輝綠巖集料和石灰?guī)r集料混用路用性能研究

付　濤，聞佳清，區(qū)　樺（.湖北交投襄隨高速公路建設(shè)指揮部，湖北 宜城 44400；.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 43005）

輝綠巖集料和石灰?guī)r集料混用路用性能研究

付濤1，聞佳清1，區(qū)樺2
（1.湖北交投襄隨高速公路建設(shè)指揮部，湖北 宜城 441400；2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430051）

為解決部分地區(qū)輝綠巖集料在配合比設(shè)計(jì)過程中四檔料均用輝綠巖集料易出現(xiàn)空隙率Va、礦料間隙率VMA和流值FL偏大的問題，結(jié)合工程實(shí)例，首先通過室內(nèi)試驗(yàn)從輝綠巖的集料品質(zhì)、粗集料壓碎值、細(xì)集料棱角性、細(xì)集料粉塵含量和粉膠比、集料與瀝青的粘附性及礦料級配等多方面論述了輝綠巖的集料特性對瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的影響；其次，提出了采用石灰?guī)r集料和輝綠巖集料混用的方法來提高混合料的和易性，降低礦料間隙率VMA和流值FL；再次，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)驗(yàn)證了石灰?guī)r和輝綠巖混用后，其瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能均有不同程度的提高；最后，結(jié)合試驗(yàn)路鋪筑和相關(guān)檢測，總結(jié)說明了石灰?guī)r集料和輝綠巖集料混用具有良好的路用性能，路面壓實(shí)度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度及抗滑系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)均良好，適用于高速公路上面層。

輝綠巖集料特性；適用性；室內(nèi)試驗(yàn)；目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)；空隙率；流值

0　引言

1　配合比設(shè)計(jì)

麻竹高速公路襄陽東段上面層AC-13C采用輝綠巖集料設(shè)計(jì)目標(biāo)配合比，四檔料均采用輝綠巖集料時(shí)，設(shè)計(jì)級配和馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用序號3的細(xì)級配，提高油石比到5.3%時(shí)，空隙率可降低到4.0%左右，但礦料間隙率VMA為15.4%，偏大，流值變化無規(guī)律性，為57.8（0.1mm），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了技術(shù)要求[3]；添加2%的水泥作為抗剝落劑后，馬歇爾試件的其他技術(shù)指標(biāo)變化不大，流值有所降低，但不明顯。

表1　麻竹高速公路襄陽東段上面層目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)級配

表2　馬歇爾體積指標(biāo)

圖1所示為壓實(shí)混合料的體積指標(biāo)示意圖。礦料間隙率VMA＝有效瀝青體積+空隙率Va。由于瀝青在壓實(shí)混合料中以有效瀝青和吸收瀝青兩部分存在，在壓實(shí)混合料的VMA較大的情況下，為滿足設(shè)計(jì)空隙率Va在4.0%左右，不得不增大了瀝青用量。瀝青用量增加后，有效瀝青的體積也會增大，有效瀝青過多，使得混合料在60℃溫度下易流動(dòng)，這是壓實(shí)瀝青混合料流值偏大的主要原因之一。后文將從影響瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的集料方面的因素來分析表面致密的輝綠巖集料出現(xiàn)礦料間隙率VMA和流值FL偏大的原因。

圖1　壓實(shí)混合料試件體積指標(biāo)示意圖

2　影響瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的集料方面的因素

2.1集料品質(zhì)

一般來說，輝綠巖是在地表以下稍深一些的位置冷卻形成的，成份以堿性的斜長石和輝石為主，二氧化硅的含量通常在45%~52%之間，其礦物粒徑往往比玄武巖更大。輝綠巖集料密度大、強(qiáng)度大、壓碎值小、棱角性好，作為瀝青上面層，可增強(qiáng)其耐磨性，且施工中不易壓碎，良好的抗滑性能及構(gòu)造深度能為車輛行駛提供優(yōu)良的舒適性和安全性。但同時(shí)，輝綠巖集料與瀝青的粘附性不如石灰?guī)r集料，而且要將力學(xué)性能好瀝青混合料壓實(shí)到合適的空隙率，也更困難，需要更大的壓實(shí)功。

為了對比麻竹高速公路襄陽東段所用京山產(chǎn)輝綠巖集料的特性，通過全套集料試驗(yàn)對比檢測了江蘇鎮(zhèn)江茅迪產(chǎn)玄武巖、湖北隨州三里崗產(chǎn)石灰?guī)r的技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果見表3。

表3　輝綠巖集料、玄武巖集料及石灰?guī)r集料檢測指標(biāo)的對比

表3?。ɡm(xù)）

通過對比發(fā)現(xiàn)，京山產(chǎn)輝綠巖集料密度最大，吸水率最小，比三里崗產(chǎn)石灰?guī)r集料磨光值大，說明該輝綠巖集料具有強(qiáng)度高、表面致密、吸水率小的特性。正是由于該輝綠巖集料強(qiáng)度高、表面致密、難以壓碎的特點(diǎn)，在馬歇爾試件成型過程中集料之間容易“頂死”，以致混合料礦料間隙率VMA偏大，采用常規(guī)瀝青用量，空隙率偏大，難以密實(shí)。同時(shí)，京山產(chǎn)輝綠巖集料和江蘇茅迪產(chǎn)玄武巖集料對改性瀝青的粘附性只能達(dá)到4級，需通過添加抗剝落劑或水泥、消石灰來提高其與改性瀝青的粘附性，使之達(dá)到5級。

2.2粗集料壓碎值

鼓勵(lì)學(xué)生積極將實(shí)訓(xùn)課題與院系的創(chuàng)新科研相結(jié)合，利用現(xiàn)有條件在完成實(shí)訓(xùn)作業(yè)的同時(shí)參加各項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)工程的相關(guān)專業(yè)比賽，如各級機(jī)器人大賽，藍(lán)橋杯、ACM等程序設(shè)計(jì)比賽。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、動(dòng)手實(shí)踐能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

將上面層集料的壓碎值作為衡量石料相對強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)，用以評價(jià)公路路面使用集料的質(zhì)量，是配合比設(shè)計(jì)過程中一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)。集料的壓碎值過大，在配合比設(shè)計(jì)過程中由于集料在馬歇爾擊實(shí)過程中被擊碎導(dǎo)致出現(xiàn)虛假級配，即混合料的實(shí)際級配比設(shè)計(jì)級配偏細(xì)。規(guī)范要求高速公路和一級公路所用石料壓碎值≤26%[5]。工程實(shí)踐及相關(guān)研究表明[7]，高速公路及一級公路一般壓碎值要求小于20%，較小的壓碎值能保證瀝青混合料在碾壓過程中不出現(xiàn)集料壓碎過多的問題。本次所用輝綠巖集料的壓碎值較低，僅為15.5%，因此，該輝綠巖集料在配合設(shè)計(jì)過程中不會出現(xiàn)因集料壓碎導(dǎo)致虛假級配的問題，可保證瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)。

2.3細(xì)集料棱角性

細(xì)集料棱角性是指未壓實(shí)細(xì)集料的松方空隙率，特別是在Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)體系中，對細(xì)集料棱角性的要求已成為評價(jià)細(xì)集料質(zhì)量最重要的依據(jù)。相關(guān)研究表明[8]，當(dāng)保持空隙率不變時(shí)，混合料的瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)及礦料間隙率VMA隨細(xì)集料棱角性的增大而增加。規(guī)范要求細(xì)集料的棱角性大于30s，本次所用輝綠巖細(xì)集料的棱角性為38.6s，具有較好的棱角性，在馬歇爾試件成型過程中由于集料之間的骨架結(jié)構(gòu)，可提供較大的VMA，這是本次目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中礦料間隙率VMA偏大的主要原因之一。

2.4細(xì)集料粉塵含量及粉膠比

如果細(xì)集料水洗法中小于0.075mm顆粒含量過高，容易造成瀝青混合料中的瀝青與細(xì)粉料（礦粉、石粉及粉塵總量）形成的瀝青膠漿過多，導(dǎo)致在配合比設(shè)計(jì)過程中，空隙率偏小，且現(xiàn)場容易出現(xiàn)推移泛油的問題。同時(shí)，在配合比設(shè)計(jì)過程中，為了將粉膠比控制在0.8~1.2范圍內(nèi)，只有采用降低細(xì)集料用量和增加瀝青用量的辦法。如果集料密度大、強(qiáng)度高，合成級配形成較好的骨架，降低細(xì)集料用量后，因無細(xì)料填充空隙，集料在馬歇爾試件成型過程中集料之間容易“頂死”，以致混合料空隙率偏大，難以密實(shí)。如果增加瀝青用量，在保證空隙率合適的前提下，增大了瀝青混合料中的瀝青膠漿，也增加了混合料中有效瀝青的含量，容易導(dǎo)致流值偏大。

2.5礦料級配

礦料級配越細(xì)，成型試件的空隙率越小，在目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中，主要控制的是最大公稱尺寸、關(guān)鍵尺寸（2.36mm和4.75mm）以及最小尺寸（0.075mm），形成S型級配。同時(shí)，一般在0.3~ 2.36mm范圍內(nèi)，避免級配形成“駝峰級配”[9]。早期的研究表明[10]，駝峰級配由于級配中含有過多的砂或細(xì)料，會導(dǎo)致混合料變軟，在混合料壓實(shí)過程中會出現(xiàn)推移問題，導(dǎo)致混合料在性能壽命期內(nèi)抗永久變形能力下降。在配合比設(shè)計(jì)過程中，級配不宜過細(xì)，特別是南方地區(qū)AC-13C的2.36mm篩孔的通過率一般不宜超過35%。本次配合比設(shè)計(jì)時(shí)，四檔料均采用輝綠巖集料，采用了細(xì)級配（2.36mm篩孔的通過率達(dá)到了32.8%）才使設(shè)計(jì)空隙率達(dá)到理想的4.0%左右。

2.6密度和吸水率與體積指標(biāo)的關(guān)系

采用馬歇爾體積指標(biāo)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。集料的密度和吸水率對成型后混合料的最大理論相對密度、空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度的影響非常之大。準(zhǔn)確的集料密度，是整個(gè)配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。為滿足設(shè)計(jì)空隙率和足夠的礦料間隙率VMA，必須先確定混合料的最大理論密度。改性瀝青因?yàn)轲ざ却?，不僅人工分散很難達(dá)到小于6mm以下的要求，而且在小于6mm以下的團(tuán)粒中仍然有不少氣泡，導(dǎo)致實(shí)測最大理論相對密度偏小，因此改性瀝青最大理論相對密度只能采用計(jì)算法得到。但在計(jì)算的方法上，各種集料不同的吸水率選用不同的系數(shù)C值計(jì)算有效相對密度導(dǎo)致最大理論密度也存在誤差。我國學(xué)者經(jīng)過試驗(yàn)研究[5]，由瀝青浸漬密度反算得到的不同吸水率的C值見圖2。

圖2　計(jì)算集料有效相對密度的權(quán)重系數(shù)C值

一般情況可取C＝0.8，集料吸水率較大時(shí)，C 取0.5～0.8。C值在0.7以下時(shí)，某些級配的VMA值將難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而C值又和集料的吸水率息息相關(guān)，同樣的瀝青用量下，C值小說明集料吸水率大，這樣集料吸收的瀝青也越多，有效瀝青相應(yīng)減少，VMA也就偏小。對于這種情況，在配合比設(shè)計(jì)過程中，一是檢查集料毛體積密度是否準(zhǔn)確，二是考慮調(diào)整初始粗中細(xì)三種級配，使其整體偏于較粗的一側(cè)可獲得更大的VMA。而本次輝綠巖配合比設(shè)計(jì)過程中，正是由于集料的吸水率小，均在1.0以下，C值較大，基本在0.7左右，采用較大的C值，導(dǎo)致了即使采用偏細(xì)的級配，混合料的礦料間隙率VMA也偏大。

2.7集料與瀝青的粘附性

一般來說，堿性集料與瀝青有良好的結(jié)合力，而酸性集料結(jié)合力較弱，遇水極易剝落。按照粘附性等級排序?yàn)椋菏規(guī)r>玄武巖和輝綠巖>花崗巖。石灰?guī)r對瀝青的粘附性是最好的，可以有效地提高混合料水穩(wěn)定性。輝綠巖集料與改性瀝青的粘附性往往只有4級，只有通過添加抗剝落劑或采用水泥或消石灰作為抗剝落劑才能達(dá)到5級。研究表明[12]，集料的巖相組成影響其與瀝青的粘附性，同時(shí)，表面致密、光滑、孔隙少的集料，會引起瀝青與集料界面的粘附性降低，影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性，并導(dǎo)致混合料易出現(xiàn)剝落、掉粒、松散、坑洞等損害，而且還會使瀝青混合料的流值變大。輝綠巖集料與瀝青的粘附性差也是本次配合比設(shè)計(jì)過程中流值偏大的主要原因之一。試驗(yàn)表明，添加2%的水泥作為抗剝落劑后，流值有一定程度的下降，但效果不是很明顯，流值仍然超出技術(shù)要求。

為解決四檔料全用輝綠巖集料而出現(xiàn)的為滿足合適的空隙率需采用較高的油石比，且礦料間隙率VMA和流值FL均偏大的問題，可通過將細(xì)集料更換為石灰?guī)r集料或石灰?guī)r集料和輝綠巖集料摻用的方法來從整體上提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3　石灰?guī)r與輝綠巖混用配合比設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)證

將細(xì)集料更換為石灰?guī)r或石灰?guī)r和輝綠巖各50%摻配時(shí)，由于石灰?guī)r強(qiáng)度相對較低，原有的粗集料骨架不會被破壞，混合料的和易性得到較大提高，原本較難擊實(shí)的結(jié)構(gòu)會獲得更好的擊實(shí)效果。

采用兩組混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，一組粗集料為輝綠巖、細(xì)集料為石灰?guī)r，另外一組粗集料為輝綠巖、細(xì)集料為石灰?guī)r和輝綠巖各50%摻配。通過室內(nèi)試驗(yàn)，確定的級配見表4，成型的馬歇爾體積指標(biāo)見表5。

表4　更換細(xì)集料后目標(biāo)配合比級配設(shè)計(jì)

表5　更換細(xì)集料后馬歇爾體積指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明，細(xì)集料采用石灰?guī)r或石灰?guī)r和輝綠巖各摻配50%時(shí)，比四檔料全用輝綠巖集料時(shí)的最佳油石比降低了0.2%，礦料間隙率VMA和流值FL均有所降低。特別是采用石灰?guī)r和輝綠巖各摻配50%時(shí)，具有更高的穩(wěn)定度，其力學(xué)性能優(yōu)于細(xì)集料全用石灰?guī)r，雖然流值偏高一些，但仍滿足技術(shù)要求，因此建議細(xì)集料采用石灰?guī)r和輝綠巖各摻配50%的配合比，這樣不僅可滿足瀝青混合料的體積指標(biāo)要求，而且瀝青用量降低了0.2%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

為驗(yàn)證更換細(xì)集料后瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，對細(xì)集料采用石灰?guī)r及石灰?guī)r和輝綠巖各50%摻配的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比和動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行了試驗(yàn)檢測，具體結(jié)果見表6，水穩(wěn)定性對比見圖3。結(jié)果表明，細(xì)集料采用石灰?guī)r及石灰?guī)r和輝綠巖各50%摻配后，混合料的高溫穩(wěn)定性有所改善，動(dòng)穩(wěn)定度略有提高，但不明顯，水穩(wěn)定性得到較大幅度的提高，殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比較四檔料全用輝綠巖集料有很大程度的提高，尤其是細(xì)集料全用石灰?guī)r集料后混合料的劈裂強(qiáng)度比提高了12%?？傮w而言，細(xì)集料采用石灰?guī)r或石灰?guī)r和輝綠巖混用后，混合料的整體性能均有不同程度的提高。

表6　石灰?guī)r和輝綠巖混用瀝青混合料性能對比試驗(yàn)結(jié)果

圖3　石灰?guī)r和輝綠巖混用前后瀝青混合料抗水損害指標(biāo)對比

4　試驗(yàn)段鋪筑及相關(guān)檢測

為進(jìn)一步驗(yàn)證石灰?guī)r集料和輝綠巖集料混用在高速公路上面層中的適用性，采用輝綠巖為粗集料、石灰?guī)r和輝綠巖各50%摻配作為細(xì)集料的配合比鋪筑了試驗(yàn)段，試驗(yàn)段檢測結(jié)果見表7。結(jié)果表明，采用石灰?guī)r和輝綠巖各50%摻配作為細(xì)集料所鋪的試驗(yàn)段，路面壓實(shí)度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度及抗滑系數(shù)均有良好的技術(shù)指標(biāo)，說明石灰?guī)r和輝綠巖混用后，其混合料的路用性能良好，完全可用于高速公路上面層。

表7　試驗(yàn)路檢測結(jié)果

5　結(jié)論

（1）部分地區(qū)輝綠巖集料，由于集料強(qiáng)度高，表面致密，棱角性好，在馬歇爾試件成型過程中集料之間容易“頂死”，以致混合料空隙率易偏大，為設(shè)計(jì)合適的空隙率，需采用較高的油石比。同時(shí)，由于輝綠巖細(xì)集料棱角性較好，導(dǎo)致了礦料間隙率VMA偏大。從壓實(shí)瀝青混合料體積指標(biāo)來分析，由于輝綠巖集料與改性瀝青的粘附性達(dá)不到5級，其吸附瀝青成為吸收瀝青的部分較少，多數(shù)瀝青以有效瀝青的形態(tài)存在于瀝青混合料中，從而導(dǎo)致了流值偏大，通過添加2%的水泥作為抗剝落劑可降低流值，但效果不明顯。

（2）輝綠巖與石灰?guī)r混用后，抗水損壞性能得到較大幅度的提高，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性也有所改善，動(dòng)穩(wěn)定度略有提高，最佳瀝青用量可降低0.2%?？傮w而言，采用石灰?guī)r和輝綠巖混用后，瀝青混合料整體性能指標(biāo)出現(xiàn)了不同程度的提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）采用輝綠巖作為粗集料、石灰?guī)r和輝綠巖各50%摻配作為細(xì)集料鋪筑了上面層試驗(yàn)段，路面壓實(shí)度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度及抗滑系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)良好，說明石灰?guī)r和輝綠巖混用適用于高速公路上面層。

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Road Performance of Mixed DiabaseAggregate and LimestoneAggregate

FU Tao1,WEN Jia-qing1,OU Hua2
(1.Xiang-Sui Expressway Construction Headquarters of Hubei Provincial Traffic Investment Co.,Ltd.,Yicheng 441400,China;2.Traffic Planning and Design Institute of Hubei Province,Wuhan 430051,China)

characteristic of diabase aggregate;usability;indoor test;target mix proportion design; void ratio;flow value

U414.01

A

2095-9931（2015）01-0122-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.020 第1卷 第1期|2015年2月Abstract:In the process of mix proportion design,using diabase in four aggregate grades may bring some problems,such as the increasing of void fraction(Va),voids in mineral aggregate（VMA） and flow value(FL).To solve these problems,a study was conducted combining with an engineering example. Firstly,the influence of the diabase aggregate quality,crushing value of coarse aggregate,angularity of fine aggregate,dust content and filler-bitumen of fine aggregate,adhesion of aggregates and asphalt,ag?gregate gradation,etc.on the design of mix proportion of asphalt mixture were expatiated on.Secondly, the method that mixing limestone aggregate and diabase aggregate was put forward for improving the workability of mixture and reducing its VMA and FL.Thirdly,through Marshall immersion test,splitting test and rutting test,it was verified that the high temperature performance and water stability of asphalt mixture were improved when the limestone and diabase were mixed together.Finally,combining with the paving of test road and related testing,it was illustrated that mixing with limestone aggregate and dia?base aggregate could get good road performance,meanwhile such technical indicators as pavement com?paction,water penetration coefficient,depth and anti-sliding coefficient were all fine,which indicatedthat the mixing of limestone aggregate and diabase aggregate could be applied to top surface of express?way.

2014-12-01