集料性質(zhì)對瀝青混凝土路面性能的影響

□文/滕川 李源淵

集料性質(zhì)對瀝青混凝土路面性能的影響

□文/滕川 李源淵

將集料性質(zhì)分為物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及機(jī)械力學(xué)性質(zhì)3類并分析闡述了上述3種性質(zhì)對瀝青混凝土路面性能的影響。分析表明：永久變形主要由集料的級配、形狀、耐久性及韌性決定；疲勞性能主要受集料的耐久性、硬度及韌性的影響；低溫開裂性能似乎主要受結(jié)合料粘度的影響；水損害主要受集料的化學(xué)組成、可溶性及表面電荷的影響。

道路工程；集料性質(zhì)；路面性能

集料作為瀝青混合料的重要原材料組成部分，其品質(zhì)、性能、性質(zhì)等各方面的特性都會對瀝青混合料有或大或小的影響，從而影響瀝青混凝土路面整體性能。本文從物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及機(jī)械力學(xué)性質(zhì)3個方面對集料特性進(jìn)行分析并研究集料不同性質(zhì)與瀝青混合料性能之間的關(guān)系，從而探究集料性質(zhì)對瀝青混凝土路面性能的影響，指導(dǎo)集料科學(xué)控制和應(yīng)用。

1　集料性質(zhì)

集料的性質(zhì)有形狀、表面構(gòu)造、吸水性、密度、結(jié)晶構(gòu)造、級配、組成、溶解性、表面電荷、強(qiáng)度、耐久性、韌性、硬度等[1～2]?；谘芯磕康?，將上述集料性質(zhì)分為3類：物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及機(jī)械力學(xué)性質(zhì)。物理性質(zhì)是指顯示與巖石實體體積有關(guān)的性質(zhì)。化學(xué)性質(zhì)是指決定集料如何與其他材料相互作用的性質(zhì)。機(jī)械力學(xué)性質(zhì)是指決定巖石強(qiáng)度與韌性的一些性質(zhì)。

上述集料表征性質(zhì)有的受人工控制，有的受天然控制。其中吸水性、密度及強(qiáng)度既受人工控制，又受天然控制，這是因為在同一巖層中，巖石的性質(zhì)在成層時就已形成，當(dāng)?shù)貙佑邢喈?dāng)大的厚度時，采石工作只在此地層中進(jìn)行，集料性質(zhì)受天然控制；有時由于地層太薄，采石工作同時在幾個地層之中進(jìn)行，此時所采的巖石又集中不同的性質(zhì)。由此可以通過改變工藝來控制最終產(chǎn)品的性質(zhì)，但并不意味著巖石基本性質(zhì)的改變，只是在工作過程中，從采石場運(yùn)來的石料混在一起，通過最佳配比生產(chǎn)出符合要求的集料。另外在處理過程中要清除易風(fēng)化的巖石，以免影響產(chǎn)品質(zhì)量。集料的分類及性質(zhì)控制方式見表1。

表1　集料分類及性質(zhì)控制方式

2　物理性質(zhì)

集料的物理性質(zhì)是集料最常用的性質(zhì)，這些性質(zhì)中有人工控制，如級配；天然控制，如密度等[3～4]。

2.1集料形狀

形狀是指集料的棱角性，受巖石種類及集料加工方法所制約。粗?；◢弾r，細(xì)粒石灰?guī)r及白云巖可軋制成塊狀多棱角的集料。節(jié)理發(fā)育的巖石如片麻巖，可軋制出塊狀或扁平狀的集料。未經(jīng)處理的砂，卵石等通常情況下其顆粒是圓形的。

破碎的形式及速度也影響集料的形狀。像花崗巖等堅硬巖石一般用顎式破碎機(jī)破碎。顎式破碎機(jī)一般用于將采石場的爆堆進(jìn)行粗碎，以消除特別大的塊石。旋回破碎機(jī)也用于粗碎，其產(chǎn)量高但生產(chǎn)的細(xì)集料太多，圓錐破碎機(jī)用于對集料進(jìn)行粗碎或細(xì)碎。在使用圓錐破碎機(jī)或回旋破碎機(jī)時，由于某些巖石的結(jié)晶構(gòu)造而使其破碎后扁平狀集料含量增加，對此集料可采用沖擊式破碎機(jī)，但它的產(chǎn)量比較小。

集料形狀對路面永久變形影響巨大，研究顯示在交通荷載作用下多棱角集料能夠極大減小路面的變形，研究也表明在最佳瀝青用量下，高溫時，用多棱角集料做成的混合料其變形是相當(dāng)少的[5]。

集料的形狀也影響到瀝青路面的疲勞性能，正如多棱角集料能提高瀝青混合料的硬度一樣，它也能提高混合料的抗疲勞性能。

集料的形狀也影響到瀝青路面的低溫抗裂性能，但實際上瀝青與集料的粘附性與低溫開裂的關(guān)系更為密切。圓形的礫石似乎能夠使瀝青混凝土更具塑性而減小低溫開裂。但試驗路顯示對于密實型混合料，用全部軋制的石料具有更好的低溫抗裂性。

水損害與集料形狀的關(guān)系不如與集料表面化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系密切。由于瀝青混合料中使用多棱角集料可以提高其整體抗拉強(qiáng)度，因此抗水損害的能力也就能通過殘留抗拉強(qiáng)度來衡量。

2.2表面構(gòu)造

表面構(gòu)造對路用性能的影響不是很大，主要影響粘附性，粘附性主要影響疲勞、永久變形，它與水穩(wěn)性最為密切。

2.3吸水性

吸水性是指集料將水或瀝青吸入集料空隙的能力。一般的講，吸附瀝青的數(shù)量是吸水量的40%～60%。

吸水性似乎不直接影響永久變形，研究顯示有4%～6%吸水率的集料與吸水率＜1%的集料對瀝青的敏感程度是不一樣的。用高吸水率的集料的危險性在于不是按有效瀝青含量設(shè)計：一方面可能因為混合料在運(yùn)輸和養(yǎng)生過程中要吸收瀝青導(dǎo)致設(shè)計瀝青含量過高而造成車轍；另一方面，因擔(dān)心瀝青用量過多而減少瀝青用量，又會造成混合料的松散。

疲勞與瀝青的吸水性也有一些關(guān)系，多孔集料有更多的表面給與瀝青結(jié)合，因此可以增加粘附性。

吸水率高的集料所生產(chǎn)的混合料其水穩(wěn)性較吸水率低的集料所作的混合料水穩(wěn)性似乎要好。這是由于多孔集料與瀝青的作用面積大，吸附能力強(qiáng)，因此更多的瀝青被嵌入集料空隙之中，完全占據(jù)了空隙。所以在真空飽水或其他條件下，水就不可能進(jìn)入瀝青與集料界面將瀝青膜剝離。吸水性影響瀝青含量，一個正確的瀝青混合料設(shè)計，吸水性對混合料的影響很小。

2.4密度

集料密度與路用性能的關(guān)系并不密切，但對路用性能的間接影響卻具有極重要的作用。大部分級配規(guī)范的單位是質(zhì)量，應(yīng)用不同密度的集料，如不考慮其體積不同，將影響到混合料中的瀝青含量，進(jìn)而影響到永久變形、疲勞壽命、高低溫穩(wěn)定性等性能。密度大的集料在一定質(zhì)量下所占的體積小，這就意味著將輕集料換成密度較大的集料，會形成一種類似于開級配的混合料，雖然其篩分結(jié)果符合要求。

密度有時也是評定集料質(zhì)量的一個指標(biāo)，易風(fēng)化的巖石一般質(zhì)量較小，但對不同級別的巖石，對其性能的評價密度用的很少。

2.5結(jié)晶構(gòu)造

集料的結(jié)晶構(gòu)造也確認(rèn)與路面的變形關(guān)系不大，集料的結(jié)晶構(gòu)造或其晶體尺寸大小對其疲勞壽命和水穩(wěn)性影響最大。從材料科學(xué)可以知道，尺寸大的晶體其強(qiáng)度較尺寸小的晶體大。但如將其結(jié)合起來，由于晶體尺寸大，在兩個大顆粒之間的結(jié)合力不如小晶體之間的結(jié)合力，所以按照強(qiáng)度和疲勞性質(zhì)來說，有小顆粒晶體組成的集料，其疲勞性能和強(qiáng)度要好。晶體結(jié)構(gòu)與水損害似乎也有一定的關(guān)系，這是由于它可能影響到瀝青是如何被吸收到晶體表面上的，但確切的機(jī)理至今尚無定論。

2.6級配

在集料的物理性質(zhì)中，對路用性能起決定作用的是級配。級配對永久變形來說是一個關(guān)鍵因素。當(dāng)n次冪級配曲線中n取0.45時，專家們一致認(rèn)為此時混合料比較脆弱，容易在荷載作用下產(chǎn)生車轍。級配的另一個重要影響是疲勞壽命，密級配混合料強(qiáng)度較高且抗疲勞性能較好，此性能隨著礦粉的加入更加增強(qiáng)。礦粉用量由集料最大粒徑及空隙率決定?；旌狭现凶畲罅匠叽缭酱螅扇菁{的礦粉就越多。這是因為在典型的面層混合料中，集料之間的空隙很小，作為礦物填料，礦粉一部分用作瀝青的添加劑，另一部分實際上分布在粗集料的表面上，對混合料起到了潤滑作用。用軋制的集料但不適當(dāng)?shù)募壟浣M成的混合料與完全用砂類組成的混合料車轍是同樣容易形成的。修筑的多個試驗路同樣也證實采石場用不同粒徑的石料修筑他們的運(yùn)輸?shù)缆肥敲髦侵e。很早以前在農(nóng)村時，大粒徑的石料就用來修筑灌漿碎石路，這樣容易抵抗剪切力。級配對混合料的影響首先與混合料的空隙率有關(guān)。低空隙率的密級配混合料其水穩(wěn)性比O GFC要好，但太低的空隙率將使混合料的高溫穩(wěn)定性變差。

3　化學(xué)性質(zhì)

本文討論的化學(xué)性質(zhì)包括集料的化學(xué)組成、溶解性及表面電荷。按照這些性質(zhì)與路用性能的關(guān)系，集料的化學(xué)組成對水損害影響最大。研究表明集料產(chǎn)地不同，其混合料的抗拉強(qiáng)度也不同。這是因為同一級配、同一瀝青、不同礦料組成的混合料，其l ottm an試驗結(jié)果的差異其實可以解釋為由于集料的化學(xué)組成及礦物組成的差異所致。集料的不同礦物組成將導(dǎo)致集料與瀝青產(chǎn)生不同的物理化學(xué)反應(yīng)，同樣的結(jié)果在抗壓強(qiáng)度上也有表現(xiàn)。溶解性不是太大的問題，除非是在酸、堿環(huán)境中才要注意。

集料的表面電荷極為重要。乳膠工業(yè)的工作者造就認(rèn)識到表面電荷與結(jié)合料之間的關(guān)系；而且在認(rèn)識表面電荷時，要將新軋制的石料的表面電荷與舊石料的表面電荷加以比較。新軋制的碎石其表面雙電層比舊石料的表面雙電層要強(qiáng)且電荷性質(zhì)可能也不一樣，這對石灰?guī)r特別明顯。用舊石灰?guī)r制作的混合料憎水而用新軋制的石灰?guī)r制作的混合料親水。這種情況可在試驗室水穩(wěn)性試驗中觀察到。當(dāng)新軋制的石料過3～6月后作混合料，其水穩(wěn)性與舊集料制作的混合料區(qū)別不大。但用新軋制的石灰?guī)r鋪筑的道路取樣后在試驗室做出的水穩(wěn)性結(jié)果卻不盡如人意。如此可以相信，集料的老化有助于消除其表面雙電層，而且消除這些濃密的雙電層可以在料堆上澆水來人工老化集料。

4　機(jī)械力學(xué)性質(zhì)

集料自身強(qiáng)度和硬度除可能與疲勞破壞有關(guān)外，與其他路面性能關(guān)系不大。而且測試耐久性的試驗結(jié)果與路用性能關(guān)系不大。用來檢驗集料質(zhì)量的廣泛使用的L.A摩擦試驗并不是一種明確界定集料耐久性的理想方法。耐久性和硬度試驗有時用于檢測集料的質(zhì)量。但用來檢測工程性能似乎更合適，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、動態(tài)疲勞等。

在試驗室開展了一項研究，旨在解釋凍融循環(huán)對低磨損率和高磨損率集料的影響，試驗顯示在凍融循環(huán)10次后，高磨損率集料與低磨損率集料所制成的混合料其殘留抗拉強(qiáng)度比區(qū)別并不大。按照抗拉強(qiáng)度比，最大的區(qū)別是加入熟石灰和液體抗剝落劑后混合料殘留強(qiáng)度比有區(qū)別。同樣的試驗路段研究顯示L.A磨損率與路用性能無關(guān)。

5　結(jié)論

1）永久變形主要由集料的級配、形狀、耐久性及韌性決定。

2）路面疲勞性能主要受集料的耐久性、硬度及韌性的影響，非常堅韌的集料其抗疲勞性能也好，路面壽命也長。

3）路面低溫裂縫似乎主要受結(jié)合料粘度的影響，所以在大部分的情況下，他受集料性質(zhì)影響很小。但結(jié)合料的粘度卻受集料中礦粉的影響，因此集料間接影響了低溫抗裂性能。由研究表明，如果混合料中的礦粉含量增加到10%，則混合料強(qiáng)度提高，開裂溫度降低，因此增加了抗低溫裂縫的能力。

4）路面的水損害主要受集料的化學(xué)組成、可溶性及表面電荷的影響；其次受級配、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)及吸水性所制約。

[1]謝兆星.集料特性對瀝青混合料性能影響研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

[2]陳國明.瀝青混合料中粗集料表面物理特性的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

[3]陳璟，彭波.細(xì)集料幾何特征對瀝青混合料影響性研究[J].路基工程，2009，（3）：73-74.

[4]譚憶秋，宋憲輝，紀(jì)倫，等.粗集料性能對瀝青混合料高溫性能的影響[J].中國公路學(xué)報，2009，22（1）：29-33.

[5]袁峻，錢野.粗集料形態(tài)特征及其對瀝青混合料高溫抗剪強(qiáng)度的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2011，11（4）：17-22.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.024

□李源淵/天津市市政工程研究院。

□U416.217

□1008-3197（2015）03-62-03

□2015-01-15

□滕川/女，1962年出生，高級工程師，天津市市政工程研究院，從事工程技術(shù)管理工作。