細集料特性對GAC-16瀝青混合料技術性能的影響

楊 軍，唐勝剛，許新權,2

(1. 東南大學 交通學院，江蘇 南京 211189； 2. 廣東華路交通科技有限公司 道路研究所，廣東 廣州 510420)

0 引 言

GAC(GAI asphalt concrete)混合料作為一種粗級配的瀝青混合料，不同于常見的SMA、AC、OGFC等混合料。SMA混合料高、低溫性能均比較好，但瀝青用量較大；普通細級配AC混合料性能衰減較快，易出現抗滑不足、車轍等病害；OGFC混合料多用于抗滑表層，雖具有不錯的抗滑性能，但耐久性較差[1]。GAC是一種處于SMA和AC之間的混合料，它接近于骨架密實結構，各項路用性能指標也較好。目前該混合料多用于廣東地區的瀝青路面表層中，其級配范圍規定也僅存于地方標準，并未體現于國家規范中。

學界一直認為細集料對混合料的性能有較大的影響，尤其是細集料棱角性對混合料抗車轍性能的影響[2-4]。許多學者針對細集料對混合料性能影響方面展開了研究，并取得了相應成果。WU Shaopeng等[5]以加工的石灰巖砂做細集料對瀝青混合料的性能影響進行了研究，結果表明：加工后的石灰巖砂能提高混合料的動穩定度(DS)和高溫穩定性，可降低瀝青用量，且加工后的石灰巖砂質量要比天然砂更易保證，有利于施工質量的提高；CAO Weidong等[6]通過對玄武巖和石灰巖集料混合料的性能對比發現：玄武巖集料混合料有較好的抗車轍性能，但低溫抗裂性和水穩定性相對較差；SHANG Fei等[7]分析了4種不同細集料對混合料性能的影響，結果表明：細集料性能與混合料性能之間具有較好相關性，不同類型細集料對混合料的各項性能有著不同影響；E.JOHNSON等[8]對Superpave混合料中細集料棱角性指標的合理性進行了研究，結果表明：混合料抗車轍性能和動態模量與混合料的FAA(fine aggregate angularity)值密切相關，FAA指標是合理的，且目前FAA的測試方法也可滿足需求；ZHU Zhongrong等[9]分析了細集料尺寸和含量對瀝青瑪蹄脂混合料的影響，選用8種不同細集料類型和含量的瀝青瑪蹄脂混合料，在不同加載條件下進行單軸壓縮和靜態蠕變試驗，結果表明：細集料體積分數對抗壓強度有較大影響，64%為最佳體積分數，且體積分數對蠕變影響也十分顯著。還有學者采用分形理論分析了細集料對GAC-20混合料高、低溫及路用性能的影響，并建立了相關指標與混合料性能之間的預測模型[10-12]。其它一些類型的材料也可被用作細集料。例如，M.NAZARY等[13]對建筑廢料(陶瓷、大理石、紅磚)作為細集料在瀝青混合料中的應用性展開了研究，結果表明：大理石混合料的性能優于其它混合料，在25%時擁有最佳性能，陶瓷瀝青膠漿的高、低溫性能優于其它類型瀝青膠漿；SUN Yihan等[14]分析了以再生水泥混凝土骨料作為細集料對花崗巖瀝青混合料性能的影響，結果表明：以再生水泥混凝土骨料作為細集料可提高混合料的高溫性能，且水穩定性也滿足要求，但抗疲勞性能有所降低，仍優于傳統的石灰巖細集料。

學者們雖然一致認為細集料特性會對混合料路用性能有影響，但對其路用性能的貢獻和測量方法仍存在爭議[15-17]。許多指標已被用于分析細集料的特征參數，但如何根據這些指標區分集料及各指標與混合料性能之間的相關性還尚未明確。目前的研究多是針對普通AC和SMA混合料，很少分析細集料特性對GAC混合料性能的影響[18-19]。考慮現有研究的不足，筆者依托實際工程，全面分析了細集料特性對GAC混合料路用性能的影響。

1 原材料

兩種細集料分別為廣東連平石灰巖機制砂和廣東連平輝綠巖機制砂，GAC-16瀝青混合料所用粗集料為廣東連平輝綠巖，填料采用某石灰巖磨細制備的礦粉，瀝青結合料采用殼牌PG76-22 SBS改性瀝青。各原材料均滿足實際使用要求，粗、細集料技術指標試驗結果如表1、表2。

表1 粗集料技術指標試驗結果Table 1 Test results of coarse aggregate technical indicators

表2 細集料技術指標試驗結果Table 2 Test results of fine aggregate technical indicators

2 GAC-16配合比設計

為分析細集料特性對混合料性能的影響，筆者利用1種粗集料和2種細集料設計了3種GAC-16瀝青混合料，方案如表3。

這3種方案采用馬歇爾法進行設計，細集料級配如表4，混合料合成級配曲線如圖1，混合料相關力學指標如表5。

表4 細集料級配組成Table 4 Gradation composition of fine aggregates

表5 GAC-16瀝青混合料體積和力學指標Table 5 GAC-16 asphalt mixture volume and mechanical index

圖1 GAC-16瀝青混合料合成級配曲線Fig. 1 GAC-16 asphalt mixture synthesis gradation curve

3 技術性能評價

3.1 細集料特性

3.1.1 掃描電鏡試驗

掃描電鏡(SEM)作為一種用以揭示物質微觀結構的工具，現已得到廣泛應用。它能很好揭示物質表面微觀構造，為分析物質某些性質提供依據，直觀且具有較強說服力。因此，筆者采用SEM對兩種細集料表面微觀構造進行分析，研究其表面紋理構造對細集料特性影響。掃描結果如圖2。

圖2 細集料電鏡掃描結果Fig. 2 SEM results of fine aggregates

從圖2可看出：輝綠巖有著比石灰巖更為粗糙的表面構造，表面紋理更為復雜。這表明在相同的條件下，輝綠巖可依靠自身表面構造特性吸附更多的瀝青，提升其與瀝青的黏附性。

3.1.2 吸柱試驗

表面能理論可解釋集料與瀝青黏附性的關系，已被廣泛應用。為了研究兩種細集料表面能大小，更好地分析兩種細集料的吸附特性，筆者采用吸柱法對兩種細集料表面能進行評價。在常溫(20 ℃)下，煤油對集料的潤濕作用可定性模擬集料與瀝青在高溫條件(如拌合溫度)下的黏附作用[20]，故采用煤油對兩種集料的表面能進行評價。具體步驟如下：將兩根內徑7 mm，外徑10 mm的開孔細玻璃管作毛細管，用醫用脫脂棉堵住底部開口，用天平稱量3 g兩種細集料，分別裝于玻璃管中；在玻璃管側面輕輕敲擊20次，以達到相同的密實度；之后將玻璃管置于煤油之上，底部脫脂棉浸入煤油中；待煤油上升到細集料處開始計時，分別記錄10、30、60、90、120、150、180、210、240 s時的上升高度。試驗結果如圖3。

圖3 吸柱高度隨時間的變化規律Fig. 3 Variation law of suction column height changing with time

由圖3可看出：相比于石灰巖，煤油在輝綠巖細集料中的上升速度更快，到達穩定高度所需時間更短，且所能達到的穩定高度也較高。這表明輝綠巖擁有比石灰巖更大的表面自由能，在相同條件下，輝綠巖能更好的吸附瀝青，與瀝青黏附性更好。

3.1.3 水煮試驗

鑒于浸水車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗用于檢驗細集料黏附性較為困難，也無法說明問題；而溶劑洗脫法相對比較復雜，操作難度較大；故筆者用改進后的傳統水煮法對細集料與瀝青的黏附性進行評價[21-22]。

水煮試驗具體步驟為：將兩種細集料(1.18～2.36 mm)進行清洗，清除表面灰塵后烘干、晾涼備用；各自稱取100 g放入盤中，置于120 ℃烘箱內1.5 h；將細網篩置于天平上，分別量取30 g細集料，取下網篩輕輕篩動，并清除天平表面灰塵，接著稱量，分量不足30 g則補足分量，如此反復幾次，直至篩動前后稱量質量無變化；將網篩浸入加熱的瀝青中，待瀝青完全浸潤集料開始計時，浸潤10 min，確保集料充分吸附瀝青后取出；浸潤瀝青后的集料放置于160 ℃的烘箱中加熱6 h，使瀝青自由流淌，直至無瀝青向下躺滴為止；將兩種細集料取出，進行稱重并采用三氯乙烯回收細網篩上的集料，對細網篩上殘余的集料進行稱重，得到實際吸附瀝青的細集料的量并據此計算出單位質量細集料的瀝青吸附率；分別稱取20 g吸附瀝青的細集料在水中煮沸10 min，試驗中油膜由水面撈出，之后取出細集料，放入烘箱中烘干，稱重，損失質量與原本質量(20 g)的比值即為瀝青剝落率。水煮試驗結果如表6。

表6 水煮試驗結果Table 6 Boiling test results

從表6可看出：輝綠巖細集料瀝青吸附率要大于石灰巖，考慮是由于輝綠巖有著比石灰巖更大的表面自由能和表面粗糙度，從而可更好地吸附瀝青，這與前述試驗結論一致；水煮試驗結果則相反，輝綠巖集料水煮后的瀝青剝落率大于石灰巖，與以往兩種巖石粗集料水煮試驗評價結果一致。這是由于輝綠巖雖可依靠自身較大的表面自由能和粗糙度更好的吸附瀝青，但其堿性低，與瀝青中酸性成分的中和反應較差，因此在有水環境下，黏附瀝青更易被水分子取代，有更高的剝落率[23]。

3.2 高溫抗車轍性能

根據文獻[24]要求，筆者采用室內車轍試驗對設計的3種GAC-16瀝青混合料進行高溫抗車轍性能評價，試驗在60、70 ℃條件下進行，如表7。

表7 GAC-16瀝青混合料車轍試驗結果Table 7 Rutting test results of GAC-16 asphalt mixture

從表7可看出：兩種溫度條件下的動穩定度，2#均優于1#、 3#，這3者之間的關系為2#>3#>1#。這表明采用輝綠巖細集料制備的GAC-16混合料的高溫抗車轍性能要優于石灰巖細集料制備的混合料。依據表面能理論，瀝青與集料之間的黏結過程實際是瀝青對礦料的浸潤過程，在浸潤過程中，瀝青與集料表面會產生能量交換，系統表面能降低，這種交換作用就是材料間黏附性來源[25-26]。根據細集料特性試驗結果，輝綠巖擁有比石灰巖更大的表面自由能和表面粗糙度，因此可更好地吸附瀝青；其次高溫下更多瀝青從高彈態向黏流態轉變，結構瀝青層減薄，瀝青與集料之間的黏結作用大幅降低，此時集料強度對高溫抗車轍性能影響更大；輝綠巖有著比石灰巖更高的密度和強度，因此制備的混合料高溫抗車轍性能更好[26]。3#的各項性能均優于1#，這是因為其較粗的級配能更好的形成部分骨架結構，使得抗車轍性能更優。

由表7還可看出： 2#具有比1#、3#更高的動穩定度(DS)衰減率。這表明采用輝綠巖制備的GAC-16混合料在高溫條件下對溫度變化更為敏感。考慮水煮試驗中本身也存在著溫度對細集料與瀝青黏附性影響，因此綜合水煮試驗與高溫車轍試驗結果，初步認為輝綠巖細集料與瀝青的黏附性受溫度變化影響較大，從而導致其制備的混合料在高溫條件下對溫度變化更為敏感。

3.3 低溫抗裂性能

筆者采用-10 ℃條件下彎曲小梁試驗評價GAC-16瀝青混合料低溫抗裂性能。成型的標準尺寸小梁試件通過萬能試驗機進行跨中單點加載，加載速率50 mm/min，試驗結果如表8。

表8 GAC-16瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結果Table 8 GAC-16 asphalt mixture trabecular bending test results atlow temperature

由表8可知：2#有著比1#、3#更高的抗彎拉強度和抗彎模量，但相應的極限彎拉應變也更小，抗彎拉強度和抗彎模量為2#>3#>1#，極限拉應變則為1#>3#>2#。這表明：采用輝綠巖細集料制備的GAC-16混合料相比與石灰巖擁有更低的低溫抗裂性能。瀝青混合料在低溫下的抗裂性能取決于集料-瀝青的黏附性及瀝青自身特性。而細集料特性研究表明：輝綠巖與石灰巖相比，具有更大的表面自由能和粗糙度，能更好的黏附瀝青。所以在相同的應變條件下，瀝青結合料中產生的彎曲拉應力更大，因此更易被拉裂，低溫抗裂性能更差。1#中混合料的低溫抗裂性優于3#，這是因為3#中粗集料含量較多，集料之間嵌擠力及粗集料與瀝青之間的黏附力較高所導致，從而使得3#的低溫抗裂性較差。

3.4 水穩定性能

水對瀝青混合料的影響可分為兩方面。① 在浸水后的瀝青混合料中，瀝青由高彈態變為玻璃態時，溫度會降低，即瀝青更易變脆，在荷載作用下瀝青與集料間的黏結界面更易開裂造成損壞[26-27]；② 水分進入到瀝青混合料空隙中，會在車輛荷載作用下形成動水壓力，動水壓力在反復的車輛荷載作用下不斷產生和消散，從而引起混合料破壞[28]。

常用的評價瀝青混合料水穩定性方法是浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，但這兩種方法均存在一定缺陷，對水穩定性的檢驗更偏向于混合料自身在浸水條件的性能變化，不能很好地反映車輛在行駛過程中動水壓力對混合料的破壞作用[29]。浸水飛散試驗通過浸水模擬瀝青老化，以反復機械沖擊磕碰打磨考察瀝青混合料的礦料嵌擠能力、瀝青老化后的黏結能力、抗剝離能力，用于檢驗瀝青用量或黏結能力不足造成路面集料脫落和散失的程度，能最大程度的模擬瀝青混合料水損害過程，與實際路用條件下瀝青混合料的水損害過程有更好的相關性。

考慮到目前工程實際中多是以浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗檢驗混合料的水穩定性，筆者同時采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和浸水飛散試驗來綜合評價GAC-16瀝青混合料水穩定性能，試驗結果如表9。

表9 GAC-16瀝青混合料水穩定性能試驗結果Table 9 GAC-16 asphalt mixture water stability performancetest results

由表9可知：3種GAC-16瀝青混合料在的不同評價方法下，表現出抗水損害能力具有一定差異。在浸水馬歇爾試驗下，采用石灰巖細集料的1#、3#水穩定性較好；采用凍融劈裂試驗時，采用輝綠巖細集料的2#表現最優。浸水飛散損失試驗結果顯示：浸水飛散損失為3#最大。考慮到試驗方法和試驗誤差等因素，總體上認為3種GAC-16瀝青混合料的水穩定性能相當；結合水煮試驗結果進行分析，認為混合料水穩定性基本不受細集料影響。

3.5 疲勞性能

筆者采用四點彎曲疲勞試驗對3種GAC-16瀝青混合料進行疲勞性能評價。試驗采用控制應變模式(500 με)，通過UTM-130試驗機進行彎曲疲勞加載，試驗溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，當所測試件模量下降至初始勁度模量的50%時結束加載。試驗結果如圖4。

圖4 GAC-16瀝青混合料疲勞壽命對比Fig. 4 Comparison of fatigue life of GAC-16 asphalt mixture

由圖4可知：采用輝綠巖細集料的2#的瀝青混合料疲勞壽命要低于1#、3#；從疲勞破壞試件來看，2#的瀝青混合料試件表面密實程度較差。根據細集料特性試驗結果，輝綠巖細集料表面自由能較大，能更好的黏結瀝青，并且自身擁有較高的表面粗糙度和更大的強度，從而使得在相同的壓實功下，瀝青混合料不易壓實，會導致輝綠巖細集料制備的瀝青混合料疲勞壽命較低[25]。對比表4中最佳油石比下的3種GAC-16瀝青混合料的馬歇爾試驗結果，初步認為混合料疲勞壽命指標隨著空隙率增大而降低，但鑒于本次試驗數據有限，細集料特性對混合料疲勞性能的影響仍待進一步分析。

3.6 動態特性

3.6.1 動態模量試驗

根據文獻[30]規定，將瀝青混合料動態模量作為瀝青路面結構分析與設計的重要參數。為獲取準確的計算參數以便更好地指導瀝青路面設計，筆者對采用不同細集料方案成型的GAC-16瀝青混合料進行了動態模量試驗研究。

瀝青混合料作為黏彈性材料，其動態模量受到溫度和加載頻率影響。為研究加載頻率對不同細集料制備的GAC-16瀝青混合料動態模量的影響程度及規律，選用0.1、0.5、1、5、10、25Hz這6種加載頻率分別對3種GAC-16瀝青混合料進行動態模量試驗。試驗溫度為20 ℃，采用動態伺服液壓試驗系統(UTM)，以控制應變方式(85～115 με)對標準試件進行正弦波加載，如圖5。

圖5 不同加載頻率下GAC-16動態模量變化規律(20 ℃)Fig. 5 Variation law of dynamic modulus of GAC-16 under differentloading frequencies

由圖5可知：3種不同的GAC-16瀝青混合料動態模量隨加載頻率的升高而增大，當加載頻率從1 Hz提升到5 Hz時，3種GAC-16瀝青混合料動態模量增長幅度最大。不同的加載頻率，1#制備的GAC-16瀝青混合料動態模量始終最大，2#次之，3#最小。這在一定程度表明，GAC-16瀝青混合料動態模量與混合料級配、細集料類型等有關，但受限于試驗數量和水平，細集料特性對動態模量的具體影響規律暫不明確。

3.6.2 動態模量主曲線分析

瀝青混合料作為典型的黏彈性材料，受溫度和荷載作用時間影響顯著。建立瀝青混合料的動態模量主曲線，可以在進行有限試驗基礎上預測材料在更寬溫度和時間范圍內的力學性質。為了更好的分析細集料對瀝青混合料動態特性的影響，筆者根據動態模量試驗結果擬合了3種混合料的動態模量。

根據時間-溫度等效原理，在不同溫度、不同頻率下實測的瀝青混合料動態模量通過非線性最小二乘法擬合形成西格摩德(Sigmoidal)函數建立瀝青混合料動態模量主曲線，如式(1)。

(1)

式中：E*為動態模量，MPa；fr為加載頻率，Hz；α、β、γ、δ分別為回歸系數。

不同溫度條件下瀝青混合料的動態模量，可通過時間-溫度轉化因子α(T)所得。α(T)代表了不同溫度下動態模量主曲線移到參考溫度下主曲線的平移距離，由非線性擬合確定。式(1)中加載頻率與荷載作用時間的關系如式(2)。將式(2)代入式(1)可得到試驗溫度為T時的不同加載頻率動態模量。

(2)

式中：f為試驗溫度的加載頻率，Hz；T為試驗溫度，℃。

3種GAC-16瀝青混合料動態模量主曲線參照20 ℃時的動態模量并結合非線性最小二乘法擬合構建，主曲線擬合結果及位移因子如表10，3種GAC-16瀝青混合料動態模量主曲線如圖6。

圖6 GAC-16瀝青混合料動態模量主曲線Fig. 6 Dynamic modulus master curve of GAC-16 asphalt mixture

表10 GAC-16瀝青混合料Sigmoidal 函數擬合結果及位移系數Table 10 Sigmoidal function fitting results and displacement coefficients of GAC-16 asphalt mixture

由圖6可知：隨著縮減頻率降低，3種GAC-16瀝青混合料動態模量差異愈發明顯，在低頻(對應高溫)條件下，3種GAC-16混合料抗變形能力差別最大。對比2#、3#，無論縮減頻率高低，摻入輝綠巖細集料的GAC-16瀝青混合料抗變形能力較好；對比1#和2#，在縮減頻率中等或較高時，混合料動態模量相當，但在低頻(高溫)作用下時，摻入輝綠巖細集料的GAC-16瀝青混合料抗變形能力出現明顯的衰減。說明在高溫條件下，采用輝綠巖細集料的GAC-16混合料對溫度變化更敏感，這與高溫車轍試驗結果一致。

綜合水煮試驗、車轍試驗和動態模量試驗結果來看，初步認為輝綠巖細集料與瀝青的黏附性受溫度變化影響較大，且導致制備的混合料在高溫下對溫度變化的敏感性較高。

4 結 論

筆者通過掃描電鏡、吸柱試驗和水煮試驗分析了石灰巖、輝綠巖兩種細集料自身的特性；利用輝綠巖粗集料與兩種細集料設計了3種不同的GAC-16瀝青混合料；并對其高低溫性能、疲勞性能、水穩定性和動態特性進行了評價，得出如下結論：

1)兩種細集料特性試驗結果表明：輝綠巖細集料有著更高的表面粗糙度和表面自由能，但抗水煮剝落性差。

2)高溫車轍試驗結果顯示：采用輝綠巖細集料制備的GAC-16混合料有著比石灰巖細集料制備的混合料更高的動穩定度和衰減率，這表明輝綠巖細集料制備的GAC-16混合料具有更好的高溫抗車轍性能，但相應對溫度變化的敏感性也較高。

3)疲勞性能和低溫抗裂性能試驗結果表明：采用輝綠巖細集料制備的GAC-16混合料擁有比采用石灰巖細集料的混合料更低的疲勞壽命和低溫抗裂性。對比3種混合料馬歇爾試驗結果，初步認為疲勞壽命隨著空隙率增大而降低，但受限于疲勞試驗數量和試驗水平，疲勞性能仍待進一步評價。

4)3種GAC-16混合料在不同水穩定性評價方法下表現出不同差異，綜合考慮試驗方法和試驗誤差等因素及水煮試驗結果，認為3種混合料水穩定性基本不受細集料影響，水穩定性能相當。

5)從動態模量試驗結果來看：細集料對GAC-16混合料動態模量具有一定影響。在低頻(高溫)條件下，摻入輝綠巖細集料的GAC-16瀝青混合料抗變形能力出現明顯的衰減，表明其在高溫下具有較高的溫度變化敏感性，這與室內車轍試驗結果一致。