GAC-16瀝青混合料在贛西干線公路中的應(yīng)用研究

熊小軍，周崇陽，縱瑾瑜，王永維，*，劉林林

(1. 宜春市公路管理局，宜春 336000； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112；3. 新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室，南京 211112)

贛西地區(qū)的公路普遍采用AC-16型瀝青混合料鋪筑中面層。中面層主要提供高溫抗車轍能力和密水性。AC-16混合料結(jié)構(gòu)特征為懸浮密實(shí)型，粗集料懸浮于細(xì)集料組成的瀝青膠漿之中，此混合料結(jié)構(gòu)致密，有較高的穩(wěn)定度，但因?yàn)榇旨仙?，且處于相互分離的狀態(tài)，會影響它的高溫穩(wěn)定性[1]。在重載超載、高溫多雨的復(fù)雜交通條件下，路面會出現(xiàn)不同程度的損壞，最常見的病害是車轍路面車轍除影響行車舒適度外，還直接影響交通安全。

為了使得贛西干線公路能夠承受車輛荷載反復(fù)作用及雨水、大氣等的長期影響，鋪筑路面的瀝青混合料必須具備良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性能等。試驗(yàn)研究分析表明，對瀝青混合料的高穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，有60%來自于集料的嵌擠作用，有40%來自于瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)作用，由于傳統(tǒng)的AC-16混合料中粗集料較少，無法產(chǎn)生嵌擠力[2]。為了解決贛西重載干線公路高溫性能和水穩(wěn)定性能的不足，本文在對該地區(qū)原材料進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，對AC-16 型級配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要通過調(diào)整關(guān)鍵篩孔2.36 mm和4.75 mm通過率，得到骨架密實(shí)型GAC-16瀝青混合料，與常規(guī)的AC-16混合料性能進(jìn)行對比，以高溫性能、水穩(wěn)定性和低溫性能3個(gè)指標(biāo)作為評價(jià)依據(jù)，對混合料的級配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)出的混合料具有更高的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性[3-5]。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 主要原材料

(1) 瀝青：江蘇某公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，經(jīng)檢測PG 等級為PG76-22，其檢測結(jié)果如表1所示。

表1 SBS改性瀝青基本指標(biāo)

(2) 集料和填料：礦料巖性均為石灰?guī)r；填料為礦粉。集料和礦粉的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合JTGF40規(guī)范中對瀝青面層用集料的規(guī)定。

1.2 試驗(yàn)方法

(1) 級配確定原則

混合料沒有足夠骨架時(shí)，其級配高溫敏感性強(qiáng)，易形成車轍，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)具有較好的水穩(wěn)定性，但是沒有足夠的骨架，高溫抗車轍性能差。為了使得設(shè)計(jì)的混合料具有較好的高溫抗車轍能力和抗水損害能力，結(jié)合贛西的氣候和交通特點(diǎn)，提出骨架密實(shí)型GAC型混合料(AC型瀝青混合料的改進(jìn)型)。通過調(diào)整級配上下限，提出GAC-16C關(guān)鍵性篩孔通過率(2.36 mm)應(yīng)小于38%，4.75 mm通過率應(yīng)為35%左右，使其形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加4.75 mm以上粗集料用量，相對降低 0.6 mm以下部分細(xì)集料的用量，形成居中的S型級配曲線[6-10]。

(2) 性能評價(jià)

根據(jù)贛西的氣候和交通特點(diǎn)，本文從高溫穩(wěn)定性(車轍試驗(yàn))、水損害性(浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn))、低溫抗裂性(低溫小梁試驗(yàn))三方面評價(jià)GAC-16C混合料性能，從而使GAC-16C混合料級配達(dá)到最優(yōu)。

本文室內(nèi)試驗(yàn)采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法對GAC-16瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)選取AC-16混合料與GAC-16混合料進(jìn)行對比和配合比驗(yàn)證。

表2 集料與礦粉檢測指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)配比級配選定

依據(jù)本地區(qū)原材料的調(diào)研結(jié)果，在選擇混合料結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)集料的篩分結(jié)果，首先初選出粗、中、細(xì)3個(gè)級配(級配1、級配2、級配3)，然后根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ虒?shí)際應(yīng)用情況選擇油石比，分別制作馬歇爾試件，得出試件的體積指標(biāo)，根據(jù)體積指標(biāo)初選一組滿足或接近設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)級配。表3為各檔料篩分結(jié)果，表4為GAC-16和AC-16級配范圍，表5為3個(gè)級配的合成級配明細(xì)表，圖1為3種級配曲線圖，表6為3種試級配馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果。

GAC-16的級配上下限范圍和AC-16相比均相對減小，GAC-16C整體偏粗，特別是0.6～9.5 mm篩孔通過率的降低，間接減少了中間檔料用量。

圖1 GAC-163種合成級配圖

通過表5和圖1合成級配可以看出，GAC-16關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率控制在35%左右，2.36 mm 通過率控制在38%以下。GAC骨料中粗骨料占比例較大，有足夠的粗骨料形成骨架產(chǎn)生嵌擠力，也有足夠的細(xì)集料填充空隙，具有骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，相比于AC型有了很大的改善，對提高高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性是有利的。

由表6可以看出級配1和級配3體積指標(biāo)滿足要求，級配2體積指標(biāo)不滿足要求，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)選擇級配1為設(shè)計(jì)級配。

2.2 最佳油石比確定

GAC-16型以4.5%、4.8%、5.1% 3種油石比進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

根據(jù)對GAC-16型瀝青路面設(shè)計(jì)要求，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，并考慮瀝青混合料的高溫抗車轍性能，本次設(shè)計(jì)油石比最終取4.8%。

本文用來對比的AC-16室內(nèi)試驗(yàn)選定的級配如表8所示，得出最佳油石比為5.2%，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表3 各檔礦料篩分結(jié)果

表4 GAC-16和AC-16瀝青混合料級配范圍

表6 3種試級配馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表7 GAC-16型生產(chǎn)級配馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表8 AC-16瀝青混合料級配

表9 AC-16型選定級配馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 水穩(wěn)定性分析

本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評價(jià)混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 浸水馬歇爾試驗(yàn)

圖3 凍融劈裂試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果顯示GAC-16和AC-16殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比均滿足F40規(guī)范的要求，但GAC-16比AC-16型殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別高出1.3%和2%，經(jīng)分析GAC-16的0.6～0.075 mm篩孔通過率和AC-16的通過率比較接近，均形成了較密實(shí)的結(jié)構(gòu)。但是GAC-16有較多的粗骨料，形成了較大內(nèi)摩阻力，能有效抵抗由于溫度收縮而使混合料產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)減小了凍融循環(huán)時(shí)混合料的劈裂強(qiáng)度損失，從而提高混合料的劈裂強(qiáng)度比[1]。

(2) 高溫穩(wěn)定性分析

本文采用車轍試驗(yàn)評價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性能，試驗(yàn)條件為60±1 ℃，0.7±0.05 MPa。車轍試件動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

上述試驗(yàn)結(jié)果顯示GAC-16和AC-16動穩(wěn)定度均滿足F40規(guī)范的要求，但GAC-16的動穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AC-16，原因是通過調(diào)整級配上下限、關(guān)鍵篩孔通過率，使得GAC-16 關(guān)鍵篩孔2.36 mm(24.2%)和4.75 mm(34.5%)通過率均小于AC-16(27.6%，45.4%)，GAC-16粗集料相對于AC-16較多，有較多粗骨料相互嵌擠形成空間骨架型，骨架間隙有細(xì)集料密實(shí)填充，形成了骨架密實(shí)的結(jié)構(gòu)，具有較高的內(nèi)摩阻力和粘聚力，抵抗變形的能力也得到了增強(qiáng)，因此，GAC-16抗車轍能力優(yōu)異且相對于AC-16有顯著的提升[11]。

圖4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

(3) 低溫抗裂性分析

本文采用低溫小梁試驗(yàn)利用破壞應(yīng)變評價(jià)混合料的低溫性能，試驗(yàn)條件為-10 ℃，速率為50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示：GAC-16C和AC-16破壞應(yīng)變均滿足F40規(guī)范的要求，但GAC-16C破壞應(yīng)變比AC-16高出187.2 με，因?yàn)镚AC-16相比于AC-16有足夠多的粗集料相互嵌擠鎖結(jié)，形成了較大內(nèi)摩阻力，在一定程度上提高了抵抗收縮應(yīng)力的能量，能有效抵抗由于材料、溫度收縮而使混合料產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力[12]。

綜上所述，GAC-16具有較好的抗水損害能力、高溫抗車轍能力、低溫抗裂能力，浸水殘留穩(wěn)定度為90.1%，劈裂強(qiáng)度比81.4%，動穩(wěn)定度為10 328次/mm，破壞應(yīng)變?yōu)? 734.5 με。由于AC-16混合料細(xì)集料較多，油石比為5.2%，GAC-16油石比為4.8%。

鋪筑長100 m、寬5 m、厚4 cm道路，大概所需瀝青混合料50 t，使用GAC混合料用油比使用AC高出0.3 t左右，大概節(jié)省了1 000元。因此，使用GAC-16混合料鋪筑路面相比，用AC-16較經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)論

(1) 本文結(jié)合贛西氣候和交通特點(diǎn)，對AC型瀝青混合料改進(jìn)得到骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)GAC-16，關(guān)鍵篩孔2.36 mm和4.75 mm的通過率分別為24.2%和34.5%。

(2) GAC-16瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性，相比于AC-16型混合料均有了一定程度的提高，浸水殘留穩(wěn)定度為90.1%，劈裂強(qiáng)度比81.4%，動穩(wěn)定度為10 328次/mm，破壞應(yīng)變?yōu)? 734.5 με。

(3) 通過調(diào)整級配上下限和關(guān)鍵篩孔通過率得到的GAC-16室內(nèi)路用性能優(yōu)異，有顯著經(jīng)濟(jì)效益，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用，為今后工程提供技術(shù)參考。