高温多雨气候条件下花岗岩沥青混合料设计与耐久性分析

■资西阳 刘振清 张文涛

（1.海南省交通工程建设局，海口 570208；2.北京新路纵横交通科技有限公司，北京 100010；3.山东省交通规划设计院，济南 250031）

由于花岗岩中二氧化硅含量较高，与沥青的粘附性能相比玄武岩、石灰岩等石料较差，海南省适用于沥青路面的碱性石料优质资源短缺，将花岗岩碎石用于沥青路面的问题亟待解决。 海南省光照强，夏季路面最高温度超过70℃，年平均降雨量达1600 mm 以上，属典型高温多雨气候条件。 这种气候条件对沥青路面路用性能特别是高温稳定性、抗水损害和耐久性能提出了更高要求。 因此，选用花岗岩酸性石料作为沥青混合料的矿料组成，需要进行科学可靠的沥青混合料配合比设计，验证沥青混合料路用性能与耐久性，保证沥青下面层铺筑质量和预期使用寿命。

1 工程概况

国道G360 公路临高段是海南在建重点公路项目， 该路段总长25.642 km， 起讫点桩号为K96+400～K122+157.533。 路 面 结 构 设 计 为SBS 改 性SMA-13 上面层4 cm+SBS 改性AC-20C 中面层6 cm+AC-25C 下面层8 cm， 基层采用2 层20 cm水泥稳定级配碎石， 底基层采用20 cm 级配碎石，粘层采用SBS 改性乳化沥青（PCR），封层采用SBS改性沥青+碎石， 透层为高渗透性阳离子乳化沥青（PC-2）。其中AC-25C 下面层采用泰普克A 级50#基质沥青，粗集料选用花岗岩酸性石料，细集料和矿粉选用石灰岩。

2 原材料试验检测

2.1 沥青性能检验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[1]对泰普克A 级50#基质沥青各项指标进行试验，老化前后三大指标均符合要求，135℃布氏旋转黏度为0.770，175℃布氏旋转黏度为0.137， 动力黏度（60℃）为446.3 Pa·s，各项指标均符合规范要求。

2.2 粗集料指标试验

本工程选用的粗集料为优质花岗岩，按照规程检测其表观相对密度为2.649，毛体积相对密度为2.686，吸水率为0.53，均达到技术要求；0.075 mm以下粉尘含量为0.3，满足≤1 的要求，证明石料较为干净；压碎值为13.2，表明石料强度达标。

2.3 细集料指标试验

本工程选用的细集料为由石灰岩磨制成的机制砂，按照规程检测表观相对密度为2.771，砂当量为78.5，表明细集料含砂量较高，较为洁净；0.075 mm以下粉尘含量为5.5，符合规范设计要求。

2.4 矿粉和水泥指标试验

矿粉由石灰岩磨制而成，无团料，无结块，较为洁净且没有杂质。 按照相关技术规范检测，得到其表观相对密度为2.852，矿粉亲水系数为0.5，矿粉塑性指数为3.7，在矿粉加热安定试验中，观察其颜色在加热后无明显变化，各项指标均达到技术要求。采用水泥替代部分矿粉，以提高花岗岩沥青混合料抗剥落性。

3 花岗岩沥青混合料配合比设计

3.1 矿料级配组成设计

根据《公路沥青路面施工技术规范》[2]，通过马歇尔设计方法对矿料级配进行组成设计，得到2 种设计掺配比例的合成级配，如表1、图1 所示。

表1 矿料掺配比例

图1 合成级配图

通过级配曲线图可看出， 合成级配B 的4.75 mm 以下筛孔尺寸的细料通过百分率高于合成级配A； 在4.75～19.0 mm 筛孔尺寸范围内，B 曲线相比A 曲线更加贴近级配下限，表明级配B 的细集料占比高于级配A，并减小了巨型骨料占比以增加粗骨料占比。 由于花岗岩碎石呈酸性，与沥青粘附性较差，提高碱性石灰岩细集料占比，减小花岗岩巨型骨料占比，有助于增强花岗岩沥青混合料中沥青与石料的粘性。同时，级配B 提高了水泥掺量，水泥作为传统抗剥落剂再次增强了沥青与石料的粘性[3]。 考虑到沥青混合料下面层要承受上、中面层传递下来的荷载应力，将粗骨料用量比例调大可以增强下面层的承受荷载的能力。 因此，确定以级配B作为沥青下面层的合成级配。

3.2 最佳油石比的确定

根据合成级配以及相关工程经验，以0.3%为一个梯度，初步拟定油石比3.6%、3.9%、4.2%，分别制作马歇尔击实试件进行试验，并得到结果如表2 所示。

表2 不同油石比马歇尔试件试验结果

沥青混合料马歇尔稳定度表征试件的最大破坏荷载，稳定度越大，试件承受荷载能力越强；流值表征试件在最大破坏荷载时的垂直变形， 流值越小，试件越不易变形。 试验结果表明，当油石比为3.9%时， 马歇尔试件的稳定度较3.6%油石比的试件大，流值比4.2%油石比的马歇尔试件小，且其他技术指标均符合设计规范要求，因此选择3.9%作为最佳油石比。

4 花岗岩沥青混合料路用性能

4.1 沥青混合料高温稳定性

沥青混合料高温稳定性的强弱可以用抗车辙能力表征，因此采用车辙试验验证沥青混合料的高温性能。依据规程进行车辙试验，动稳定度越大，抗车辙能力越强，得出沥青混合料动稳定度为3768 次/mm，满足≥2000 次/mm 海南省技术要求。

4.2 沥青混合料水稳定性

沥青路面的早期病害大多数都是水损害，在交通荷载和雨水冲击的双重作用下，水分在混合料内部流动，会破坏沥青与集料的黏附性能，使得沥青路面更易剥落松散。 因此采用马歇尔击实试件进行浸水马歇尔和冻融劈裂试验，验证沥青混合料水稳定性[4]。 得到其残留马歇尔稳定度为93.0%，满足≥85%海南省技术要求；其冻融劈裂强度比为91.7%，满足≥80%海南省技术要求，表明该沥青混合料抗水损坏能力优异。

4.3 水损坏敏感性试验

水损坏敏感性试验（MIST） 主要用于研究在高温、动水压力冲刷条件下沥青混合料抗水损坏耐久性能衰减规律，即花岗岩酸性石料沥青混合料铺筑路面渗入水后，沥青面层在高温、动水压力冲刷条件下受到交通荷载反复加载而产生沥青与酸性石料剥落及耐久性降低情况。该试验可选择不同的试验温度与动水压力，能准确测试和评价花岗岩酸性石料沥青混合料对温度、湿度与动水压力的敏感性，试验仪器如图2 所示。通过向沥青混合料马歇尔击实试件中注水与抽水，在设定温度条件下向试样施加一定的荷载与动水压力，模拟车辆荷载通过轮胎作用在潮湿路面的水损坏状况，试验结果如图3、表3 所示。

图2 MIST 水损坏敏感性测试仪

图3 抗水损坏敏感性试验

表3 抗水损坏敏感性试验结果

由图3 和表3 可知，针对不同掺量抗剥落剂与2%水泥的抗水损坏能力提升组合方案， 在水损坏敏感性试验规定的3500 次荷载与动水压力循环作用后，不同组合方案的马歇尔击实试件均完好且无明显松散，试验前后劈裂强度比值超过90%，即花岗岩酸性石料沥青混合料在高温、动水压力冲刷条件下劈裂强度无明显下降，表明采用不同掺量抗剥落剂与2%水泥组合方案的花岗岩酸性石料沥青混合料具有良好的抗水损坏耐久性能，得到抗剥落剂合适掺量为0.4%和水泥合适掺量为2.0%。

5 花岗岩沥青混合料耐久性

花岗岩酸性石料沥青混合料高温抗车辙能力与抗水损耐久性能是应用的关键技术问题，根据花岗岩酸性石料沥青混合料设计、路用性能与水损坏敏感性试验验证结果，在国道G360 公路临高段进行试验路铺筑，严格按照配合比设计拌制花岗岩酸性石料沥青混合料，拌合机械设备采用马莲尼4000 型拌合机，沥青混合料拌合石料温度在170℃～185℃，50#基质沥青温度在140℃～150℃，以防止50# 基质沥青老化。 沥青混合料摊铺时要将螺旋布料器埋入混合料2/3 处， 并保持整个布料器里混合料高度整体一致，避免沥青混合料摊铺离析，不够密实。碾压时严格执行施工工艺流程， 保证路面压实度达标。

5.1 汉堡浸水车辙试验分析

为了研究不同掺量抗剥落剂与2%水泥的花岗岩酸性石料沥青混合料高温抗车辙能力与抗水损耐久性能，同时验证花岗岩酸性石料沥青混合料在试验路的高温抗车辙能力与抗水损耐久性能[5]，一是采用旋转压实仪室内成型试件进行汉堡浸水车辙试验；二是试验路铺筑完成后，采用现场取样进行汉堡浸水车辙试验，在试验路现场选取4 个断面（组），每个断面（组）钻取2 个芯样，共计现场取芯数量为8 个，每个断面2 个芯样作为1 组试验进行汉堡浸水车辙试验， 模拟通车后沥青路面在高温、多雨与重载交通作用下的高温抗车辙能力与抗水损耐久性能，如图4 所示。

图4 汉堡车辙试验机中的试件安装与浸水车辙试验

试验采用的汉堡车辙试验机自带软件能自动生成相关试验数据表格，并对汉堡浸水车辙试验过程中的实时温度、各轮迹点的实时变形深度等试验数据进行采集与分析处理。 针对不同掺量抗剥落剂与2%水泥的花岗岩酸性石料沥青混合料室内成型试件进行汉堡浸水车辙试验，其结果如图5 所示，对试验路现场芯样进行汉堡车辙试验， 其结果如图6 所示。

图5 室内成型试件进行汉堡浸水车辙试验曲线比较

图6 现场芯样在20000 次轮载作用后沿轮迹线变形深度比较

分析图5 可以得到， 不同掺量抗剥落剂与2%水泥的花岗岩酸性石料沥青混合料室内成型试件，随着抗剥落剂掺量的增加，其高温抗车辙能力与抗水损耐久性能不断增强，高温最大抗车辙深度逐渐降低，抗水损耐久性剥落折点增大，抗水损耐久性剥落斜率减小，当抗剥落剂掺量大于0.4%后高温抗车辙能力与抗水损耐久性能增强不明显，这与水损坏敏感性试验得到的结论一致，即在2%水泥掺量下的抗剥落剂最佳用量为0.4%。 由图6 可知，在抗剥落剂最佳掺量0.4%与2%水泥条件下，花岗岩酸性石料沥青混合料汉堡浸水车辙试验结果能满足20000 次轮载作用后沿轮迹线变形深度不超过6 mm要求，具有良好的高温抗车辙能力与抗水损耐久性能，保证沥青下面层铺筑质量和预期使用寿命。

5.2 现场钻芯取样分析

通过钻取沥青混合料成型后的路面芯样，可以直观地反映沥青混合料配合比设计和现场施工状况，验证沥青混合料施工技术和路用性能是否符合要求。 因此在距路中5、6、7、9 m 处的路面上各钻数个芯样，标准厚度为8 cm，取其中1 个芯样切开如图7 所示。 由芯样上表面可看出，除钢轮碾压印记外，集料表面油膜覆盖较好，证明沥青与集料的粘附性能达到要求。 由芯样下表面可看出，沥青混合料粗料多，粗料的间隙部分由细集料填充，空隙率小，说明沥青面层承受荷载的能力较强，不易变形。由芯样侧面可以看出，混合料中粗集料和细集料在垂直分布上比较均匀，验证了沥青混合料拌和及配合比设计均符合设计要求。

图7 钻芯取样三视图

5.3 渗水系数检测分析

渗水系数体现水透过沥青路面的能力，其数值大小也侧面反映沥青混合料的密实程度。 在距路中5、7 m 的2 处路面位置随机各选取2 个点进行渗水试验，得到试验结果如表4 所示。

表4 沥青下面层路面渗水系数

由于采用大功率全幅摊铺机进行摊铺，路面两侧或多或少会有离析，不如路面中心密实，空隙率也会增大，导致透水系数增大[6]。 因此，处于摊铺路面两侧的3、4 位置的渗水系数相对路面中心1、2位置的渗水系数较大。 但是4 个点所测得的渗水系数均满足不大于150 ml/min 的内控管理要求。施工过程中， 应高度重视摊铺设备验收和摊铺工艺，尽可能减少摊铺离析，严格控制渗水系数、空隙率指标，以保障混合料抗水损害能力。

6 结论

通过花岗岩沥青混合料设计、路用性能试验与耐久性研究，得到以下结论：（1）花岗岩虽然是酸性石料，与沥青粘附等级偏低，但通过添加水泥或消石灰与抗剥落剂等组合措施， 合理的配合比设计，花岗岩为主的沥青混合料高温性能试验和水稳定性试验能达到设计及技术要求，水损坏敏感性试验验证了高温、动水冲刷条件下花岗岩沥青混合料抗水损坏耐久性能；（2）高温多雨气候条件下，根据水损坏敏感性与汉堡浸水车辙试验结果，抗剥落剂掺量并非越多越好，存在一个最佳用量（0.4%），通过汉堡车辙试验验证最佳用量，得到添加水泥与抗剥落剂组合能显著提高花岗岩沥青混合料的抗车辙永久变形、抗剥落和抗水损害耐久性能；（3）通过汉堡车辙试验、芯样观察和渗水试验，论证花岗岩沥青混合料具有良好的路用性能、抗车辙及抗水损耐久性，表明花岗岩酸性石料用于AC-25C 沥青下面层可保证工程质量和预期使用寿命；（4）在沥青混合料优化设计、 路用性能与耐久性试验验证基础上，加强沥青混合料现场摊铺离析控制，严格进行摊铺设备验收与调试，尽可能减少摊铺离析，严格控制沥青混合料空隙率与现场渗水系数指标，可保障花岗岩沥青混合料抗车辙永久变形、抗剥落和抗水损害耐久性能。