資興高速花崗巖集料瀝青中面層配合比設計應用研究

周善寬，張大斌，李美華

(1.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

廣西資源至興安高速公路是《廣西高速公路網規劃修編2010-2020年》規劃的“6橫7縱8支線”布局方案中7縱線之一，路線全長82.745 km，是湖南湘西經廣西桂北連接廣西北部灣經濟區的縱向跨省通道，項目的建設對完善廣西高速公路

網，推動桂湘兩省區間區域經濟發展和合作具有重要意義。項目沿線資源段石灰巖資源匱乏，經考察最近的石場運距超過50 km，且集料顆粒形狀、潔凈度難以滿足規范要求。綜合考慮后項目部擬利用當地花崗巖作為中下面層集料，為保證進場集料質量[1]，花崗巖集料由項目部自行加工。

與石灰巖相比，花崗巖集料具有更好的力學強度和耐磨耗性能，但是由于其偏酸性，與瀝青的粘附性能較差，容易造成瀝青路面水損害，影響其推廣應用。研究表明[2-4]：花崗巖瀝青混合料水穩定性與其巖性組成息息相關，添加消石灰、水泥、抗剝落劑均可以改善其水穩定性能。水泥材料由于能與瀝青的有機酸反應生成吸附能力極強的物質，能起到表面活性劑的作用，同時還可以提高瀝青混合料的高溫性能。本文對花崗巖在中面層的應用進行研究，以用于指導路面施工。

1 原材料試驗

改性瀝青采用SBS I-D，花崗巖碎石規格9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm，填料為石灰巖礦粉。瀝青與碎石的檢測指標如表1和表2所示：

表1 SBS I-D改性瀝青試驗結果表

表2 集料試驗結果表

由表1、表2可知，SBS改性瀝青以及集料均滿足規范要求[5]，且花崗巖集料與SBS改性瀝青粘附等級達到4級。

2 配合比設計

由于花崗巖集料與瀝青粘附等級達到4級，按照規范要求可以直接用于瀝青面層配比設計，結合廣西現有高速公路瀝青路面建設經驗：中面層瀝青混合料應具有良好的高溫穩定性能，應采用骨架密實結構，在保證密實的前提下盡量提升粗骨料的用量，本次中面層礦料級配組成設計見表3。

經馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.7%，瀝青混合料最佳油石比體積指標見下頁表4。

3 性能驗證

3.1 水穩定性能驗證

對設計的花崗巖瀝青混合料進行殘留穩定度試驗和凍融劈裂試驗，對其水穩定性能評價如下頁表5所示。

表3 礦料級配組成設計表

表4 4.7%油石比馬歇爾試驗結果表

表5 花崗巖瀝青混合料水穩定性試驗結果表

由試驗結果可知：花崗巖瀝青混合料浸水馬歇爾試驗指標滿足規范要求，凍融劈裂強度比則無法滿足規范要求，這是由于真空負壓狀態下自由水容易沿著內部連通孔隙進入馬歇爾芯樣內部，在凍融循環作用下造成混合料內部損傷，從而導致瀝青混凝土劈裂強度比低，滿足不了規范要求。文獻[2]～[4]中指出：水泥材料可以改善酸性集料的水穩定性能和高溫性能，將花崗巖集料中的礦粉用2%水泥代替后再進行水穩定性能試驗，試驗結果如表6所示：

表6 2%水泥代替礦粉的花崗巖瀝青混合料水穩定性試驗結果表

采用水泥替代部分礦粉之后，花崗巖瀝青混合料的水穩定性能均有提升，均能滿足規范要求。其中浸水馬歇爾強度比提高了8.0%，凍融劈裂強度比提高了36.0%，凍融循環后的強度增長了21.9%，說明水泥能夠有效改善酸性集料與瀝青的界面粘結強度，從而提高酸性集料的水穩定性能。

3.2 高溫性能驗證

分別對花崗巖瀝青混合料以及2%水泥代替礦粉的花崗巖混合料進行車轍試驗，以對其高溫性能進行驗證，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗條件為 60±1 ℃，0.7±0.05 MPa，結果如表7所示：

表7 60 ℃車轍試驗結果對比表

采用水泥替代部分礦粉后，花崗巖瀝青混合料的60 ℃車轍試驗結果前后變化不大，增加幅度為4.0%，有效增加幅度基本在儀器誤差范圍之內，但是混合料的不同階段唯一變形量變化明顯，摻加水泥之后，瀝青混合料45 min、60 min唯一變形量均減小，由于瀝青混合料車轍試驗唯一變形量是一個不斷往返累計的過程，其位移變形量的大小更能反映瀝青混合料在車輪反復作用下的抵抗變形的能力，因此摻加2%水泥代替礦粉后花崗巖瀝青混合料的高溫性能也有了較為顯著的提升。

4 漢堡車轍試驗

由上述性能驗證可知：采用水泥作為抗剝落劑，資興高速花崗巖集料中面層各項性能指標均能滿足規范要求。瀝青路面使用過程中，高溫性能和水穩定性能往往相互影響、相互制約，尤其是廣西地區高溫季節與雨季同時出現，瀝青混合料應具有良好的高溫抗水損害能力。對摻2%水泥代替礦粉的花崗巖瀝青混合料成型漢堡車轍板試件，采用設計空隙率，對其進行浸水漢堡車轍試驗，試驗溫度為50 ℃，如圖1所示：

圖1 漢堡車轍變形深度隨輪碾次數的變化曲線圖

由圖1可知：加載初期(6 000次)，瀝青混合料主要發生壓密變形，此時變形速率一般較快，隨著加載次數的增加，試件壓密到一定程度后將不再發生壓密變形；高溫條件下混合料的粘塑性會使混合料繼續發生蠕變變形(6 000次以后)；蠕變階段，混合料的變形量以穩定的速率增長，變形速率越大，高溫性能越差；輪碾往復作用20 000次后，試件的變形深度為2 mm，此時混合料仍處于蠕變階段，變形曲線未出現拐點，表明采用2%水泥代替礦粉花崗巖瀝青混合料具有良好的高溫抗水損害能力，可以用于指導現場施工。

5 結語

通過本文研究可知：資興高速花崗巖集料與瀝青粘附等級滿足規范要求，但是直接用于瀝青中面層其凍融劈裂強度比難以滿足規范要求；采用2%水泥代替礦粉后，花崗巖瀝青混合料的水穩定性能和高溫性能均有改善提高，其凍融劈裂強度比滿足規范要求。高溫浸水車轍試驗表明：采用水泥替代部分礦粉后，花崗巖瀝青混合料具有良好的抵抗高溫水損害的能力。因此通過添加水泥，資興高速瀝青中面層采用花崗巖集料的方案是可行的。