煅燒鋁礬土路用超薄磨耗層配合比設計及性能評價

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. 長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061)

0 引言

路面作為一種多層結構，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，是道路直接與車輛荷載及自然環境接觸的表層，因此，該結構應提供較為持久的抗滑性和駕駛舒適性[1-2]。超薄磨耗層技術是厚度在15～25 mm的瀝青磨耗層鋪裝技術。

由于厚度僅為傳統瀝青上面層厚度的1/3～1/2，故此類技術可在節約造價與維護成本30%～40%的同時，減少對資源與能源的消耗，是一類環境友好型鋪面技術[3]。然而，在長期暴露于氧氣、紫外線輻射中和車輛載荷的重復作用下，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以內，需要進行定期的維修和養護[4-5]。近年來“功能設計”概念被廣泛應用于道路結構的設計中。超薄磨耗層的關鍵性能是提供優良的平整度、抗滑性和駕駛舒適性，而不再作為一個高強度的承重層來使用[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和礦物組成有較高的相關性，其中哈爾濱工業大學Wang等[7]通過對不同類型的集料進行輪胎磨損試驗，發現石英含量較高的集料具有更為優異的抗滑性能。煅燒鋁礬土的主要化學成分為Al2O3，是由鋁礬土經1 300～1 500 ℃高溫煅燒而得的燒結塊再經破碎、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、高硬度等優點[8-9]，將其應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。長安大學田海濤等[10]通過評價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，二者的黏附性較好。長安大學宗有杰等[11]為研究煅燒鋁礬土集料制備的瀝青混合料的抗滑性能，通過模擬路表的磨光情況，基于差異磨光原理對煅燒鋁礬土瀝青混合料進行了抗滑性能驗證，提出了將煅燒鋁礬土集料與傳統集料進行混摻的使用方法，為超薄磨耗層抗滑性能的提升提供了新的研究方向。結合文獻可知，目前將煅燒鋁礬土集料應用于路面超薄磨耗層中的研究較少，因此針對該類型的瀝青混合料開展研究具有一定的理論意義和工程價值。

由于路用煅燒鋁礬土與石灰巖的性質差異，本研究基于差異磨光原理，利用改進后的粗集料空隙填充法設計了一種煅燒鋁礬土超薄抗滑磨耗層(Calcined Bauxite Ultra-thin Friction Course, 簡稱CB-UTFC)。通過馬歇爾試驗、高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗等對CB-UTFC進行路用性能檢測，采用擺值和構造深度來測試混合料的抗滑性能，從而研究了不同煅燒鋁礬土摻量對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

試驗選用SBS改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[12]中的規定對瀝青進行性能檢測，各項基本性能指標均滿足規范[13]要求，結果如表1所示。

表1 SBS改性瀝青基本性能指標

試驗采用兩種集料：石灰巖和88#煅燒鋁礬土，分別產自陜西省和山西省，其基本性能指標見表2。使用石灰石礦粉作為礦物填料，纖維選用木質素纖維，兩種填料的技術性能指標均滿足規范[13]要求，其中木質素纖維的摻量為礦料質量的0.3%。

表2 集料基本性能指標

石灰巖和煅燒鋁礬土的宏觀形貌如圖1所示。集料的化學成分和礦物組成分別采用X射線熒光光譜儀(XRF)和X射線衍射儀(XRD)進行測試。石灰巖和煅燒鋁礬土的化學組成見表3，從表中可明顯看出兩種集料的化學組成差異，其中石灰巖中CaO含量較高，而煅燒鋁礬土中Al2O3含量較高。趙華和Zhang等[14-15]采用皮爾遜相關分析來研究集料的化學組成對其性能的影響，結果表明集料的破碎值和磨耗值與Al2O3含量呈顯著負相關，與CaO呈顯著正相關。煅燒鋁礬土的抗壓性能和耐磨耗性能較為優良，對于抗滑性能要求較高的路面，可優先考慮煅燒鋁礬土這類Al2O3含量較高的集料。石灰巖和煅燒鋁礬土的主要礦物組成如圖2所示，由圖2可知，石灰巖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，而剛玉和莫來石的莫氏硬度則分別為9和6，由此可以看出相比于石灰巖，煅燒鋁礬土的結構更為致密，硬度更大，不易被磨光。

圖2 集料XRD衍射分析

表3 石灰巖和煅燒鋁礬土的化學組成

圖1 集料的宏觀形貌

2 CB-UTFC配合比設計

2.1 改進粗集料空隙填充法

粗集料空隙填充法(Course Aggregate Void Filling method，簡稱CAVF法)是華南理工大學張肖寧教授于20世紀90年代提出的一種瀝青混合料組成設計方法，該方法將粗集料骨架的嵌擠作用和細集料的填充作用進行有機結合，從而達到增強瀝青混合料性能的目的[16-18]。然而CAVF法在應用過程中也存在一些技術問題，例如原體積平衡方程中未考慮集料對瀝青的吸收情況，當所選用的集料空隙率較大時，這一部分的變化容易對混合料的性能造成影響。華南理工大學葛折圣等[19]根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[13]求得有效瀝青體積對CAVF法進行改進，并以此設計了密斷級配瀝青混合料，結果表明改進的CAVF法適用于不同類型瀝青混合料的配合比設計。因此，在本研究中首先采用瀝青浸漬法對集料的有效密度進行測量，并將其運用到CAVF法的體積平衡方程中，得到改進后的CAVF法公式，見式(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、填充料的質量百分率；γf為填充料的表觀相對密度；γa為瀝青的相對密度；γs為主骨料松方毛體積相對密度；VDRC為干搗實狀態下主骨料松裝間隙率；VV為設計混合料的空隙率；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為主骨料有效相對密度；γsb為主骨料毛體積相對密度。

2.2 基于改進CAVF法的CB-UTFC配合比設計

本研究采用煅燒鋁礬土和石灰巖混摻設計超薄磨耗層瀝青混合料，礦料級配設計采用 SMA-5。長安大學豆懷兵[20]分別采用逐級填充試驗和n法對SMA-5中的主骨料和填充料的組成比例進行優化，得到了混合料礦料的級配范圍。本研究參考其研究內容，確定出符合規范要求的主骨料和填充料各自的比例，見表4。

表4 礦料的級配組成

通過實測得到細集料的表觀相對密度為2.643，礦粉表觀相對密度為2.675，瀝青相對密度為 1.024。采用試驗所用SBS改性瀝青進行瀝青浸漬法試驗，測得煅燒鋁礬土摻量分別為0%，20%，40%，60%，80%以及100%時的合成礦料有效相對密度γse，測試結果如表5所示。

表5 主骨料密度測試結果

根據規范的相關要求，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計級配的計算結果，見表6。

表6 不同煅燒鋁礬土摻量的混合料級配計算結果

3 CB-UTFC路用性能研究

3.1 高溫穩定性

瀝青混合料的高溫穩定性一般采用車轍試驗進行研究，由動穩定度(DS)來表征，其值越大表明路面高溫抗車轍性能越好。試驗過程中動穩定度和車轍深度隨煅燒鋁礬土摻量的變化曲線如圖3所示。

圖3 CB-UTFC瀝青混合料車轍試驗結果

由圖3可知，CB-UTFC瀝青混合料的動穩定度隨煅燒鋁礬土摻量的增大而呈現出先升高后降低的變化趨勢。在60 ℃溫度條件下，煅燒鋁礬土摻量60%的瀝青混合料動穩定度最大值為6 875次/mm，較僅含石灰巖集料的瀝青混合料動穩定度提高4 601次/mm，而混合料的車轍深度與動穩定度呈現相反的變化規律，因此當煅燒鋁礬土摻量為60%時，車轍深度出現最小值。另外，煅燒鋁礬土摻量由0%增大到40%的過程中，混合料的動穩定度增大趨勢較為明顯，產生此規律的原因為：煅燒鋁礬土內的氧化鋁含量較高，使其具有堿性特質，且其多孔構造也會增加集料與瀝青結合料之間的黏結力，從而在混合料內部產生更大的附著力；同時，煅燒鋁礬土致密的結構和較大的硬度也會提高瀝青混合料的抗壓性能，進一步增強了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，混合料的動穩定度呈現較為緩慢的下降趨勢，這是由于隨著煅燒鋁礬土摻量的增加，其較大的空隙率會吸收更多的瀝青，當瀝青含量過高時，多余的自由瀝青在混合料內部起到潤滑作用，因此對CB-UTFC的高溫穩定性造成不利影響。

3.2 低溫抗裂性

采用低溫彎曲試驗對CB-UTFC瀝青混合料的低溫性能進行評價，試驗結果見表7。彎拉應變值可有效反映瀝青混合料在低溫下呈現脆性斷裂的可能性，并以此表征其低溫抗裂性。彎拉應變越大，說明混合料單位長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，混合料的抗彎拉強度和彎拉應變逐漸增大，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表現出更加優良的低溫抗裂性能。

表7 CB-UTFC瀝青混合料三點彎曲試驗結果

3.3 水穩定性

為評價CB-UTFC的水穩定性，對不同煅燒鋁礬土摻量的瀝青混合料分別進行浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗，結果如圖4所示。

圖4 CB-UTFC瀝青混合料水穩定性測試結果

由圖4可知，煅燒鋁礬土的摻入使混合料的水穩定性呈現增長趨勢，摻量由0%增至100%時，瀝青混合料的殘留穩定度(RMS)增大7.8%，凍融劈裂強度比(TSR)提高8.1%。分析不同煅燒鋁礬土摻量的CB-UTFC瀝青混合料的水穩定性差異，當瀝青滲入集料中的孔洞或裂縫中時會發生機械嵌鎖錨固作用，其黏結力會有一定的提高。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CB-UTFC瀝青混合料初始抗滑性能的影響，分別對6種混合料的構造深度與擺值進行測試，結果如圖5所示。

圖5 CB-UTFC瀝青混合料初期抗滑性能測試結果

從圖5中可以看出，CB-UTFC瀝青混合料的初始構造深度和擺值隨煅燒鋁礬土摻量改變的變化不大。但對比煅燒鋁礬土摻入前后瀝青混合料的構造深度，發現煅燒鋁礬土的摻入使瀝青混合料的抗滑性能先呈現增大趨勢，構造深度和擺值分別在摻量為60%和40%時達到最大值0.59 mm和83.11 BPN，之后隨著煅燒鋁礬土比例的繼續增加，兩者都有小幅減小。產生這種現象的主要原因是：由于煅燒鋁礬土與石灰巖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，然而相比于石灰巖集料，煅燒鋁礬土集料的粗糙性較小，因此當煅燒鋁礬土摻量增大至超過50%時，混合料的抗滑性有所下降。由抗滑測試結果可知，雖然集料種類的改變會對瀝青混合料初始抗滑性能有一定的影響作用，但整體看來效果并不明顯，煅燒鋁礬土摻加的主要目的是提高抗滑表層的長期抗滑性能。長安大學宗有杰等[11]通過模擬路表的磨光情況，對瀝青混合料進行長期抗滑性能測試的結果可知，煅燒鋁礬土集料的摻入可使瀝青混合料表面的長期抗磨耗性能提高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優選

由CB-UTFC路用性能研究結果可知，煅燒鋁礬土摻量對混合料的各項性能具有顯著影響，且對于不同的性能存在不同的煅燒鋁礬土最佳摻量。因此，為充分發揮CB-UTFC瀝青混合料的優勢，優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，針對混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性以及抗滑性能各項指標，建立了基于多指標的煅燒鋁礬土摻量優選模型[21]，從而確定了煅燒鋁礬土在CB-UTFC中的最佳摻量。灰色決策即根據目標來選擇效果最優對策的一種方法。

以不同煅燒鋁礬土摻量下CB-UTFC的動穩定度、彎拉應變、殘留穩定度、擺值等試驗結果作為評價指標建立煅燒鋁礬土摻量優選模型。對于各摻量方案，根據灰靶決策建模理論，對動穩定度、彎拉應變、凍融劈裂強度比、殘留穩定度、構造深度、擺值等指標采用式(7)的灰色上限效果測度進行計算，對車轍深度、彎曲勁度模量等指標采用式(7)的灰色下限效果測度進行計算，結果見表8。對于各指標的效果測度值而言，其數值越大，表明煅燒鋁礬土摻量方案的性能越好。

表8 各指標灰色效果測度變化值

(7)

根據表8可以看出，理想最佳摻量方案的灰色效果測度向量為r0=[1，1，1，1，1，1，1，1]，按照式(8)和式(9)可計算得出各煅燒鋁礬土摻量方案灰色效果測度向量與理想最佳摻量方案灰色效果測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算結果

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算的靶心距大小排序為SD0>SD20>SD100>SD80>SD40>SD60，即煅燒鋁礬土摻量為60%時，靶心距最小，其次是40%，80%，100%，20%以及0%。根據灰靶決策理論可知，在煅燒鋁礬土摻量為60%時，CB-UTFC瀝青混合料的路用性能達到平衡最優，結合經濟效益分析，建議煅燒鋁礬土的最佳摻配比例范圍為40%～60%。

5 結論

本研究對CB-UTFC瀝青混合料的配合比設計和路用性能等進行試驗研究，提出了采用改進的空隙填充法對CB-UTFC混合料的組成進行設計，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，主要得出以下結論：

(1)通過對集料的化學成分和礦物組成分析，與石灰巖相比，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期抗滑性能。

(2)基于CAVF法設計過程中的不足，采用瀝青浸漬法對集料的有效相對密度進行測定，并將其應用于CAVF法中對其進行改進，得到不同煅燒鋁礬土摻配比例下瀝青混合料設計級配結果。

(3)CB-UTFC瀝青混合料的動穩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，其動穩定度達到峰值；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表現出較好的低溫抗裂性能和水穩定性。煅燒鋁礬土的摻加對磨耗層的初始抗滑性能影響較小，但對其長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，其路用性能表現出不同的規律；基于灰靶決策理論，CB-UTFC混合料的各項路用性能達到較優平衡時，煅燒鋁礬土的最佳摻量范圍為 40%～60%。