加铺层花岗岩沥青混合料设计方法

加铺层花岗岩沥青混合料设计方法

陈林涛

湖南省高速公路集团有限公司

摘 要：基于旧水泥混凝土路面沥青加铺层的工作特性，分析了加铺层材料设计指导原则；采用延长水煮时间方法研究了花岗岩集料与沥青的粘附性能，并对其优劣性进行了系统评价。以花岗岩AC-13C为研究对象，采用水泥替换矿粉和掺加抗剥落剂的方法研究了花岗岩沥青混合料的材料组成及其路用性能，检验了其抗滑及渗水性能，同时实现了抗剥落剂的优选和性能评价。研究结果表明，掺加受热稳定性良好的抗剥落剂是提高花岗岩混合料路用性能的重要保证，仅通过2％水泥替换矿粉方法难以全面满足加铺层表面层花岗岩沥青混合料路用性能要求。

关键词：道路工程；路用性能；抗剥落剂；花岗岩；沥青混合料

Design method of granite asphalt mixture in overlay

PENG Yu-hua¹，LIU Hu-xin²

（1.Key Laboratory of Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, xi’an 710064，China 2.Yun-Nan Highway Engineering Supervision and Consultancy Company, Kun-Min 650021，China）

Abstract: Guiding principles of asphalt overlay materials design was analyzed based on the operational characteristic of asphalt overlay on old cement concrete pavement；Adhesion property between aggregate and asphalt was studied and evaluated systematically by extending the time of boiling．Taking granite AC-13C as subject，the material composition and road performance of granite asphalt mixture were studied through the method of replacing mineral powder with cement as well as adding anti-stripping agent；the performances of skid resistance and water permeability were also checked and the optimization as well as evaluation of anti-stripping agent were finished at the same time．The results indicate that adding the anti-stripping agent with good thermal stability is the key point of improving road performance，and the method that replace mineral powder with 2% cement cannot fully meet the need of performance of granite asphalt mixture overlay．

Keywords：road engineering，road performance，anti-stripping agent，granite，asphalt mixture

E-mail：pyh@chd.edu.cn

引 言

沥青面层是附着了沥青的集料粘结在一起的结合体，集料表面必须与沥青牢固粘结，沥青与集料的粘附性和抗剥离能力是防止路面破坏的最基本的条件之一。花岗岩石料由于其SiO₂含量较高表现出与沥青的粘附性较差，目前主要应用在公路沥青面层的中、下面层，但花岗岩石质坚硬、致密、耐磨性强，能充分发挥集料之间的嵌挤作用，具有用作路面加铺层骨料的良好特征^[1-3]。笔者针对道路加铺层表面层的使用要求，系统研究了花岗岩AC-13C材料组成及路用性能，分析了抗剥落剂对花岗岩沥青混合料路用性能的贡献能力和效果，并对抗剥落剂的自身受热稳定性进行了研究。

1 水泥混凝土路面沥青加铺层工作特性

与沥青混凝土路面表面层相比，水泥混凝土路面沥青加铺层具有下述特征：

⑴ 加铺层涉及刚性、柔性两种路面结构形式，不仅材料差异大，而且旧路面板上存在接缝、裂缝及错台、脱空等损坏现象，使得复合结构中奇异部位突出，就会在罩面层对应于旧路面板接、裂缝的位置上出现反射裂缝。反射裂缝本身对罩面层的使用性能影响不大，但环境因素的负效应(雨水、氧化)常常使裂缝迅速扩散，从而缩短罩面层的寿命。

⑵ 由结构力学分析可知，加铺层更容易产生车辙。实际上铺筑在水泥混凝土路面板上的沥青加铺层产生车辙主要原因是沥青混合料抗剪强度不足，尤其是中面层的承载能力不足。

针对水泥混凝土路面沥青加铺层的以上特征，在沥青混合料的配合比设计中应着重考虑如下路用性能以指导配合比设计。

⑴ 根据力学分析结果，中下面层是导致加铺层产生反射裂缝的不利结构层。一般来说，级配越密，混合料的强度和疲劳寿命就越大；集料越细，其在高温下的稳定性就越差。为了使加铺层沥青混合料具有优良的路用性能和较强的抗反射裂缝能力，加铺层级配应该密而不细。

⑵ 提高沥青加铺层的高温稳定性，即具有较强的抗车辙能力和抗挤压破坏能力。

⑶ 提高沥青加铺层的抗水损害能力，尤其是当自然区划属于高温潮湿区时。应采取多项措施解决水损坏问题，一是针对面层沥青混凝土的空隙率设计，一般设计空隙率应控制在3%~5%，提高结构的密水性，减少渗水量；二是采用抗水损害能力强的材料或采取抗剥离措施^[4-5]。

2 试验材料

2.1 沥青

本试验用沥青材料采用环星牌SBS改性沥青（I-D），其中基质沥青为茂名东海70号沥青，SBS改性剂来自台湾，剂量为4.5％，其主要技术指标见表1。

表1 沥青试验指标

2.2 集料与填料

粗、细集料均采用珠海产花岗岩碎石，其岩石的化学成分如表2。粗集料压碎值为12.5%，针片状含量为8.2％，吸水率为1.1％，集料磨光值PSV为50.3，大于4.75mm集料洛杉矶磨耗值为21％。填料采用广东江门鹤山大雁牌32.5R普通硅酸盐水泥，表观密度3.108t/m³。

表2 花岗岩样品的化学成分

3 粘附性试验

由于花岗岩为巨晶结构，其表面上不同点与粘附有关的性质差别很大，即有的点粘附性强而有的点粘附性弱，与沥青中酸性成分不能发生化学反应，因此与沥青的粘附性较差。为检验花岗岩粗集料表面与沥青的粘附性,室内采用水煮法检验了13.2～19mm粗集料抵抗受水浸蚀造成剥落的能力。同时，选用了AST、PA-1、MeadWestvaco三种抗剥落剂掺加入沥青进行粘附性试验，其中AST、PA-1均为胺类抗剥落剂，MeadWestvaco抗剥落剂为聚胺类。由于水煮法试验可能因主观因素导致试验结果差异不明显，以及为了更清楚鉴别抗剥落剂的抗剥离效果，试验中考察了不同水煮时间对花岗岩集料与沥青粘附性的影响，抗剥落剂用量为沥青质量的0.4%，试验结果见图1。

图1 抗剥落剂对粘附性等级的贡献

试验结果表明，花岗岩粗集料与SBS改性沥青在水煮法标准时间3min下粘附性等级达到4级，难以满足潮湿区（年降雨量>1000mm）高速、一级公路表面层技术要求；掺加三种抗剥落剂后，粘附性等级均提高到5级水平，说明抗剥落剂有效提高了沥青与集料的粘结力。随着水煮时间的延长，五种情况下的粘附性等级均呈下降趋势。抗剥落剂对集料与SBS改性沥青的粘附性改善贡献能力：MeadWestvaco＞PA-1＞AST。

为比较和评价抗剥落剂性能，试验中考察了对加入抗剥落剂后的沥青进行旋转薄膜老化后对其与花岗岩集料粘附性的影响，试验结果见图2。

图2 受热后抗剥落剂对粘附性等级的贡献

试验结果表明，针对沥青老化和抗剥落剂受热后，水煮3min后三种抗剥落剂均能使花岗岩集料与SBS改性沥青的粘附性能等级达到5级，水煮6min后MeadWestvaco、PA-1两种抗剥落剂和水煮9min后MeadWestvaco抗剥落剂能使花岗岩集料与SBS改性沥青的粘附性能等级达到5级。受热后抗剥落剂对集料与SBS改性沥青的粘附性改善贡献能力：MeadWestvaco＞PA-1＞AST，与抗剥落剂受热前的粘附性试验规律相同，说明聚胺类MeadWestvaco抗剥落剂受热稳定性好，对改善花岗岩集料与SBS改性沥青的粘附性能作用最为明显。

表3是掺加MeadWestvaco前后的改性沥青性能指标对比。

表3 掺加MeadWestvaco前后的改性沥青性能指标对比

试验结果表明，掺加MeadWestvaco抗剥落剂后，改性沥青的针入度减小，粘度增加。在进行旋转薄膜老化试验后，掺加MeadWestvaco抗剥落剂的改性沥青的质量变化很小，仅为0.3%，说明MeadWestvaco抗剥落剂的化学成分在高温下基本不分解，长期稳定性良好；试样老化后针入度比上升，表征沥青延展性的延度指标在掺加前后基本没有发生变化，说明抗剥落剂对沥青的耐老化性能几乎无影响。

水煮法试验结果主要反映沥青与集料界面上物理作用和化学作用的大小、沥青粘度及集料的粗糙度对沥青膜抗水剥离能力的综合贡献。当裹覆有沥青的花岗岩集料浸入沸水中后，沥青膜因受热软化而在集料表面产生运动，与沥青粘附性差的表面部分因沥青膜的运动而使集料裸露出来，然后水便会侵入沥青与集料的界面从而加速增大了裸露面积。此时集料表面上的沥青主要是向那些与沥青粘附性较强的点运动，在这些点上，因表面张力的作用凝聚成小球，在3min时，花岗岩集料表面上观察到的现象便是部分裸露的集料及零星分布的沥青点，但3min通常不会使大量沥青脱离集料，延长水煮时间后，聚集于强吸附点的沥青在浮力及震动力的作用下会脱离集料，漂浮到水面上表现出粘附性等级水平降低。

对于改性沥青和掺加抗剥落剂的水煮法试验，采用延长水煮时间具有如下优点：

⑴水煮时间的延长能使粘附性能的差异越来越明显，从而能更清晰鉴别不同花岗岩集料与沥青的粘附性能优劣，有利于实现材料的优选；

⑵更准确判定抗剥落剂对改善花岗岩集料与沥青的粘附性的贡献能力，对于抗剥落剂的选型具有重要意义；

⑶可在一定程度上评价抗剥落剂的受热稳定性能的优劣；

⑷试验结果更客观、直接，减小了人为判定误差对试验结果的影响。

4 混合料试验

试验依据的主要技术标准见表4。

表4 试验依据的的主要技术标准

研究选用两种改善粘附性效果较好的MeadWestvaco、PA-1抗剥落剂进行混合料对比试验，填料全部采用水泥替代矿粉，其用量为2%。由于沥青路面的水损害来源于沥青膜从集料表面的剥离，其条件是水分介入到沥青与集料界面上，改变了沥青－集料－水分的关系造成的，因此，防止或减少水分进入沥青混合料内部，在一定限度内减小设计空隙率是必要的

^[6]，本研究着眼于此目标，设计的沥青混合料混合料级配见图3。

图3 AC-13C级配设计

4.1 马歇尔试验

分别进行掺加MeadWestvaco、PA-1两种抗剥落剂的沥青混合料马歇尔试验，并与不掺加抗剥落剂进行比较，在最佳油石比4.9％下，试验结果对比见表5。

表5 沥青混合料马歇尔试验

试验结果表明，在此级配条件下，沥青混合料的空隙率约为4.3％，此值较小有利于花岗岩沥青混合料具有较好的水稳定性。在SBS改性沥青中掺加抗剥落剂与否对沥青混合料的空隙率、VMA、VFA几乎无影响，但掺加两种抗剥落剂后稳定度有较大提高，流值稍微减小。掺加PA-1的沥青混合料稳定度比不掺加提高约14％，而掺加MeadWestvaco抗剥落剂的沥青混合料稳定度比不掺加提高达39.8％，说明抗剥落剂因有效改善了花岗岩集料与沥青的粘结度而增加了抵抗外力变形的能力。

4.2 车辙试验

室内采用车辙试验结果－动稳定度来评价沥青混合料的高温稳定性。采用HYCX-1型车辙试验仪进行试验，图4为三种条件下沥青混合料车辙试验结果。

PA-1

图4 沥青混合料车辙试验

由上图可以看出，因采用水泥替换矿粉，未掺加抗剥落剂的沥青混合料动稳定度高达5204次/mm，远远高于改性沥青混合料高温稳定性技术要求，这是由于水泥粒度较细，与石灰岩矿粉相比较，等量水泥具有更大的比表面积，增加了与沥青反应的面积，同时水泥中的碱性组分含量高，活性大，对沥青吸附能力也强，与沥青能发生更强的物化作用, 形成的沥青胶浆具有较高的稠度，表现出胶浆软化点值的升高。掺加抗剥落剂后，沥青混合料的动稳定度有明显提高，在相同剂量下，掺加MeadWestvaco、PA-1的沥青混合料动稳定度分别达到7394次/mm、6398次/mm，比不掺加抗剥落剂的沥青混合料动稳定度分别提高42.1％和22.9％。

4.3 水稳性试验

沥青混合料的水稳定性指标采用浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融前后的劈裂强度比两个指标来评价，试验结果见图5。

图5 沥青混合料水稳性试验

试验结果表明，虽然水泥富含活性CaO、MgO成分，附着在集料表面后，使花岗岩集料表面呈碱性从而提高与沥青的粘附性，但不掺加抗剥落剂的沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂比分别为84％、78％，不能满足潮湿区（年降雨量>1000mm）改性沥青混合料水稳定性要求，而掺加两种抗剥落剂后沥青混合料的水稳定性有较大幅度提高，掺加0.4%MeadWestvaco、PA-1抗剥落剂的沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂比分别比不掺加提高13％和16％、8％和12％，说明在沥青中掺加抗剥落剂可以明显改善沥青混合料的抗水剥离能力。

4.4 加速老化试验

沥青与集料的粘附性逐渐丧失是造成沥青路面的水损坏主要原因。为评价掺加抗剥落剂的沥青混合料在服务年限内的水稳定性效果，室内进行了沥青混合料的长期老化试验。试验结果见表6。

表6 长期老化后沥青混合料水稳性试验

掺加抗剥落剂的沥青混合料老化前、后的水稳性试验结果比较见图6。

图6 沥青混合料老化前、后的水稳性试验

试验结果表明，掺加MeadWestvaco、PA-1两种抗剥落剂的沥青混合料老化前、后水稳性完全满足潮湿区（年降雨量>1000mm）改性沥青混合料水稳定性的技术要求，掺加MeadWestvaco抗剥落剂的沥青混合料水稳性优于掺加PA-1，其老化前（后）残留稳定度和冻融劈裂比分别比掺加PA-1的沥青混合料高出5％（3％）和4％（6％）。造成长期性能差异的主要原因在于MeadWestvaco抗剥落剂应用了较为先进的聚胺技术，其主要由高热稳定性的聚亚烷基二醇、聚胺、烷基胺等化学物质组成，聚胺和烷基胺具有高热稳定性，常用作长期稳定性好的表面活性剂；聚亚烷基二醇化学成分稳定，是一种良好的阻燃剂。这三种成分之间相互作用，保证了MeadWestvaco抗剥落剂的长期稳定性。

4.5 浸水肯塔堡飞散试验

对路面加铺层材料，往往表面构造深度较大，粗集料外露，孔隙中经常充满了水，在交通荷载的反复作用下，由于集料与沥青的粘结力不足而引起集料的脱落、掉粒、飞散，形成路面坑槽，是常见的一种严重的沥青路面破坏现象。为进一步评价花岗岩集料与改性沥青的粘结性，室内对掺加0.4％的MeadWestvaco、PA-1抗剥落剂的沥青混合料进行浸水肯塔堡飞散试验。试验结果见表7。

表7 沥青混合料浸水肯塔堡飞散试验

试验结果表明，掺加抗剥落剂后沥青混合料质量损失较小，掺加0.4％MeadWestvaco、PA-1抗剥落剂的沥青混合料飞散损失分别比不掺加抗剥落剂的沥青混合料飞散损失减小4.4％、2.9％，说明抗剥落剂有效增强了花岗岩集料与SBS改性沥青的粘结力。

4.6 抗滑及渗水试验

沥青路面的抗滑性能是一项重要的路用性能，它取决于集料自身的表面纹理结构（微观结构，用粗集料的加速磨光值PSV表述），以及混合料的级配所决定的表面构造深度（宏观结构）。摆式仪测定的BPN值是反映路面抗滑性能的综合性指标，它主要与集料的微观粗糙度有关；构造深度较大，表示车辆高速行驶时轮隙下路表水可迅速排出，减薄水膜厚度，防止水漂现象，使路面在雨天的抗滑性能衰减减小。渗水系数与空隙率有一定关系，但又是不同性质的指标，它主要是针对开空隙的，其值较小，有利于减少花岗岩沥青混合料路面水损坏的发生。室内用轮碾法成型沥青混合料试件，采用摆式仪测定混合料摩擦系数、铺砂法测定试件表面的构造深度和用路面渗水仪测定沥青混合料的渗水系数，试验结果见表8。

表8 沥青混合料抗滑及渗水试验

试验结果表明，沥青混合料表面摩擦系数BPN达60，说明花岗岩沥青混合料路面具有良好的抗滑能力；测定的构造深度值满足年平均降雨量超过1000mm地区构造深度大于0.55mm要求；渗水系数符合密级配沥青混凝土不大于120ml/min的技术要求。

5 结 语

⑴ 采用适度较小的设计空隙率并注重水稳性和车辙性能的提高与保证是加铺层表面层花岗岩沥青混合料材料组成设计的基本出发点；

⑵ 延长水煮时间方法能更准确评价集料与沥青的粘附性能，试验结果更客观，有利于实现材料优选；

⑶ 掺加MeadWestvaco和PA-1抗剥落剂对加铺层表面层花岗岩沥青混合料的马歇尔稳定度、动稳定度、水稳性均有较大提高，飞散损失减小；在相同剂量条件下，MeadWestvaco抗剥落剂改善花岗岩沥青混合料路用性能的能力优于PA-1抗剥落剂；

⑷ 延长水煮时间和沥青混合料加速老化试验表明，MeadWestvaco和PA-1抗剥落剂受热稳定性能良好

⑸ 仅通过2％水泥替换矿粉难以全面满足花岗岩沥青混合料路用性能要求，掺加抗剥落剂能明显改善花岗岩沥青混合料的路用性能；

⑹ 设计的加铺层表面层花岗岩沥青混合料抗滑性能较好，渗水性能满足技术要求。

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