粵北地區環境條件下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.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.交科院科技集團有限公司，北京 100013）

0 引言

粵北地區的氣候特點是雨季持續時間長、降雨量大，夏季高溫持續時間長、極端高溫頻繁、晝夜溫差小，冬季偶有負溫現象，因而高速公路瀝青路面常產生水損害、路面車轍、擁包、泛油、表面抗滑性能喪失和溫度裂縫等病害。針對粵北地區的特殊氣候條件，為了減少瀝青路面病害和提高高速公路瀝青路面質量，有必要根據瀝青混凝土的特點，開展瀝青路面不同結構層瀝青混凝土使用性能及其適用性研究。

針對如何提高瀝青混凝土使用性能等問題，沙慶林[1]通過試驗研究發現多碎石瀝青混凝土（Stone Asphalt Concrete,SAC）具有較好的使用性能。梁錫三[2]通過總結廣東地區的工程實踐和試驗研究，得出改進型瀝青混凝土（Graded As?phalt Concrete,GAC）具有較好的使用性能。對于SAC 和GAC，國外未見工程應用和研究，國內一些相關研究包括：劉朝暉等[3]對SAC 的2 種級配（SAC-25,SAC-20）、3 種瀝青結合料（A-70,A-30,SBS改性瀝青）的高溫性能和單軸貫入剪切試驗、低溫性能、水穩性能等進行了比較試驗研究，發現SAC-25,SAC-20 均具有良好的路用性能（尤其是高溫穩定性），適用于瀝青路面中下面層；李文深[4]、彭波等[5]系統分析了SAC 和密級配瀝青混凝土的路用性能，認為SAC 的水穩定性、高溫穩定性、摩擦系數和構造深度等方面優于密級配瀝青混凝土；趙偉等[6]通過Xray CT 技術和圖像處理技術分析AC-13C,SMA-13,SAC-13和AR-AC-13S等4種級配的瀝青混凝土內部結構的空隙分布等細觀特征參數，認為SAC-13 在內部空隙特征方面表現良好；馮浩等[7]分析斷級配瀝青混凝土與GAC 的適用性，發現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；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 在高溫穩定性、水穩定性等方面相比AC-16C 具有一定的優勢。以上研究表明：SAC與GAC 相比其他級配瀝青混凝土均具有較好的使用性能。

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

1 原材料試驗

1.1 集料試驗

本研究中，集料采用粵北地區石灰巖，填料采用石灰巖礦粉。對原材料進行物理性能試驗[10]，結果如表1和表2所示。

表1 集料相對密度和含水量試驗結果

表2 面層粗集料試驗指標和技術要求

由表2 可知，石料的相對密度、吸水率、壓碎值、洛杉磯磨耗值、堅固性、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規范》（JTG F40—2004）[11]要求。

1.2 瀝青結合料試驗

結合粵北地區的氣候條件和工程經驗，選用改性瀝青SBS（I-D）作為瀝青路面上、下面層結合料，各技術指標試驗結果見表3。

表3 SBS改性瀝青結合料技術指標

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

2 配合比設計

基于國內尤其廣東地區的道路施工經驗，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SAC-16,SAC-20,GAC-16C和GAC-20C的室內試驗[12]，對比研究SAC 與GAC 的路用性能。

2.1 級配設計

本文采用SAC 級配設計法[1,12]進行SAC-16 和SAC-20 級配設計。粗、細集料級配設計計算公式分別見式（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。

SAC-16 和SAC-20 的級配設計結果見表4和圖1。參考以往的工程技術經驗，經試驗獲得GAC-16C 和GAC-20C 的級配設計結果，同見表4和圖1。

表4 級配設計結果

圖1 級配曲線

貝雷法[13]采用粗集料比（Coarse Aggregate Ra?tio,CA Ratio）、細集料粗比（Coarse Portion of Fine Aggregate,FAC）和細集料細比(Fine Portion of Fine Aggregate,FAF)3 項指標進行級配評價，該方法可使設計級配形成穩定的骨架結構并具有合適的礦料間隙率。本文采用貝雷法對以上4 種級配設計結果進行評價，結果見表5。

表5 基于貝雷法的各混合料級配評價結果

由圖1 可知，4 條級配曲線都接近于S 形。從表5 所示評價結果可知，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狀態，抗車轍能力強；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，又容易被壓實的特性。

2.2 配合比

根據以上4 種級配設計結果，本研究采用馬歇爾法進行瀝青混凝土配合比設計。試驗得出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體積指標和力學指標見表6。

表6 4種瀝青混凝土在最佳油石比下的馬歇爾試驗結果

3 路用性能試驗

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，本研究基于水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性、抗滑性和抗滲水性5項技術指標，對瀝青混凝土各項性能展開全面分析[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 水穩定性

對于GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20這4 種瀝青混凝土的水穩定性，選取殘留穩定度和殘留強度比這兩個技術指標進行評價。采用馬歇爾試驗儀雙面分別擊實75次制成兩組試件，一組試件用于常規馬歇爾試驗（60℃，浸水30min），獲得馬歇爾穩定度；另一組試件用于測定試件的浸水馬歇爾穩定度（60℃，浸水48h），以殘留穩定度為檢驗指標，評價瀝青混凝土的穩定性，試驗結果如表7所示。

表7 瀝青混凝土浸水馬歇爾試驗結果

從表7 可知，GAC-16C 的殘留穩定度比SAC-16 的殘留穩定度高出約6%；GAC-20C 的殘留穩定度比SAC-20 的殘留穩定度高出約0.9%。這說明以殘留穩定度為評價指標時，GAC 的抗水損害性能略優。

采用馬歇爾試驗儀雙面分別擊實50次制成馬歇爾試件各兩組，一組試件在25℃恒溫水箱中浸水養護2h后用于劈裂試驗，以獲取該組瀝青混凝土的劈裂強度；另一組試件在-18℃下依次經過16h 冷凍養護、60℃下24h 水浴養護和25℃下2h水浴養護后進行劈裂試驗，獲取該組瀝青混凝土的劈裂強度。試驗結果見表8。

表8 瀝青混凝土凍融劈裂試驗結果

從表8 可知，GAC-16C 的殘留強度比SAC-16 略大0.07%；GAC-20C 的殘留強度比SAC-20大5.8%；無論是否經過凍融損害，GAC比SAC的劈裂強度均略大。這表明以殘留強度比為評價指標時，GAC-16C與SAC-16的抗水損害性能相當，GAC-20C比SAC的抗水損害性能略優。

3.2 高溫穩定性

為了解GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20 的高溫穩定性，分別碾壓成型300mm×300mm×500mm 車轍板試件各1 組，在60℃和0.7MPa 條件下進行車轍試驗。以動穩定度作為評價指標，得到以上4 種瀝青混凝土的高溫穩定性評價結果（見表9）。

表9 瀝青混凝土高溫穩定性試驗結果

從表9 可知，GAC-16C,GAC-20C,SAC-16和SAC-20 的動穩定度遠大于規范要求，均具有較好的高溫穩定性能；GAC-16C 的動穩定度較SAC-16 高出約5.5%；SAC-20 的動穩定度較GAC-20C高出約12.3%。

3.3 低溫抗裂性

粵北地區夏季高溫多雨，冬季負溫最低可達-3℃。雖然低溫時間持續不長，但也會導致瀝青路面產生溫度裂縫。為此，本研究對4 種瀝青混凝土GAC-16C,GAC-20C,SAC-16 和SAC-20進行低溫性能檢測，探究在-10℃下瀝青混凝土的低溫變形能力和溫度敏感性，試驗結果見表10。

表10 瀝青混凝土低溫性能試驗結果

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 的最大彎拉應變高出約7%，GAC-20C 比SAC-20的最大彎拉應變高出約4.5%。由此可見，GAC在低溫條件下的變形能力優于SAC。

3.4 抗滑性能

瀝青路面表面層應具有足夠的抗滑性，以確保使用安全。本研究選擇構造深度指標，評價瀝青路面表面層材料GAC-16C 和SAC-16 的抗滑性。針對兩種瀝青混凝土，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造深度，試驗結果見表11。

表11 瀝青混凝土表面構造深度試驗結果

由表11 所示結果可知，GAC-16C 和SAC-16的表面構造深度均遠大于技術要求值，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 的表面構造深度，發現二者抗滑性能相當。

3.5 抗滲水性

雨水會通過表面層瀝青混凝土空隙逐步滲透至結構層內部，引起路面結構層內部水損害。因此，瀝青混凝土必須達到密實狀態，以防水分進入路面結構內部。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，結果如表12 所示。通過試驗數據分析可知，GAC-16C的滲水系數小于規范值，SAC-16不滲水。

表12 瀝青混凝土滲水試驗結果

4 路用性能綜合評價

對比分析GAC和SAC的試驗結果，發現；

（1）抗滲水性；GAC-16C 和SAC-16 的滲水系數很小或幾乎不滲水，抗滲水性相差不大；

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

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

（4）低溫抗裂性：GAC的低溫抗裂性優于SAC；

（5）抗水損害性：以殘留穩定度為評價指標，GAC 的抗水損害性能略優于SAC；以殘留強度比為評價指標，GAC-16C 與SAC-16 的抗水損害性能相當，GAC-20C 的抗水損害性能略優于SAC瀝青混凝土。

（6）經濟性：GAC-16C 相對SAC-16，GAC-20C 相對SAC-20 的油石比均降低約2%。GAC 的造價相對SAC 略低，但仍需結合路面長期性能全面考量路面全生命周期的經濟性。

5 結論

本文通過工程實地調研，結合粵北地區的氣候特點及高速公路路面各結構層功能需求，基于試驗分析了當地原材料及SAC 和GAC 的各項性能，并對適用于路面各結構層的瀝青混凝土類型進行了比選，得出如下結論；

（1）原材料均滿足試驗要求，適用本地區高速公路建設。

（2）由貝雷法對SAC 和GAC 的級配設計評價結果可知，SAC 和GAC 都可以達到既不離析，也易壓實的效果；4條級配曲線都接近于S形。

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

對于瀝青混凝土的使用性能優劣的評價，不僅需要通過室內試驗分析，更需要通過工程實踐驗證。鑒于不同結構層瀝青混凝土對高速公路瀝青路面使用品質影響的試驗觀測周期較長，本文未開展瀝青混凝土的長期性能研究。今后有必要結合瀝青混凝土的經濟性，進一步研究不同結構層瀝青混凝土全壽命周期內的使用性能。