細(xì)集料對(duì)瀝青混合料路用性能影響研究

謝百慧

（1.黑龍江省高速公路建設(shè)局，黑龍江 哈爾濱150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

瀝青路面因其優(yōu)越的使用性能、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)和具有多種施工作業(yè)的選擇方式，在公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但在自然環(huán)境和現(xiàn)代高速交通的重復(fù)作用下，瀝青路面也不可避免地出現(xiàn)各種損害現(xiàn)象，如車(chē)轍、裂縫、擁包、坑槽和水損害等。瀝青混合路面具有一定的穩(wěn)定性和耐久性，是提高路面使用性能和延長(zhǎng)使用壽命的前提，其中穩(wěn)定性包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性。為此，許多科研和工程部門(mén)一直致力于對(duì)瀝青混合料的性能和應(yīng)用研究。細(xì)集料是瀝青混合料的重要組分，對(duì)瀝青混合料的路用性能有著重要影響。細(xì)集料主要包括天然砂、石屑和機(jī)制砂。天然砂主要含有石英顆粒，比較堅(jiān)硬，天然砂作為細(xì)集料具有較好的耐久性；石屑主要是破碎石料的下腳料，多為石料中最薄弱的部分，且含有較多泥土，石屑作為細(xì)集料強(qiáng)度較差，質(zhì)量難以控制；機(jī)制砂采用堅(jiān)硬巖石反復(fù)破碎而成，具有良好的棱角性和嵌擠性能。本文對(duì)基于天然砂和機(jī)制砂的瀝青混合料物理性質(zhì)和穩(wěn)定性能進(jìn)行比較研究，為機(jī)制砂代替天然砂在瀝青路面中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中密級(jí)配瀝青混凝土混合料礦料級(jí)配范圍要求，確定級(jí)配如表1所示。

表1 瀝青混合料選用級(jí)配

可見(jiàn)，所選的AC－16中，關(guān)鍵性篩孔2.36mm的通過(guò)率為37%＜38%，所以該級(jí)配為粗型密級(jí)配，即 AC－16C。

2 瀝青混合料的最佳瀝青用量

在工程應(yīng)用中，瀝青混合料的瀝青用量是控制機(jī)制砂應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)選擇4.3%、4.6%、4.9%、5.2%、5.5%共5種油石比的瀝青混合料，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)方法，測(cè)定瀝青混合料體積指標(biāo)、穩(wěn)定度和流值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及要求，結(jié)合表2中的試驗(yàn)結(jié)果，列出體積指標(biāo)、穩(wěn)定度和流值的容許油石比范圍，并綜合確定機(jī)制砂和天然砂瀝青混合料的最佳油石比，如表3所示。

表3 瀝青混合料最佳油石比

3 路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面在高溫和行車(chē)荷載的反復(fù)作用下會(huì)出現(xiàn)車(chē)轍，影響路面的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量。本文以動(dòng)穩(wěn)定度DS作為評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)。試驗(yàn)依照《T0719瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)》進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，將試件和試模移置到輪轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)輪往返行走其上，測(cè)得行走t1（45min）的變形量d1（mm）和行走t2（45min）的變形量d2（mm），得到動(dòng)穩(wěn)定度為

式中:N為試驗(yàn)輪的往返碾壓速度，42次／min；c1為試驗(yàn)機(jī)類(lèi)型的修正系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動(dòng)方式為1.0，鏈驅(qū)動(dòng)方式為1.5；c2為試件系數(shù)，實(shí)驗(yàn)室制備寬300mm的試件為1.0，路面切割寬150mm的試件為0.8。

試驗(yàn)測(cè)得機(jī)制砂和天然砂兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度如表4所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示60min時(shí)瀝青混合料車(chē)轍深度及機(jī)制砂瀝青混合料小于天然砂瀝青混合料；機(jī)制砂瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是天然砂瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的4.5倍。表明機(jī)制砂瀝青混合料抗車(chē)轍變形能力遠(yuǎn)高于天然砂瀝青混合料，其優(yōu)越性得到充分驗(yàn)證。

表4 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 低溫抗裂性

瀝青混合料隨著溫度的降低，其強(qiáng)度和勁度會(huì)明顯增大，變形能力顯著下降，伴隨著脆性破壞的出現(xiàn)，材料變脆，路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，在雨水和行車(chē)荷載的反復(fù)作用下，會(huì)使裂縫發(fā)展為網(wǎng)裂和龜裂，導(dǎo)致路面的大范圍結(jié)構(gòu)破壞，因此，瀝青混合料低溫抗裂性是瀝青路面穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)。本文針對(duì)機(jī)制砂和天然砂瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)依照《T0716瀝青混合料劈裂試驗(yàn)》進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為（－10±1）℃，加載速率為50mm／min，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，摻機(jī)制砂的瀝青混合料，其抗彎拉強(qiáng)度較摻天然砂的高，其低溫極限應(yīng)變較天然砂瀝青混合料提高了17.6%，同時(shí)具有更大的彎拉應(yīng)變。說(shuō)明瀝青混合料中摻加機(jī)制砂，可以提高瀝青混合料的強(qiáng)度與變形能力，綜合提高了瀝青混合料的低溫抗裂性，其性能明顯優(yōu)于天然砂。

表5 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性

水損害是高速公路的主要破壞模式之一，也是我國(guó)高速公路發(fā)展過(guò)程中早期損害的重要形式，因而細(xì)集料對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響極為重要。本研究利用凍融劈裂試驗(yàn)方法測(cè)試基于機(jī)制砂和天然砂的瀝青混合料的水穩(wěn)定性。對(duì)瀝青混合料進(jìn)行雙面擊實(shí)各50次，使其成型馬歇爾試件，每種試件分為兩組:一組在25℃水浴中浸泡2h，測(cè)其劈裂強(qiáng)度為RT1；另一組在0.09MPa浸水抽真空15 min，再放到－18℃冰箱中放置16h，然后放到60℃水浴中恒溫24h，再放到25℃水中浸泡2h，測(cè)其凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度為RT2，計(jì)算凍融試件的劈裂強(qiáng)度與非凍融試件的劈裂強(qiáng)度，并進(jìn)行比較，即將殘留強(qiáng)度比TSR作為水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用研究得到的瀝青混合料配合比，對(duì)機(jī)制砂與天然砂的瀝青混合料分別制作10個(gè)馬歇爾試件，并按物理性質(zhì)相近原則分成5個(gè)對(duì)照組，測(cè)定馬歇爾試件密度及孔隙率指標(biāo)如表6所示，基于機(jī)制砂和天然砂瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6 馬歇爾試件密度及孔隙率指標(biāo)

表7 瀝青混合料AC－16凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，機(jī)制砂瀝青混合料的殘留劈裂強(qiáng)度值為（83.2±7.6）%，而天然砂瀝青混合料的殘留劈裂強(qiáng)度為（75.5±5.6）%。機(jī)制砂瀝青混合料的水穩(wěn)定性較之天然砂提高了10%。結(jié)果顯示機(jī)制砂瀝青混合料的水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于天然砂瀝青混合料。

4 結(jié)束語(yǔ)

按現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)的AC－16C型瀝青混合料，采用機(jī)制砂作為細(xì)集料與天然砂相比較，高溫動(dòng)穩(wěn)定度提高了350%，低溫極限應(yīng)變提高了18%，水穩(wěn)定度提高10%。用機(jī)制砂代替天然砂作為細(xì)集料既符合國(guó)家對(duì)防汛和環(huán)保政策要求，又能有效提高瀝青混合料的路用性能。

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