粵北地區(qū)環(huán)境條件下SAC與GAC瀝青混凝土的路用性能

張永升，羅代松，劉中宇，暢浩浩，李 迪

（1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.交科院科技集團(tuán)有限公司，北京 100013）

0 引言

粵北地區(qū)的氣候特點(diǎn)是雨季持續(xù)時(shí)間長、降雨量大，夏季高溫持續(xù)時(shí)間長、極端高溫頻繁、晝夜溫差小，冬季偶有負(fù)溫現(xiàn)象，因而高速公路瀝青路面常產(chǎn)生水損害、路面車轍、擁包、泛油、表面抗滑性能喪失和溫度裂縫等病害。針對(duì)粵北地區(qū)的特殊氣候條件，為了減少瀝青路面病害和提高高速公路瀝青路面質(zhì)量，有必要根據(jù)瀝青混凝土的特點(diǎn)，開展瀝青路面不同結(jié)構(gòu)層瀝青混凝土使用性能及其適用性研究。

針對(duì)如何提高瀝青混凝土使用性能等問題，沙慶林[1]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)多碎石瀝青混凝土（Stone Asphalt Concrete,SAC）具有較好的使用性能。梁錫三[2]通過總結(jié)廣東地區(qū)的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究，得出改進(jìn)型瀝青混凝土（Graded As?phalt Concrete,GAC）具有較好的使用性能。對(duì)于SAC 和GAC，國外未見工程應(yīng)用和研究，國內(nèi)一些相關(guān)研究包括：劉朝暉等[3]對(duì)SAC 的2 種級(jí)配（SAC-25,SAC-20）、3 種瀝青結(jié)合料（A-70,A-30,SBS改性瀝青）的高溫性能和單軸貫入剪切試驗(yàn)、低溫性能、水穩(wěn)性能等進(jìn)行了比較試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)SAC-25,SAC-20 均具有良好的路用性能（尤其是高溫穩(wěn)定性），適用于瀝青路面中下面層；李文深[4]、彭波等[5]系統(tǒng)分析了SAC 和密級(jí)配瀝青混凝土的路用性能，認(rèn)為SAC 的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度等方面優(yōu)于密級(jí)配瀝青混凝土；趙偉等[6]通過Xray CT 技術(shù)和圖像處理技術(shù)分析AC-13C,SMA-13,SAC-13和AR-AC-13S等4種級(jí)配的瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙分布等細(xì)觀特征參數(shù)，認(rèn)為SAC-13 在內(nèi)部空隙特征方面表現(xiàn)良好；馮浩等[7]分析斷級(jí)配瀝青混凝土與GAC 的適用性，發(fā)現(xiàn)兩種類型的瀝青混凝土均具有良好的高溫性能及抗水損害性能，且路用性能相當(dāng)；劉濤等[8]研究指出，路面水損害的主要原因不在于酸性集料與瀝青黏附性差和層厚偏薄，也不在AK 型瀝青混凝土本身，并推薦了GAC-16 和GAC-16C；呂瑞[9]研究得知，GAC-16C 在高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等方面相比AC-16C 具有一定的優(yōu)勢。以上研究表明：SAC與GAC 相比其他級(jí)配瀝青混凝土均具有較好的使用性能。

綜合而言，目前對(duì)于SAC 和GAC 這兩種瀝青混凝土與其他級(jí)配瀝青混凝土的使用性能對(duì)比研究較多，但缺少對(duì)SAC 和GAC 的使用性能對(duì)比研究，且基于提高瀝青路面各結(jié)構(gòu)層主要功能的瀝青混凝土使用性能的研究不夠深入。為此，本文將針對(duì)粵北地區(qū)的氣候特點(diǎn)，采用該地區(qū)的原材料進(jìn)行SAC-16,SAC-20,GAC-16C和GAC-20C的性能試驗(yàn)，分析4 種瀝青混凝土在高溫多雨條件下的適用性，并根據(jù)瀝青路面各結(jié)構(gòu)層功能需要，優(yōu)選適用性較好的瀝青混凝土類型，為相關(guān)工程提供參考。

1 原材料試驗(yàn)

1.1 集料試驗(yàn)

本研究中，集料采用粵北地區(qū)石灰?guī)r，填料采用石灰?guī)r礦粉。對(duì)原材料進(jìn)行物理性能試驗(yàn)[10]，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 集料相對(duì)密度和含水量試驗(yàn)結(jié)果

表2 面層粗集料試驗(yàn)指標(biāo)和技術(shù)要求

由表2 可知，石料的相對(duì)密度、吸水率、壓碎值、洛杉磯磨耗值、堅(jiān)固性、含泥量、針片狀顆粒含量和與瀝青黏附性等均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[11]要求。

1.2 瀝青結(jié)合料試驗(yàn)

結(jié)合粵北地區(qū)的氣候條件和工程經(jīng)驗(yàn)，選用改性瀝青SBS（I-D）作為瀝青路面上、下面層結(jié)合料，各技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 SBS改性瀝青結(jié)合料技術(shù)指標(biāo)

從表3 可知，SBS（I-D）的軟化點(diǎn)達(dá)73.5℃，5℃延度達(dá)34.1cm，表明該結(jié)合料具有較好的耐高溫性和低溫抗變形能力。此外，運(yùn)動(dòng)黏度（135℃）為2.435Pa·s，表明SBS（I-D）的施工和易性良好。

2 配合比設(shè)計(jì)

基于國內(nèi)尤其廣東地區(qū)的道路施工經(jīng)驗(yàn)，路面上面層瀝青混凝土初選SAC-16 和GAC-16C，中面層初選SAC-20 和GAC-20C。通過對(duì)SAC-16,SAC-20,GAC-16C和GAC-20C的室內(nèi)試驗(yàn)[12]，對(duì)比研究SAC 與GAC 的路用性能。

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

本文采用SAC 級(jí)配設(shè)計(jì)法[1,12]進(jìn)行SAC-16 和SAC-20 級(jí)配設(shè)計(jì)。粗、細(xì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)計(jì)算公式分別見式（1）和式（2）。

式（1）～式（2）中：di為第i檔集料的粒徑（mm）；為粗、細(xì)集料通過率（%）；Dmax為混合料最大公稱粒徑（mm）；A為Dmax篩孔通過率（%）；P4.75為4.75mm篩孔通過率（%）；B,B1均為系數(shù)。

SAC-16 和SAC-20 的級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見表4和圖1。參考以往的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)獲得GAC-16C 和GAC-20C 的級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果，同見表4和圖1。

表4 級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

圖1 級(jí)配曲線

貝雷法[13]采用粗集料比（Coarse Aggregate Ra?tio,CA Ratio）、細(xì)集料粗比（Coarse Portion of Fine Aggregate,FAC）和細(xì)集料細(xì)比(Fine Portion of Fine Aggregate,FAF)3 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行級(jí)配評(píng)價(jià)，該方法可使設(shè)計(jì)級(jí)配形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)并具有合適的礦料間隙率。本文采用貝雷法對(duì)以上4 種級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。

表5 基于貝雷法的各混合料級(jí)配評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖1 可知，4 條級(jí)配曲線都接近于S 形。從表5 所示評(píng)價(jià)結(jié)果可知，SAC-20 和GAC-2C 的CA比分別為0.57和0.45，表明這兩種瀝青混凝土具有很好的骨架密實(shí)狀態(tài)，抗車轍能力強(qiáng)；上面層SAC-16 的CA 比為0.7，GAC-16C 的CA 比為0.53，表明GAC-16C 和SAC-16 具有既不離析，又容易被壓實(shí)的特性。

2.2 配合比

根據(jù)以上4 種級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果，本研究采用馬歇爾法進(jìn)行瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)。試驗(yàn)得出SAC-16,SAC-20,GAC-16C 和GAC-20C 這4 種瀝青混凝土的最佳油石比分別為4.7%，4.5%，4.6%和4.4%。

在以上最佳油石比下，4 種瀝青混凝土的各項(xiàng)體積指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)見表6。

表6 4種瀝青混凝土在最佳油石比下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 路用性能試驗(yàn)

為掌握以上4 種瀝青混凝土的適用性，確保瀝青路面滿足使用要求，本研究基于水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗滑性和抗?jié)B水性5項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)瀝青混凝土各項(xiàng)性能展開全面分析[14-16]，以明確適用于瀝青路面上、下面層的瀝青混凝土類型。

3.1 水穩(wěn)定性

對(duì)于GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20這4 種瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，選取殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比這兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用馬歇爾試驗(yàn)儀雙面分別擊實(shí)75次制成兩組試件，一組試件用于常規(guī)馬歇爾試驗(yàn)（60℃，浸水30min），獲得馬歇爾穩(wěn)定度；另一組試件用于測定試件的浸水馬歇爾穩(wěn)定度（60℃，浸水48h），以殘留穩(wěn)定度為檢驗(yàn)指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青混凝土的穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 瀝青混凝土浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表7 可知，GAC-16C 的殘留穩(wěn)定度比SAC-16 的殘留穩(wěn)定度高出約6%；GAC-20C 的殘留穩(wěn)定度比SAC-20 的殘留穩(wěn)定度高出約0.9%。這說明以殘留穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，GAC 的抗水損害性能略優(yōu)。

采用馬歇爾試驗(yàn)儀雙面分別擊實(shí)50次制成馬歇爾試件各兩組，一組試件在25℃恒溫水箱中浸水養(yǎng)護(hù)2h后用于劈裂試驗(yàn)，以獲取該組瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度；另一組試件在-18℃下依次經(jīng)過16h 冷凍養(yǎng)護(hù)、60℃下24h 水浴養(yǎng)護(hù)和25℃下2h水浴養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，獲取該組瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 瀝青混凝土凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表8 可知，GAC-16C 的殘留強(qiáng)度比SAC-16 略大0.07%；GAC-20C 的殘留強(qiáng)度比SAC-20大5.8%；無論是否經(jīng)過凍融損害，GAC比SAC的劈裂強(qiáng)度均略大。這表明以殘留強(qiáng)度比為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，GAC-16C與SAC-16的抗水損害性能相當(dāng)，GAC-20C比SAC的抗水損害性能略優(yōu)。

3.2 高溫穩(wěn)定性

為了解GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20 的高溫穩(wěn)定性，分別碾壓成型300mm×300mm×500mm 車轍板試件各1 組，在60℃和0.7MPa 條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)。以動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到以上4 種瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果（見表9）。

表9 瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

從表9 可知，GAC-16C,GAC-20C,SAC-16和SAC-20 的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，均具有較好的高溫穩(wěn)定性能；GAC-16C 的動(dòng)穩(wěn)定度較SAC-16 高出約5.5%；SAC-20 的動(dòng)穩(wěn)定度較GAC-20C高出約12.3%。

3.3 低溫抗裂性

粵北地區(qū)夏季高溫多雨，冬季負(fù)溫最低可達(dá)-3℃。雖然低溫時(shí)間持續(xù)不長，但也會(huì)導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生溫度裂縫。為此，本研究對(duì)4 種瀝青混凝土GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20進(jìn)行低溫性能檢測，探究在-10℃下瀝青混凝土的低溫變形能力和溫度敏感性，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 瀝青混凝土低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

由表10 可知，4 種瀝青混凝土均具有良好的低溫抗裂性能。GAC-16C 比SAC-16 的最大彎拉應(yīng)變高出約7%，GAC-20C 比SAC-20的最大彎拉應(yīng)變高出約4.5%。由此可見，GAC在低溫條件下的變形能力優(yōu)于SAC。

3.4 抗滑性能

瀝青路面表面層應(yīng)具有足夠的抗滑性，以確保使用安全。本研究選擇構(gòu)造深度指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青路面表面層材料GAC-16C 和SAC-16 的抗滑性。針對(duì)兩種瀝青混凝土，分別成型300mm×300mm×500mm 車轍板試件各1 組，每組3 塊。采用手工鋪砂法檢測成型的瀝青混凝土車轍板的構(gòu)造深度，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 瀝青混凝土表面構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果

由表11 所示結(jié)果可知，GAC-16C 和SAC-16的表面構(gòu)造深度均遠(yuǎn)大于技術(shù)要求值，具有很好的抗滑效果，可為汽車安全行駛提供保障。比較GAC-16C 和SAC-16 的表面構(gòu)造深度，發(fā)現(xiàn)二者抗滑性能相當(dāng)。

3.5 抗?jié)B水性

雨水會(huì)通過表面層瀝青混凝土空隙逐步滲透至結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，引起路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部水損害。因此，瀝青混凝土必須達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，以防水分進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。采用GAC-16C 和SAC-16，分別成型300mm×300mm×500mm 試件各1 組，并采用滲水儀法檢測瀝青混凝土的滲水情況，結(jié)果如表12 所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，GAC-16C的滲水系數(shù)小于規(guī)范值，SAC-16不滲水。

表12 瀝青混凝土滲水試驗(yàn)結(jié)果

4 路用性能綜合評(píng)價(jià)

對(duì)比分析GAC和SAC的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)；

（1）抗?jié)B水性；GAC-16C 和SAC-16 的滲水系數(shù)很小或幾乎不滲水，抗?jié)B水性相差不大；

（2）抗滑性：GAC-16C 和SAC-16 的構(gòu)造深度均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求值，且均超過1.1mm，說明二者均具有優(yōu)越的抗滑性；

（3）高溫穩(wěn)定性：GAC-16C 和SAC-16 的動(dòng)穩(wěn)定度相差不大，SAC-20 的動(dòng)穩(wěn)定度明顯大于GAC-20C，但均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求值，說明均具有較好的高溫穩(wěn)定性；

（4）低溫抗裂性：GAC的低溫抗裂性優(yōu)于SAC；

（5）抗水損害性：以殘留穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，GAC 的抗水損害性能略優(yōu)于SAC；以殘留強(qiáng)度比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，GAC-16C 與SAC-16 的抗水損害性能相當(dāng)，GAC-20C 的抗水損害性能略優(yōu)于SAC瀝青混凝土。

（6）經(jīng)濟(jì)性：GAC-16C 相對(duì)SAC-16，GAC-20C 相對(duì)SAC-20 的油石比均降低約2%。GAC 的造價(jià)相對(duì)SAC 略低，但仍需結(jié)合路面長期性能全面考量路面全生命周期的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

本文通過工程實(shí)地調(diào)研，結(jié)合粵北地區(qū)的氣候特點(diǎn)及高速公路路面各結(jié)構(gòu)層功能需求，基于試驗(yàn)分析了當(dāng)?shù)卦牧霞癝AC 和GAC 的各項(xiàng)性能，并對(duì)適用于路面各結(jié)構(gòu)層的瀝青混凝土類型進(jìn)行了比選，得出如下結(jié)論；

（1）原材料均滿足試驗(yàn)要求，適用本地區(qū)高速公路建設(shè)。

（2）由貝雷法對(duì)SAC 和GAC 的級(jí)配設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，SAC 和GAC 都可以達(dá)到既不離析，也易壓實(shí)的效果；4條級(jí)配曲線都接近于S形。

（3）SAC 和GAC 均表現(xiàn)出較好的路用性能。對(duì)于高溫多雨地區(qū)，瀝青路面耐高溫性能和抗水損害性能是兩個(gè)比較重要的指標(biāo)。GAC-16C的耐高溫性能和抗水損害性能優(yōu)于SAC-16，更適用于高溫多雨地區(qū)表面層；SAC-20 的抗水損害性能略低于GAC-20C，但在耐高溫性能方面優(yōu)于GAC-20C。考慮到中面層對(duì)抗車轍性能的貢獻(xiàn)較大，SAC-20更適用于中面層。

對(duì)于瀝青混凝土的使用性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，不僅需要通過室內(nèi)試驗(yàn)分析，更需要通過工程實(shí)踐驗(yàn)證。鑒于不同結(jié)構(gòu)層瀝青混凝土對(duì)高速公路瀝青路面使用品質(zhì)影響的試驗(yàn)觀測周期較長，本文未開展瀝青混凝土的長期性能研究。今后有必要結(jié)合瀝青混凝土的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步研究不同結(jié)構(gòu)層瀝青混凝土全壽命周期內(nèi)的使用性能。