1、第 卷 第 期 年 月公 路 交 通 科 技 .收稿日期：基金项目：河北省交通运输厅科技项目（）作者简介：王志斌（），男，河北石家庄人，正高级工程师.（.）：.煅烧铝矾土路用超薄磨耗层配合比设计及性能评价王志斌，邱文利，张 博，赵晓瑞，盛燕萍（.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 霸州；.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安）摘要：为提高超薄磨耗层路面的抗滑性能，采用煅烧铝矾土与石灰岩集料混掺的方法制备了沥青混合料，鉴于两种集料的吸水率存在差异，采用沥青浸渍试验对粗集料空隙填充法进行了改进，并将其应用于煅烧铝矾土超薄磨耗层（）混合料的配合比设计。通过马歇尔、高温车辙、低温弯曲和冻融劈裂等试
2、验对所设计的不同煅烧铝矾土掺量的沥青混合料进行了路用性能测试，并通过摆值和构造深度来测试混合料的抗滑性能。采用灰靶决策理论，针对混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及抗滑性能各项指标，建立了基于多指标的煅烧铝矾土掺量优选模型，从而确定了煅烧铝矾土在 中的最佳掺量。结果表明：煅烧铝矾土的掺入对沥青混合料性能的影响较为明显，随着掺量的增加，沥青混合料的低温抗裂性和水稳定性整体呈现增强趋势，其高温稳定性和抗滑性能指标则呈现出先上升后下降的趋势，分别在煅烧铝矾土掺量为 和 时，动稳定度和抗滑性能达到峰值；掺煅烧铝矾土集料的沥青混合料整体各项路用性能均优于未掺状态下的混合料；当 沥青混合料的路用性
3、能达到较优平衡时，煅烧铝矾土的最佳掺配比例范围为 。应用改进的粗集料空隙填充法所设计的煅烧铝矾土沥青混合料可广泛应用于超薄磨耗层的铺筑和建设中。关键词：道路工程；路用性能；配合比设计；煅烧铝矾土；超薄磨耗层中图分类号：.文献标识码：文章编号：（），（.，.，；.，）：，.，.，.，.（）公路交通科技第 卷 .，.，.（）.（），.：；（）引言路面作为一种多层结构，每层都具备各自的功能。其中，超薄磨耗层常被用作沥青路面的加铺层，是道路直接与车辆荷载及自然环境接触的表层，因此，该结构应提供较为持久的抗滑性和驾驶舒适性。超薄磨耗层技术是厚度在 的沥青磨耗层铺装技术。由于厚度仅为传统沥青上面层厚度的，
4、故此类技术可在节约造价与维护成本 的同时，减少对资源与能源的消耗，是一类环境友好型铺面技术。然而，在长期暴露于氧气、紫外线辐射中和车辆载荷的重复作用下，表面层的功能性逐渐降低，因此超薄磨耗层的使用寿命一般在 以内，需要进行定期的维修和养护。近年来“功能设计”概念被广泛应用于道路结构的设计中。超薄磨耗层的关键性能是提供优良的平整度、抗滑性和驾驶舒适性，而不再作为一个高强度的承重层来使用。为保证超薄磨耗层具有持久的抗滑性能，通常采用耐磨性较高的集料，研究表明集料的抗滑性能与其化学和矿物组成有较高的相关性，其中哈尔滨工业大学 等通过对不同类型的集料进行轮胎磨损试验，发现石英含量较高的集料具有更为优异
5、的抗滑性能。煅烧铝矾土的主要化学成分为，是由铝矾土经 高温煅烧而得的烧结块再经破碎、筛选制得，一般用作制备耐火材料。煅烧铝矾土作为一种人造集料，具有高磨光值、高硬度等优点，将其应用于超薄磨耗层沥青混合料中，可有效提高磨耗层的表面功能性和耐久性。长安大学田海涛等通过评价煅烧铝矾土集料与沥青的黏附性，表明煅烧铝矾土集料粉末与沥青的交互作用能力较强，二者的黏附性较好。长安大学宗有杰等为研究煅烧铝矾土集料制备的沥青混合料的抗滑性能，通过模拟路表的磨光情况，基于差异磨光原理对煅烧铝矾土沥青混合料进行了抗滑性能验证，提出了将煅烧铝矾土集料与传统集料进行混掺的使用方法，为超薄磨耗层抗滑性能的提升提供了新的研
6、究方向。结合文献可知，目前将煅烧铝矾土集料应用于路面超薄磨耗层中的研究较少，因此针对该类型的沥青混合料开展研究具有一定的理论意义和工程价值。由于路用煅烧铝矾土与石灰岩的性质差异，本研究基于差异磨光原理，利用改进后的粗集料空隙填充法设计了一种煅烧铝矾土超薄抗滑磨耗层（，简称）。通过马歇尔试验、高温车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验等对 进行路用性能检测，采用摆值和构造深度来测试混合料的抗滑性能，从而研究了不同煅烧铝矾土掺量对超薄磨耗层沥青混合料路用性能的影响，并采用灰靶决策理论，确定了 中煅烧铝矾土集料的最佳掺量范围。原材料试验选用 改性沥青，参照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）中的规定
7、对沥青进行性能检测，各项基本性能指标均满足规范要求，结果如表 所示。试验采用两种集料：石灰岩和 煅烧铝矾土，分别产自陕西省和山西省，其基本性能指标见表。使用石灰石矿粉作为矿物填料，纤维选用木质素纤维，两种填料的技术性能指标均满足规范要求，第 期王志斌，等：煅烧铝矾土路用超薄磨耗层配合比设计及性能评价表 改性沥青基本性能指标.试验项目技术要求试验结果试验方法针入度（，）（.）延度（，）.软化点（）.密度（）实测.布氏黏度（）.离析，软化点差.闪点 表 集料基本性能指标.试验项目技术要求试验结果石灰岩煅烧铝矾土试验方法表观相对密度.吸水率.压碎值.磨光值洛杉矶磨耗值.其中木质素纤维的掺量为矿料质量
8、的.。石灰岩和煅烧铝矾土的宏观形貌如图 所示。集料的化学成分和矿物组成分别采用 射线荧光光谱仪（）和 射线衍射仪（）进行测试。石灰岩和煅烧铝矾土的化学组成见表，从表中可明显看出两种集料的化学组成差异，其中石灰岩中 含量较高，而煅烧铝矾土中 含量较高。赵华和 等采用皮尔逊相关分析来研究集料的化学组成对其性能的影响，结果表明集料的破碎值和磨耗值与 含量呈显著负相关，与 呈显著正相关。煅烧铝矾土的抗压性能和耐磨耗性能较为优良，对于抗滑性能要求较高的路面，可优先考虑煅烧铝矾土这类 含量较高的集料。石灰岩和煅烧铝矾土的主要矿物组成如图 所示，由图 可知，石灰岩的矿物晶相主要为方解石和白云石，煅烧铝矾土的
9、矿物晶相主要为刚玉和莫来石，其中方解石和白云石的莫氏硬度分别为 和.，而刚玉和莫来石的莫氏硬度则分别为 和，由此可以看出相比于石灰岩，煅烧铝矾土的结构更为致密，硬度更大，不易被磨光。配合比设计.改进粗集料空隙填充法粗集料空隙填充法（图 集料的宏观形貌.表 石灰岩和煅烧铝矾土的化学组成.组成集料种类百分含量 石灰岩.煅烧铝矾土.，简称 法）是华南理工大学张肖宁教授于 世纪 年代提出的一种沥青混合料组成设计方法，该方法将粗集料骨架的嵌挤作用和细集料的填充作用进行有机结合，从而达到增强沥青混合料性能的目的。然而 法在应用过程中也存在一些技术问题，例如原体积平衡方程中未考虑集料对沥青的吸收情况，当所选
10、用的集料空隙率较大时，这一部分的变化容易对混合料的性能造成影响。华南理工大学葛折圣等根据 公路沥青路面施工技术规范（）求得有效沥青体积对 法进行改进，并以此设计了密断级配沥青混合料，结果表明改进的 法适用于不同类型沥青混合料的配合比设计。因此，在本研究中首先采用沥青浸渍法对集料的有效密度进行测量，并将其运用到 法的体积平衡方程中，得到改进后的 法公式，见式（）式（）：，（）公路交通科技第 卷（），（），（）（.），（）|，（），（）式中，分别为主骨料、填充料的质量百分率；为填充料的表观相对密度；为沥青的相对密度；为主骨料松方毛体积相对密度；为干捣实状态下主骨料松装间隙率；为设计混合料的空隙率；
11、为有效沥青体积；为有效油石比；为被集料吸入的油石比；为油石比；为矿料间隙率；为主骨料有效相对密度；为主骨料毛体积相对密度。.基于改进 法的 配合比设计本研究采用煅烧铝矾土和石灰岩混掺设计超薄磨耗层沥青混合料，矿料级配设计采用。长安大学豆怀兵分别采用逐级填充试验和 法对 中的主骨料和填充料的组成比例进行优化，得到了混合料矿料的级配范围。本研究参考其研究内容，确定出符合规范要求的主骨料和填充料各自的比例，见表。图 集料 衍射分析.表 矿料的级配组成.筛孔尺寸主骨料筛分通过率 填充料筛分通过率 矿粉筛分通过率.通过实测得到细集料的表观相对密度为.，矿粉表 观 相 对 密 度 为.，沥 青 相 对 密
12、 度 为.。采用试验所用 改性沥青进行沥青浸渍法试验，测得煅烧铝矾土掺量分别为，以及 时的合成矿料有效相对密度，测试结果如表 所示。表 主骨料密度测试结果.煅烧铝矾土掺配比例 松方毛体积相对密度 毛体积相对密度 表观相对密度 有效相对密度.根据规范的相关要求，拟定 ，.，将其代入式（）式（）中可得到不同煅烧铝矾土掺配比例下沥青混合料设计级配的计算结果，见表。表 不同煅烧铝矾土掺量的混合料级配计算结果.煅烧铝矾土掺配比例 预估油石比 主骨料质量百分率 填充料质量百分率 .第 期王志斌，等：煅烧铝矾土路用超薄磨耗层配合比设计及性能评价 路用性能研究.高温稳定性沥青混合料的高温稳定性一般采用车辙试验
13、进行研究，由动稳定度（）来表征，其值越大表明路面高温抗车辙性能越好。试验过程中动稳定度和车辙深度随煅烧铝矾土掺量的变化曲线如图 所示。图 沥青混合料车辙试验结果.由图 可知，沥青混合料的动稳定度随煅烧铝矾土掺量的增大而呈现出先升高后降低的变化趋势。在 温度条件下，煅烧铝矾土掺量的沥青混合料动稳定度最大值为 次，较仅含石灰岩集料的沥青混合料动稳定度提高 次，而混合料的车辙深度与动稳定度呈现相反的变化规律，因此当煅烧铝矾土掺量为 时，车辙深度出现最小值。另外，煅烧铝矾土掺量由 增大到 的过程中，混合料的动稳定度增大趋势较为明显，产生此规律的原因为：煅烧铝矾土内的氧化铝含量较高，使其具有碱性特质，且
14、其多孔构造也会增加集料与沥青结合料之间的黏结力，从而在混合料内部产生更大的附着力；同时，煅烧铝矾土致密的结构和较大的硬度也会提高沥青混合料的抗压性能，进一步增强了 混合料抵抗永久变形的能力。在煅烧铝矾土掺量由 增大到 时，混合料的动稳定度呈现较为缓慢的下降趋势，这是由于随着煅烧铝矾土掺量的增加，其较大的空隙率会吸收更多的沥青，当沥青含量过高时，多余的自由沥青在混合料内部起到润滑作用，因此对 的高温稳定性造成不利影响。.低温抗裂性采用低温弯曲试验对 沥青混合料的低温性能进行评价，试验结果见表。弯拉应变值可有效反映沥青混合料在低温下呈现脆性断裂的可能性，表 沥青混合料三点弯曲试验结果.煅烧铝矾土掺
15、配比例 破坏荷载抗弯拉强度 最大弯拉应变 弯曲劲度模量.并以此表征其低温抗裂性。弯拉应变越大，说明混合料单位长度承受变形的能力越好，低温抗裂性能越好。由表 可知，随着煅烧铝矾土掺量的增加，混合料的抗弯拉强度和弯拉应变逐渐增大，其劲度模量值逐渐下降。这表明煅烧铝矾土的掺入提高了 沥青混合料的低温抗裂性能。这是由于煅烧铝矾土的多孔特性造成 的沥青含量增加，使沥青与集料的黏附性提高，因此随着煅烧铝矾土含量的增加，表现出更加优良的低温抗裂性能。.水稳定性为评价 的水稳定性，对不同煅烧铝矾土掺量的沥青混合料分别进行浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验，结果如图 所示。图 沥青混合料水稳定性测试结果.由图 可知，
16、煅烧铝矾土的掺入使混合料的水稳定性呈现增长趋势，掺量由 增至 时，沥青混合料的残留稳定度（）增大.，冻融劈裂强度比（）提高.。分析不同煅烧铝矾土掺量的 沥青混合料的水稳定性差异，当沥青渗入集料中的孔洞或裂缝中时会发生机械嵌锁锚固作用，其黏结力会有一定的提高。因此，基于煅公路交通科技第 卷烧铝矾土集料较高的空隙率，沥青混合料的抗水损害能力随着煅烧铝矾土掺量的增加有一定提高，但提高不明显。.抗滑性能为研究煅烧铝矾土对 沥青混合料初始抗滑性能的影响，分别对 种混合料的构造深度与摆值进行测试，结果如图 所示。图 沥青混合料初期抗滑性能测试结果.从图 中可以看出，沥青混合料的初始构造深度和摆值随煅烧铝矾土掺量改变的变化不大。但对比煅烧铝矾土掺入前后沥青混合料的构造深度，发现煅烧铝矾土的掺入使沥青混合料的抗滑性能先呈现增大趋势，构造深度和摆值分别在掺量为 和 时达到最大值.和.，之后随着煅烧铝矾土比例的继续增加，两者都有小幅减小。产生这种现象的主要原因是：由于煅烧铝矾土与石灰岩集料的粗糙度和棱角性差异，使沥青混合料表面的抗滑性增强，然而相比于石灰岩集料，煅烧铝矾土集料的粗糙性较小，因此当煅烧铝矾土
