀝青混合料骨架型級配的基本步驟為：

(1)檢測No1集料(粒徑10～15mm)的毛體積密度，計算空隙率。

(2)按一定的摻配比例間隔(10%、20%、30%等)將No2集料(粒徑5～10mm)摻入No1集料中，分別檢測不同摻配比例混合集料的毛體積密度和空隙率，以空隙率最小值對應的摻配比例作為適宜摻配比例。

(3)按步驟(2)相同的方法確定No3集料(3～5mm)和No4集料(0～3mm)的適宜摻配比例。

(4)按一定的摻配比例間隔(10%、20%、30%等)將No3和No4混合集料摻入No1、No2的混合集料中，分別檢測不同摻配比例混合料的毛體積密度和空隙率。

(5)確定No3、No4混合料(細集料)摻入No1、No2混合料(粗集料)的合適比例。

確定粗集料和細集料合適的摻配比例遵循兩個原則：(1)骨架原則，可通過式(1)驗算；(2)滿足最小VMA的要求(例如VMAAC-13>14%)，可通過摻配比例和空隙率關系曲線得到。

(1)

式中：qC和qf分別為粗集料和細集料的摻配比例(%)；ρsc和ρtf分別為粗集料和細集料的密度；Vc為粗集料的空隙率。

由上述步驟確定的瀝青混合料(AC-13)設計級配見表2。

表2 瀝青混合料(AC-13)設計級配(通過百分率%)

1.3 確定瀝青混合料最佳油石比

本文采用馬歇爾方法確定瀝青混合料的最佳油石比，相關技術要求見表3[11]。

表3 瀝青混合料AC-13技術要求

由文獻[7]可知，70#基質瀝青+25%巖瀝青(提純)的改性瀝青膠結料對應的路面溫度為80℃，PG高溫等級指標為76℃，基本可以涵蓋廣東省瀝青路面的極端高溫。因此，可以認為是一個通用摻配比例。根據AC-13型瀝青混合料配比設計經驗，選擇5個油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%進行馬歇爾試驗，以確定所選擇級配對應的最佳瀝青用量。馬歇爾試驗結果見表4。

表4 基質瀝青+25%巖瀝青混合料AC-13馬歇爾試驗結果

根據表4馬歇爾試驗結果繪制密度、空隙率、穩(wěn)定度、流值、礦料間隙率、飽和度與油石比的關系曲線，并根據規(guī)范推薦的最佳油石比計算公式，計算出最佳油石比為5.5%。

2 瀝青混合料路用性能評價

2.1 水穩(wěn)定性

針對廣東的濕熱環(huán)境，本文進行了浸水馬歇爾試驗，用于評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗結果見表5。作為對比，表5中同時列出了基質瀝青和SBS改性瀝青混合料AC-13的試驗結果。

表5 瀝青混合料AC-13浸水馬歇爾試驗結果

從表5可以看出，巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于基質瀝青混合料，與SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性基本相當。

2.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗進行評價，試驗結果見表6。雖然規(guī)范對低交通量道路瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性沒有硬性規(guī)定[10]，作為對比，表6中同時列出了基質瀝青和SBS改性瀝青混合料AC-13的試驗結果。

表6 瀝青混合料AC-13車轍試驗結果

從表6可以看出，巖瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于基質瀝青混合料，適當增加壓實功的話，其高溫穩(wěn)定性可以接近SBS改性瀝青混合料。

2.3 中溫抗裂性能

我國現行公路瀝青路面施工規(guī)范采用小梁彎曲試驗(-10℃，破壞強度、破壞應變、破壞勁度模量)綜合評價瀝青混合料的低溫抗裂性能[11],然而對于廣東的瀝青路面來說，幾乎沒有負溫度的工作狀態(tài)。研究表明，瀝青混合料在中溫范圍(5℃～20℃)所表現出的抗裂性能與低溫條件完全不同[9]，因此，評價瀝青混合料中溫抗裂性對于實現瀝青混合料的平衡設計可能是有意義的。Hamza Alkuime認為，完整描述瀝青混合料開裂和發(fā)展的全過程對于評價瀝青混合料的中溫抗裂性是重要的，并推薦采用基于斷裂能的評價指標[9]。瀝青混合料的斷裂能可通過圖1來示意，圖中陰影面積定義為斷裂功(Wf)，單位斷裂面積對應的斷裂功定義為斷裂能。由于瀝青混合料含有空隙，如何確定“有效的斷裂面積”，目前還沒有統(tǒng)一的方法。鑒于此，本文嘗試采用斷裂功(Wf)來評價瀝青混合料的抗裂性能，斷裂功(Wf)越大，表明瀝青混合料的抗裂性能越好。

圖1 由載荷-位移曲線定義的開裂功[10]

對于瀝青混合料斷裂能試驗，通常可以采用半圓彎曲試驗、小梁彎曲試驗和間接拉伸(劈裂)試驗?？紤]到圓形試件現有的試驗方法均采用旋轉壓實成型，而多數工地試驗室缺少旋轉壓實設備，故本文采用小梁彎曲試驗檢測不同瀝青混合料的斷裂能。根據馬歇爾試驗確定的體積指標和油石比，制作車轍板，并切割成小梁試件，在5℃、10℃和15℃三個溫度下，以及加載速率 500mm/min 的條件下進行彎曲試驗，試驗結果見表7。

表7 瀝青混合料在不同溫度下的開裂功(Wf)

從表7可見，所有瀝青混合料的斷裂功均隨著試驗溫度的降低而減小，抗裂性能變差；巖瀝青混合料的抗裂性能明顯優(yōu)于基質瀝青混合料，且接近SBS改性瀝青混合料，可以理解為主要源于高瀝青含量的作用。

3 結語

針對國省公路和農村公路養(yǎng)護的需求，以及薄加鋪層瀝青混合料對抗車轍和抗裂縫的雙重要求，本文遵循性能平衡的原則，采用巖瀝青+分級摻配骨架結構+高瀝青膠結料含量的策略框架，探討設計一種低成本薄瀝青加鋪層混合料(RAC)用于低交通道路。經性能檢測，RAC性能良好，基本實現了設計意圖。