破碎型頁巖陶粒瀝青混合料最佳摻量及路用性能研究

范 倩 解曉光

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院1) 哈爾濱 150006) (廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420) (廣東交科檢測有限公司3) 廣州 510550)

0 引 言

頁巖陶粒是以黏土質(zhì)頁巖、板巖等為主要原料[1]，經(jīng)過高溫?zé)浱幚砗笃扑槎傻妮p質(zhì)材料，具有密度小、內(nèi)部多孔、保溫隔熱性能好、耐磨損，以及無毒等特點[2-4]，可替代砂石集料，應(yīng)用于路面工程.

劉啟華等[5]研究了采用5～20 mm粒徑頁巖陶粒等質(zhì)量代替石料制備的陶粒瀝青混合料的性能，試驗結(jié)果表明：其高溫性能、水穩(wěn)性能均滿足規(guī)范要求，混合料質(zhì)量可降低20%.鄭彬等[6]研究了陶粒摻量為15%(質(zhì)量比例)的環(huán)氧瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)性能、抗滑性能，制備了符合鋼橋面鋪裝要求的碎石型陶粒環(huán)氧瀝青混合料，混合料質(zhì)量可降低10%.錢振東等[7]研究了采用不同質(zhì)量替代率(0%～70%)的陶粒替代玄武巖石料對環(huán)氧瀝青混合料的使用性能的影響，經(jīng)劈裂強(qiáng)度、高溫性能、水穩(wěn)性能等試驗，推薦采用70%替代率的陶粒，混合料質(zhì)量可降低30%.李博[8]以抗壓強(qiáng)度損失率為評價指標(biāo)對比研究了高強(qiáng)頁巖陶粒瀝青混凝土在凍融循環(huán)作用下的性能變化情況，結(jié)果表明陶?；炷猎诹蛩徕c、氯化鈉溶液中耐久性更好，適宜在海洋工程、腐蝕環(huán)境下使用.鄭彬[9]研究了碎石型陶粒摻量(0%～20%)對排水型瀝青混合料性能的影響，經(jīng)高溫性能、水穩(wěn)性能、抗滑性能，以及排水性能等試驗，推薦最佳摻量為15%.吳正光等[10]研究了不同陶粒摻量(0%～40%)對透水瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明混合料馬歇爾穩(wěn)定度、高溫性能，以及水穩(wěn)性能均降低但尚滿足要求.鄒玲等[11]研究了不同陶粒體積替代率(0%～70%)的熱阻薄層罩面對瀝青混合料不同層位溫度的影響.結(jié)果表明：陶粒瀝青混合料熱阻薄層可有效降低路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，但也可能引起路表溫度升高，推薦陶粒摻量為40%.車天凱[12]研究了不同摻量(0%～100%)的陶粒等體積替代細(xì)集料(0.6～4.75 mm)制備的瀝青混合料性能變化，綜合考慮混合料強(qiáng)度、高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)性能，以及阻熱性能，推薦陶粒細(xì)集料最佳替代率為60%.

陶粒瀝青混合料的研究主要集中減輕瀝青混合料自重、抵抗凍融循環(huán)能力、排水，以及阻熱等方面.一方面缺少對陶粒瀝青混合料抗滑性能的研究，另一方面陶粒瀝青混合料路用性能的提升幅度沒有明確的結(jié)論.鑒于此，本文采用體積質(zhì)量轉(zhuǎn)換法進(jìn)行不同陶粒摻量的瀝青混合料路用性能和抗滑性能研究，推薦破碎型頁巖陶粒的最佳摻量.

1 試驗部分

1.1 原材料與級配

1) 傳統(tǒng)集料選取哈爾濱某石場的安山巖石料，陶粒選取河南某公司生產(chǎn)的5～15 mm粒徑破碎型頁巖陶粒，其性能指標(biāo)見表1.瀝青選取SBS改性瀝青，其性能指標(biāo)見表2.礦粉選取石灰石磨細(xì)礦粉，纖維選取木質(zhì)素纖維，其各項物理化學(xué)指標(biāo)符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求.

破碎型頁巖陶粒表觀相對密度較小、堅固性較好、磨光值較大，但其吸水率、壓碎值、磨耗值均較大，將其應(yīng)用于路面工程可能會減輕路面自重、提高抵抗凍融破壞的能力、增大抗滑能力，但也可能導(dǎo)致水損害、抗壓能力及抗磨損能力下降.因此，破碎型頁巖陶粒在混合料中的摻入比例不宜太大，摻入比例需進(jìn)一步的試驗確定.

2) 瀝青混合料級配類型采用SMA13，級配見表3.

表1 安山巖與陶粒技術(shù)指標(biāo)

表2 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表3 SMA13混合料級配要求范圍及合成級配

1.2 試驗設(shè)計

1) 陶粒瀝青混合料的制備 由于陶粒的密度顯著低于安山巖，采用等質(zhì)量替代粗集料的方式摻加陶粒會導(dǎo)致?lián)脚浜蟮募壟鋰?yán)重偏離設(shè)計級配，因此本文采用陶粒等體積替代同等粒徑安山巖粗集料的方式進(jìn)行混合料摻配，陶粒摻配比例分別為0%，20%，40%，60%.其中，摻加陶粒的SMA瀝青混合料最大理論密度采用計算法獲取.

2) 陶粒瀝青混合料路用性能試驗 高溫性能測試 采用60 ℃車轍試驗，進(jìn)行不同陶粒摻量瀝青混合料的車轍深度及動穩(wěn)定度測試，綜合分析陶粒瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能.

水穩(wěn)定性測試 采用凍融劈裂試驗，進(jìn)行不同陶粒摻量瀝青混合料的凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度比，綜合分析陶粒瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.

低溫性能測試 采用小梁彎曲試驗，進(jìn)行不同陶粒摻量瀝青混合料的極限抗彎拉強(qiáng)度、極限抗彎拉應(yīng)變、極限彎拉勁度模量對比，綜合分析陶粒瀝青混合料的低溫抗裂性能.

3) 陶粒瀝青混合料抗滑性能試驗 瀝青路面通車初期，覆蓋在路表的瀝青膜與輪胎接觸，隨后瀝青膜被迅速磨光、集料裸露后與輪胎接觸并長期提供抗滑性能.因此，本文先采用自主研發(fā)的輪式加速磨光試驗機(jī)對成型的陶粒瀝青混合料試件表面進(jìn)行磨光處理后再測試擺式摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，綜合分析陶粒瀝青混合料的抗滑性能.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 陶粒瀝青混合料高溫性能

本文通過高溫車轍試驗進(jìn)行陶粒瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評價.不同陶粒摻量的瀝青混合料高溫性能測試結(jié)果見圖1.

圖1 不同陶粒摻量的瀝青混合料高溫性能試驗結(jié)果

由圖1可知：

1) 四種不同陶粒摻量的瀝青混合料的動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范規(guī)定DS≥3 000次/min的要求.

2) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈增大趨勢.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提高了3.5%，9.1%，15.9%.

3) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料45 min車轍深度、60 min車轍深度呈減小趨勢.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的45 min車轍深度分別降低了18.5%，20.0%，22.3%，60 min車轍深度分別降低了17.0%，19.3%，21.5%.

4) 試驗結(jié)果表明，隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料高溫性能得到有效提高.主要是由于破碎型頁巖陶粒具有豐富的表面紋理構(gòu)造，集料間的嵌擠作用更強(qiáng)、混合料的高溫性能更高.因此，從高溫穩(wěn)定性能方面考慮，不同陶粒摻量的瀝青混合料高溫性能優(yōu)劣排序為60%>40%>20%>0%.

2.2 陶粒瀝青混合料水穩(wěn)定性能

本文通過凍融劈裂試驗進(jìn)行陶粒瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價.不同陶粒摻量的瀝青混合料水穩(wěn)定性測試結(jié)果見圖2.

圖2 不同陶粒摻量的瀝青混合料水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果

由圖2可知：

1) 四種不同陶粒摻量的瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比均滿足規(guī)范TSR≥80%的要求.

2) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在陶粒摻量為20%時達(dá)到最大值94.0%.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比變化率分別為7.8%，3.2%，0%.

3) 隨著陶粒摻量的增加，經(jīng)凍融瀝青混合料和未經(jīng)凍融瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)上下波動，但變化幅度不大.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的未經(jīng)凍融循環(huán)的瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度變化率分別為-2.3%，-4.7%，0%；經(jīng)凍融瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度變化率分別為5.3%，-1.3%，0%.

4) 試驗結(jié)果表明，陶粒的部分摻加可以提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且陶粒摻量為20%時的劈裂抗拉強(qiáng)度比與經(jīng)凍融瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最優(yōu).這主要是由于陶粒堅固性較好、但吸水率較大，摻加少量陶粒瀝青混合料的水穩(wěn)定性能比不摻或摻量較大的瀝青混合料更好.因此，從水穩(wěn)定性能方面考慮，推薦陶粒摻量為20%.

2.3 陶粒瀝青混合料低溫性能

本文通過小梁彎曲試驗進(jìn)行陶粒瀝青混合料低溫性能的評價.不同陶粒摻量的瀝青混合料低溫性能測試結(jié)果見圖3.

圖3 不同陶粒摻量的瀝青混合料低溫性能試驗結(jié)果

由圖3可知：

1) 四種不同陶粒摻量的瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變均滿足規(guī)范SB≥3 000×10-6的要求.

2) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在陶粒摻量為40%時達(dá)到最小值3 186.8×10-6.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變變化率分別為-4.2%，-8.9%，2.7%.

3) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的極限彎拉強(qiáng)度和極限彎拉勁度模量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在陶粒摻量為20%時達(dá)到最大值.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的極限彎拉強(qiáng)度變化率分別為2.8%，-13.1%，-14.0%；極限彎拉勁度模量變化率分別為7.6%，-5.9%，-14.6%.

4) 試驗結(jié)果表明:若單純極限彎拉應(yīng)變指標(biāo)，推薦的陶粒摻量排序為60%>0%>20%>40%；若從極限彎拉強(qiáng)度和極限彎拉勁度模量指標(biāo)考慮，推薦的陶粒摻量排序為20%>0%>40%>60%；綜合分析三個指標(biāo)，推薦的陶粒摻量為0%或20%.

2.4 陶粒瀝青混合料抗滑性能

室內(nèi)成型瀝青混合料車轍試件，使用自主研發(fā)的輪式加速磨光試驗機(jī)對試件表面進(jìn)行磨光，采用擺式摩擦系數(shù)測試儀和鋪砂法測試瀝青膜被磨光后(壓力0.7 MPa、磨光2 000次)的試件表面擺式摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度.不同陶粒摻量的瀝青混合料擺式摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度測試結(jié)果見圖4.

圖4 不同陶粒摻量的瀝青混合料低溫抗滑性能試驗結(jié)果

由圖4可知：

1) 四種不同陶粒摻量的瀝青混合料的擺式摩擦系數(shù)均滿足規(guī)范竣工驗收時BPN≥45,MTD≥0.55 mm的要求.

2) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的擺式摩擦系數(shù)呈增大趨勢.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的擺式摩擦系數(shù)分別增大了5.6%，7.4%，9.3%.

3) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的構(gòu)造深度呈下降趨勢.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的構(gòu)造深度分別減小了4.8%，6.3%，11.1%.

4) 試驗結(jié)果表明，陶粒的摻入可以提高瀝青混合料的擺式摩擦系數(shù)，但會降低其構(gòu)造深度.這主要是由于陶粒表面的多孔構(gòu)造可以提高混合料的擺式摩擦系數(shù)；但由于陶粒磨耗值較大、瀝青混合料表面易被磨平，導(dǎo)致陶粒瀝青混合料構(gòu)造深度降低.綜合擺式摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度指標(biāo)，推薦的陶粒摻量為20%或40%.綜上考慮路用性能指標(biāo)，推薦最佳陶粒摻量為20%.

基于上述研究成果，對陶粒摻量為20%的SMA瀝青混合料進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡浸水飛散試驗，測試結(jié)果滿足施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的析漏損失≤0.1%、浸水飛散損失≤15%的要求[13-15].

3 結(jié) 論

1) 采用破碎型頁巖陶粒等體積替代傳統(tǒng)粗集料制備不同陶粒摻量的瀝青混合料.隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料高溫性能、擺式摩擦系數(shù)逐漸提高，但構(gòu)造深度逐漸降低；陶粒的少量摻加可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫性能，但陶粒的大量摻加會導(dǎo)致水穩(wěn)定性和低溫性能降低.

2) 綜合高溫性能、水穩(wěn)定性能、低溫性能及抗滑性能，推薦的最佳陶粒摻量為20%.

3) 相比傳統(tǒng)瀝青混合料，陶粒摻量為20%的瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比提高了7.8%、擺式摩擦系數(shù)提高了5.6%，高溫動穩(wěn)定度、低溫彎拉應(yīng)變、構(gòu)造深度指標(biāo)變化幅度較小，均在5%以內(nèi).