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石灰石和玄武岩superpave沥青混合料车辙性能对比的实验研究

摘要：这项研究工作的主要目的是用动态蠕变车辙测试方法对石灰石沥青混合料和玄武岩高性能沥青混合料进行一个车辙性能方面的比较。实验中的两组混合物原料是用石灰石和玄武岩骨料与一种等级为PG 64-10的superpave沥青结合料混合制备而成。为了克服superpave玄武岩沥青混合料潜在的剥离问题，将沥青骨料质量比1%的部分用作为填料的熟石灰替换。车辙性能的测定是在四个不同的温度（40,50,60,65℃）和同一个频率（8Hz）下进行的。车辙试验结果显示玄武岩superpave混合料展现出比石灰石superpave混合料更好的性能。在19200次加载循环的条件下，玄武岩和石灰石两种混合料的车辙深度具有统计学显著的差异，其在温度为40、50、60和65℃时分别为alpha;=1、5、1、0.5%。而在200000次加载循环的条件下，两种混合料之间的差异在40、50、60和65℃时分别为alpha;=1、5、0.1、0.1%。另外，两种混合料在达到车辙破坏时需要的加载循环次数也具有统计学显著的差异，在所有温度下其值都为alpha;=0.1%。

引言

车辙损伤是全球范围内影响热拌沥青（HMA）路面设计寿命的主要损伤类型的一种。在约旦，石灰石骨料是最常用的骨料类型，其被用于公路的建设。而马歇尔混合物设计方法是沥青混合物设计制造中常用的唯一方法。寻找其他可用的骨料类型,例如玄武岩骨料，在约旦变得越来越重要。

全球范围内的研究已经证明骨料的基本性质对控制车辙损伤有很重要的影响。另外，骨料类型和等级也是影响沥青路面车辙产生的重要因素。

一些研究者们已经在沥青混合料中添加了玄武岩骨料以用作不同的实验。Kandhal、Cooley和Buchanan通过分析混合物设计实验结果发现，平均来看，以石灰石为原料制作的混合料具有比用玄武岩骨料制作的混合料更低的矿物骨料空隙率（VMA）,这归因于石灰石骨料在压实过程中产生的破碎现象。Asi得出结论，玄武岩原料在提升沥青公路防滑性方面要优于石灰石。Al-Shweily在一项比较性研究中指出用玄武岩骨料制备的混合料相比于用石灰石作骨料的混合料具有更小的蠕变变形。此外，Asi等人通过评估玄武岩在沥青混凝土混合物中的使用情况后发现，成分为粗玄武岩骨料、细石灰石骨料、矿粉以及总质量比1%的熟石灰的混合料在研究中相较于其他种类的混合料具有最好的性能。

一些研究人员已经尝试在沥青混合料中添加熟石灰，尤其是当使用玄武岩骨料来减少剥离现象和水敏感性时。例如，Little和Epps研究了熟石灰对热拌沥青(HMA)的改善效果。他们得出结论，石灰具有提高HMA混合料抵抗水损伤的能力，以及减少氧化老化、提升机械性能、增强对疲劳和车辙损伤的抵抗等作用。因此，石灰成分的添加能够对石灰处理过的HMA公路的现场性能产生可见的改善。研究中对生命周期成本的分析也表明，使用石灰能够使每吨HMA混合料节约大概20美元，而现场性能数据在预期路面寿命条件下也有一个38%的增长。另外，石灰能够减少剥离同时能像矿粉填充物一样强化沥青结合剂和HMA，这能够减少车辙损伤。Sebaaly 研究了石灰和液体添加剂对HMA水损伤现象产生的改善作用。他得出结论，石灰处理的HMA混合料提升了未损伤HMA路面的抗车辙性能（包括内华达州和加州的混合料）。McCann和Sebaaly还在多次冻-融加湿调质循环处理前后对石灰处理的HMA混合料的机械性能进行了测定。机械测试试验测量了弹性模量、拉伸强度和单向剪切力。另外，这三种实验过程之间也进行了比较以测定HMA混合料的水敏感性。他们得出结论，通过添加石灰，所有的沥青混合料在多次冻-融加湿调制循环处理后都表现出了更强的维持原有测试性能的能力。

在本次研究中，使用石灰石和玄武岩两种骨料制作superpave沥青混合料。并且使用动态蠕变测试来测定材料的车辙性能，并将两种材料进行比较。

玄武岩是一种火山岩材料，取自于岩浆。玄武岩在工业和建筑材料方面有着广泛的应用。在约旦，玄武岩原料可以从不同地区取得。

研究目的

本次研究的主要目的如下：

1. 利用superpave系统方法设计制作石灰石和玄武岩superpave沥青混合料
2. 利用动态蠕变测试测定两种混合料的车辙性能
3. 将两种材料的车辙性能进行比较

实验方法

图1是本次实验计划的示意图，本实验将分为四个阶段进行，如图所示。

第一阶段包括对原材料的采集、物理性质测定和表征，原料包括Al-Huson的石灰石、Al-Hallabat的玄武岩以及约旦石油加工厂（JPR）的PG64-10沥青结合料。这一阶段的结果在表1、2中可以看到。

第二阶段涵盖了利用superpave混合物设计方法设计制造石灰石和玄武岩两种沥青混合料的过程。

第三阶段则是利用superpave旋转压实仪（SGC）制备两种沥青混合料样品。

第四阶段包括使用动态蠕变测试测定石灰石和玄武岩两种沥青混合料样品的车辙性能，并比较二者的结果。

本实验将使用传统和superpave两种测试方法对石灰石和玄武岩骨料进行试验和测定。传统骨料测试将测量材料的源属性，包括粗集料的比重和吸收率、细集料的比重和吸收率以及洛杉矶（LA）磨损。Superpave骨料测试将测量材料的共同性质，包括针片状颗粒、粗集料棱角性、细集料棱角性以及沙当量。表一显示了石灰石和玄武岩两种骨料的源属性和共同性质的测试结果。

对本次实验中使用的沥青结合料的测定包括三个阶段。第一阶段使用传统测试方法对其进行测定，包括针入度、延展性、软化点、闪点、着火点以及比重。第二阶段改用superpave沥青结合料测试方法对其进行测定，包括旋转粘度（RV）、动态剪切流变仪（DSR）、滚动薄膜烘箱（RTFO）、压力老化容器（PAV）以及弯曲梁流变仪（BBR）等测试。第三阶段将根据superpave沥青结合料性能分级评定系统对试验用的沥青结合料进行评级。一系列的实验将在本阶段进行，包括在高温下对新鲜沥青结合料和RTFO沥青结合料进行DSR测试、对新鲜沥青结合料进行RTFO测试、对RTFO沥青结合料进行PAV测试、在中等温度下对PAV沥青结合料进行DSR测试以及在低温下对PAV沥青结合料进行BBR测试。根据superpave的系统标准，本研究中使用的沥青结合料性能等级为PG 64-10。表2显示了对这种沥青结合料进行的传统和superpave测试的结果。

本实验依照superpave混合料设计方法来进行石灰石和玄武岩沥青混合料的设计制造。设计过程中涉及的细节因其不在本文讨论范围内，故未在文中展示。但是本文涉及的设计流程是遵循的Asphalt Institute (AI) SP-2 manual (1996)中描述的superpave混合料设计流程。表3显示的是按照superpave混合料设计方法设计制造的石灰石和玄武岩沥青混合料中使用到的沥青结合料的设计内容和体积性质。沥青结合料的体积性质包括矿料填隙率（VMA）、沥青填隙率（VFA）、粉尘比例（DP）、最大理论比重(G_mm)占原始回转数的比率(%G_mm@N_initial)、最大理论比重(G_mm)占设计回转数的比率(%G_mm@N_design)以及最大理论比重(G_mm)占最大回转数的比率(%G_mm@N_max)。

实验原料

实验用到的石灰石骨料是在北约旦AI-Huson镇Shatana地区的一个采石场取得的石灰石碎石。玄武岩骨料则取自约旦东南部AI-Azraq市AI-Hallabat地区的采石场。

本次研究中对石灰石和玄武岩采用相同的骨料级配以便于比较，在表4中可以看到。图2显示了该级配的0.45 power chart。

实验中的骨料级配是基于从采石场获得的骨料库存和筛分分析信息以及关于骨料级配的superpave规定等来进行选择的，superpave规定中标称最大骨料直径为12.5mm。本研究中使用的骨料级配在控制点之间同时在限制区域以下（BRZ）。

本研究中用到的石灰石和玄武岩骨料的源属性、共同性质都是通过实验室对这两种材料进行试验测定得到的，表1中可以看到这些结果。

试验中添加了占骨料质量1%的熟石灰到玄武岩骨料中取代填料部分。在玄武岩沥青混合料中添加熟石灰旨在防止剥离、改善沥青涂层并连接玄武岩骨料和沥青结合料。

试验中使用的沥青结合料来自约旦Zarqa市的约旦石油加工厂（JPR），其针入度等级为60/70，superpave性能等级为PG 64-10。该沥青结合料的物理、机械性能是基于采用传统和superpave沥青结合料试验方法进行的实验室试验而得到，表2中可以看到这些数据。

车辙性能试验

车辙试验中superpave样品的制备

车辙试验中用到的样品是用superpave旋转压实仪制备的。在确定沥青结合料的含量和沥青结合料的G_mm 值后，处理石灰石和玄武岩superpave沥青混合料样品使其空隙率为4%。然后用SGC压实仪的高度模式压实样品（图3）并使其高度固定为115mm。

动态蠕变测试

用SGC将所有车辙试验样品制备完成后，使用作者实验室中的万能测试仪（UTM）（图4）进行车辙性能测试实验。实验基于以下几个步骤：

1. 将动态蠕变测试装置安装在UTM中（图5）。
2. 在实验进行之前，要先将样品在要求的测试温度下保温足够长的时间，并且在实验之前要在样品上安装好线性可变差动变压器（LVDTs）
3. 在电脑软件中打开车辙性能测试对应模块，在UTM上改动相应设置并输入各参数。
4. 使用UTM机器内的温度控制装置将实验箱体内的温度控制在目标试验温度。
5. 将UTM机器轴向负载调整为2.5kN,加载频率调整为8Hz，实验采用四个不同的温度条件（40、50、60、65℃），并且每一个温度下重复进行3次实验。
6. UTM机器内的数据采集系统（DAS）将会在实验期间从不同频道采集数据。图6显示了一个典型的车辙测试数据。
7. 在动态蠕变测试中，沥青混合料通常会经历三个阶段的车辙形成过程，如图6所示。
8. 动态蠕变测试将会一直进行直到样品发生破坏（第三阶段）

初级阶段，通常也被认为是开始阶段，是第一次能够观察到循环载荷在样品上产生作用

的阶段。在这一阶段，已经被压实的样品由于受到施加在样品轴向上的垂直载荷的作用而被再次压实。在这一阶段中，曲线斜率非常大，这说明车辙的深度有一个剧烈的增长。然而在第二阶段，样品上真实的车辙是由动态载荷引起的。最后阶段，通常认为是第三阶段，是整个车辙试验的最后一个阶段。在此阶段沥青混合料由于车辙损伤的影响开始呈现一种可见的损坏并发生流动，如图7所示

实验数据缩减

这一章节主要内容为缩减从用来测试车辙性能的无约束的动态蠕变测试中获得的数据，以及用来表达两种superpave沥青混合料（石灰石和玄武岩骨料沥青混合料）车辙试验最终结果的分析方法。

在试验进行完并且得到每一个温度下三次重复试验的平均值后，以加载循环次数（ND）和车辙深度（RD）为横纵坐标作图（图8），并且用统计回归分析技术（线性或非线性）进行模型的建立。

基于石灰石和玄武岩骨料沥青混合料用动态蠕变测试方法在不同温度下进行实验得到的结果，将一些图形区域按照某种方式进行了排列，旨在更好地显示两种材料在不同温度下表现出的行为差异。

在实验中，按照Al-Khateeb和Basheer提出的标准和方法确定了车辙破坏点（发生车辙破坏的加载循环数）。用这种方法可以通过延长转变点周围近似直线部分的切线来确定第二、第三阶段的开始位置，两条切线的交点处表示的N值可以从X轴上读取

实验结果和分析

我们可以从动态蠕变测试中得到三个参数，并将其用来比较两种不同的沥青混合料，分别是：载荷循环次数为19200次时的车辙深度（RD）、载荷循环次数为200000次时的车辙深度（RD）以及上文提及的发生车辙损伤破坏时的载荷循环次数。选择19200次这个数字作为实验次数是因为，在一篇有关利用Hamburg wheel tracking device (HWTD)车辙试验对不同沥青混合料进行测试的文献中，研究人员发现以这个数字作为实验参量来对不同沥青混合料车辙性能进行区分是非常合适的。表5显示了石灰石和玄武岩两种superpave沥青混合料在四种温度下载荷循环数为19200次和200000次时的车辙深度数据。

在载荷循环次数为19200时，玄武岩沥青混合料样品的车辙深度相比于石灰石沥青混合料样品有很确定的减少，如表5所示。其减少量分布在50%和75%之间，可以认为使用玄武岩后能使车辙深度产生一个很显著的降低。图9以直方图的形式显示了石灰石和玄武岩superpave沥青混合料在载荷循环次数为19200时的实验表现差异。相反地，玄武岩沥青混合料很明显地拥有比石灰石沥青混合料更长的车辙损伤寿命，这点可以从载荷次数为200000次时玄武岩沥青混合料相比石灰石沥青混合料更低的车辙深度数据中看出，如表5所示。表5同样显示在40、50、60、65℃时玄武岩沥青混合料相比石灰石混合料的车辙深度减少量分别为

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