石灰?guī)r機制砂對瀝青混合料性能的影響

岳愛軍， 韋增增， 劉德賢

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2.廣西路橋工程集團有限公司， 廣西 南寧 530000)

瀝青混合料主要是由粗集料、細(xì)集料、填料和瀝青組成。在瀝青混合料中粗集料形成骨架，細(xì)集料起到填充間隙、傳遞荷載和膠結(jié)的作用。因而細(xì)集料級配、材料特性、用量成為研究瀝青混合料性能的重要方向。張娟等[1]運用均勻設(shè)計方法得到細(xì)集料級配對瀝青混合料高溫性能的影響。申來明等[2]指出細(xì)集料2.36 mm、0.6 mm、0.075 mm篩孔通過率對瀝青混合料空隙率都有影響，0.6 mm篩孔通過率影響最大。鄧乃銘等[3]運用灰關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)細(xì)集料0.075 mm篩孔通過率是影響瀝青混合料空隙率的主要因數(shù)之一。王大慶[4]研究指出，瀝青混合料穩(wěn)定度和力學(xué)性能隨著細(xì)集料棱角性的豐富而提高。葉勇[5]采用電鏡掃描研究得出細(xì)集料棱角性越豐富、粗糙度越大，瀝青混合料黏性越好。姑麗比婭·艾斯卡爾[6]研究得出，增加細(xì)集料含量瀝青混合料高溫穩(wěn)定性將急劇下降。程永春等[7]研究指出瀝青混合料的松弛強度受細(xì)集料含量變化影響。

以上研究主要集中在研究細(xì)集料級配、棱角性以及用量對瀝青混合料性能的影響，但關(guān)于精品機制砂這種細(xì)集料對瀝青混合料AC-25、AC-20性能的影響研究較少。材料的質(zhì)量、組成決定路面品質(zhì)。精品機制砂是由立式干法機制砂生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)，該砂潔凈、顆粒形狀圓潤、級配連續(xù)合理，2018年起精品機制砂在廣西高速公路橋涵混凝土中得到廣泛應(yīng)用，2019年廣西第1次在鐘山至昭平高速公路成功采用精品機制砂做抗滑表層AC-13的細(xì)集料[8]。

本文以AC-25、AC-20為研究對象，細(xì)集料采用灰黑色石灰?guī)r普通機制砂、灰黑色石灰?guī)r精品機制砂，探討石灰?guī)r普通機制砂和石灰?guī)r精品機制砂的級配、顆粒形狀、用量對AC-25、AC-20性能的影響，為高速公路的選材提供參考依據(jù)。

1 瀝青混合料的配比設(shè)計

1.1 集料

集料產(chǎn)自于廣西新柳南高速公路第7合同段自采碎石加工場，粗集料規(guī)格為3檔，分別為1#石灰?guī)r碎石(10～25 mm)、2#石灰?guī)r碎石(10～20 mm)和3#石灰?guī)r碎石(5～10 mm)；細(xì)集料規(guī)格為2檔，分別為4#灰黑色石灰?guī)r普通機制砂和5#灰黑色石灰?guī)r精品機制砂?；液谏?guī)r普通機制砂是由碎石2次整形破碎加工所得的4.75 mm以下的篩余物，灰黑色石灰?guī)r精品機制砂不同于石料3級破碎加工的石屑，精品機制砂為碎石采用 GLV7-60制砂設(shè)備加工所得的細(xì)集料。集料篩分結(jié)果如表1所示，集料的密度指標(biāo)如表2所示。表中γa為表觀相對密度，γb為毛體積相對密度。

表1 集料篩分試驗結(jié)果

表2 集料的表觀相對密度及毛體積相對密度

由表1可知，4#石灰?guī)r普通機制砂的級配為“兩端多中間少”，2.36 mm篩孔的篩余量超過25%，0.075 mm篩孔通過率超過10%，達(dá)到了13.9%；5#石灰?guī)r精品機制砂的級配為“兩端少中間較多”， 0.15～2.36 mm的顆粒含量為77.5%，0.075 mm篩孔通過率約為普通機制砂的1/2；與4#石灰?guī)r普通機制砂相比，5#石灰?guī)r精品機制砂級配較為均勻且顆粒圓潤，石粉含量可控，潔凈度高。

1.2 填料

填料為石灰?guī)r礦粉，產(chǎn)自廣西新柳南高速公路第7合同段自采碎石加工廠，技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.3 瀝青

試驗采用70號A級道路石油瀝青、SBS(I-D)改性瀝青，結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.4 瀝青混合料的級配設(shè)計及馬歇爾試驗結(jié)果

廣西屬于亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候，高溫多雨，根據(jù)經(jīng)驗采用粗料用量相對較多的密實型粗顆粒級配瀝青混合料AC-25和AC-20。AC-25配合比組成為1#石灰?guī)r碎石∶2#石灰?guī)r碎石∶3#石灰?guī)r碎石∶細(xì)集料∶礦粉=24∶31∶22∶20∶3，瀝青種類為70號道路石油瀝青，最佳油石比為3.8%；AC-20配合比組成為2#石灰?guī)r碎石∶3#石灰?guī)r碎石∶細(xì)集料∶礦粉=52∶24∶21∶3，瀝青種類為SBS改性瀝青，最佳油石比為4.3%。AC-25和AC-20級配參數(shù)如表5所示，AC-25w和AC-20w采用普通機制砂，AC-25b和AC-20b采用精品機制砂。按照AC-25、AC-20配合比制備馬歇爾試件并檢測，AC-25、AC-20的馬歇爾試驗結(jié)果如表6所示，Pa為油石比，γt為最大理論相對密度，ρsb為混合料毛體積相對密度，VV為空隙率，VFA為飽和度，VMA為礦料間隙率，MS為馬歇爾穩(wěn)定度，F(xiàn)L為馬歇爾試驗的流值。

表5 AC-25、AC-20瀝青混合料級配參數(shù)

表6 AC-25、AC-20的馬歇爾試驗結(jié)果

從表6可知，AC-25w、AC-25b、AC-20w、AC-20b的各項體積指標(biāo)、穩(wěn)定度和流值均滿足規(guī)范要求[9]?；|(zhì)瀝青混合料AC-25b，精品機制砂用量為20%，空隙率為3.7%；SBS改性瀝青混合料AC-20b，精品機制砂用量為21%，空隙率為3.8%。AC-25w的穩(wěn)定度要小于AC-25b的穩(wěn)定度，AC-25b、AC-20b的空隙率分別小于AC-25w、AC-25b的空隙率。

2 瀝青混合料的性能檢驗

2.1 水穩(wěn)定性

水損害是瀝青道路主要病害之一，產(chǎn)生原因為集料表面瀝青薄膜與水分發(fā)生置換。瀝青在高溫下與集料拌合形成瀝青薄膜，在道路運營過程中由于地下水上滲和路表水下滲，導(dǎo)致瀝青混合料長期處于濕潤狀態(tài)，瀝青薄膜逐漸被水分置換，車輛的沖擊荷載和高溫環(huán)境下更為明顯。廣西地區(qū)常年高溫多雨，易產(chǎn)生水損害，評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性具有一定的意義。采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來對比和評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，結(jié)果如表7所示，MS1為浸水0.5 h后的穩(wěn)定度，MS2為浸水48 h后的穩(wěn)定度，MS0為浸水殘留穩(wěn)定度，T1為未凍融循環(huán)的抗拉強度，T2為凍融循環(huán)后的抗拉強度，TSR為抗拉強度比。

表7 浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗結(jié)果

從表7可知，AC-25、AC-20的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比都能滿足規(guī)范要求[10]。AC-25w、AC-25b、AC-20b的殘留穩(wěn)定度大于100%，可能與浸水馬歇爾試驗方法相關(guān)，用凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能相對更合理；對比AC-25w，AC-25b在未凍融下劈裂強度提高了6.3%，凍融劈裂強度比提高了2.3%，這與精品機制砂的基質(zhì)瀝青混合料相對更密實相關(guān)；對比AC-20w，AC-20b凍融劈裂強度比提高了2.1%，亦與此相關(guān)；精品機制砂瀝青混合料體現(xiàn)出更高的水穩(wěn)定性能。

2.2 高溫穩(wěn)定性

溫度為60 ℃、輪壓為0.7 MPa的條件下按照張海波等[11]提出的試驗規(guī)程進(jìn)行AC-25、AC-20的車轍試驗，結(jié)果如表8所示。從表8可知，AC-25w、AC-25b、AC-20w、AC-20b的變異系數(shù)滿足規(guī)范要求。AC-25w、AC-25b的動穩(wěn)定度分別為1 895 次/mm、2 741 次/mm，二者相比動穩(wěn)定度提升了44.6%；AC-20w、AC-20b的的動穩(wěn)定度分別為17 500 次/mm、19 250 次/mm，AC-20b動穩(wěn)定度比AC-20w動穩(wěn)定度提了10.0%，表明級配為“兩端少中間多”的精品機制砂能更有效地嵌擠在碎石顆粒之間形成密實骨架結(jié)構(gòu)，提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。AC-20w、AC-20b的動穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3 200 次/mm，這與AC-20采用密實型粗顆粒級配、SBS改性瀝青的黏度相關(guān)，也與細(xì)集料為采用碎石加工的機制砂有關(guān)。

表8 車轍試驗結(jié)果

3 瀝青混合料的力學(xué)性能

3.1 力學(xué)強度理論

瀝青混合料的強度主要來源于2個方面：瀝青提供粘結(jié)力、集料之間產(chǎn)生內(nèi)摩阻力，可以用莫爾-庫侖理論即可表征瀝青混合料的力學(xué)強度理論:

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力；c為瀝青混合料的粘結(jié)力；σ為剪切滑動面法向正應(yīng)力；φ為瀝青混合料內(nèi)摩擦角。

3.2 試驗方法及莫爾應(yīng)力圓力學(xué)模型

無側(cè)限抗壓強度試驗、劈裂試驗分別檢測馬歇爾試件的抗壓強度、劈裂強度。無側(cè)限抗壓強度試驗、劈裂試驗所用試件為雙面75次擊實成型的馬歇爾試件，每組6個。無側(cè)限抗壓強度試驗、劈裂試驗的試驗溫度分別為15 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃，每個試件先放置在恒溫水槽中保溫1.5 h以上，再將試件置于壓力機上分別以5 mm/min、50 mm/min的加載速率均勻加載直至試件破壞。

無側(cè)限抗壓強度為σ1，劈裂強度為σ3。以σ1和σ3為兩個莫爾應(yīng)力圓的直徑繪制出莫爾應(yīng)力圓圖，利用幾何關(guān)系可求出瀝青混合料的粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ，從而分別評價精品機制砂瀝青混合料和普通機制砂瀝青混合料的力學(xué)性能。

(2)

(3)

3.3 試驗結(jié)果及分析

考慮到瀝青種類可能對精品機制砂、普通機制砂瀝青混合料的抗壓強度、劈裂強度有影響，AC-25、AC-20均采用了基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青做對比，AC-25的抗壓強度試驗和劈裂強度試驗結(jié)果如圖1所示，AC-25w(SBS)表示普通機制砂SBS改性瀝青混合料，括號內(nèi)代表使用瀝青種類，其他類推。

圖1(a)和圖1(b)看出，AC-25的抗壓強度和劈裂強度隨著溫度的升高而減小，溫度敏感性較大。對比15 ℃時的抗壓強度、劈裂強度，60 ℃時AC-25w(70)、AC-25b(70)、AC-25w(SBS)、AC-25b(SBS)的抗壓強度分別為15 ℃時的34.5%、36.6%、38.0%、40.5%，劈裂強度分別為15 ℃時的5.0%、5.2%、10.4%、11.1%；相對于普通機制砂AC-25的抗壓強度和劈裂強度，精品機制砂AC-25的抗壓強度和劈裂強度較高，這是因為精品機制砂0.15～1.18 mm顆粒含量較多，細(xì)集料與瀝青接觸面增多，瀝青混合料密實度增加，瀝青混合料粘結(jié)力增大；當(dāng)試驗溫度20 ℃及以上時，相較于基質(zhì)瀝青混合料AC-25，SBS改性瀝青混合料AC-25的抗壓強度和劈裂強度均得到提升，這與70號基質(zhì)瀝青黏度小于SBS改性瀝青的黏度相關(guān)；但15 ℃時SBS改性瀝青的韌性相對更好，SBS改性瀝青混合料AC-25的抗壓強度比基質(zhì)瀝青混合料AC-25的抗壓強度大，劈裂強度則相反。

由圖1(c)得出，AC-25的粘結(jié)力隨著溫度的升高而降低。在15～40 ℃時AC-25粘結(jié)力下降幅度大，40 ℃后下降幅度變小，這與瀝青在高溫時軟化和粘度下降相關(guān)；相對于基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青能提供較大的粘結(jié)力；在30～60 ℃時，精品機制砂AC-25的粘結(jié)力比普通機制砂AC-25的粘結(jié)力大。

圖1(d)可看出，AC-25的內(nèi)摩擦角隨著溫度升高而增大。瀝青混合料內(nèi)摩擦角變化規(guī)律主要取決于粗集料之間的嵌擠咬鎖能力；相對于普通機制砂AC-25，精品機制砂AC-25的內(nèi)摩擦角較大，表明精品機制砂AC-25具有較高的高溫穩(wěn)定性。

AC-20的抗壓強度和劈裂強度試驗結(jié)果如圖2所示，AC-20w(70)表示普通機制砂基質(zhì)瀝青混合料AC-20，括號內(nèi)代表使用瀝青種類，其他類推。結(jié)合圖2可知，隨著溫度升高AC-20的抗壓強度和劈裂強度減少。相對于AC-20w(70)，AC-20b(70)的抗壓強度和劈裂強度更高；當(dāng)試驗溫度大于30 ℃時，AC-20b(SBS)的抗壓強度和劈裂強度大于AC-20w(SBS)的抗壓強度和劈裂強度，小于30 ℃則反之，這可能與SBS改性瀝青混合料AC-20在30 ℃的黏度相關(guān)。通過分析圖2(c)得出，AC-20的粘結(jié)力變化規(guī)律與AC-25的粘結(jié)力變化規(guī)律一致，隨著溫度的升高而降低。在15～40 ℃時，AC-20的粘結(jié)力大幅度下降，40 ℃后下降幅度變小；且大于40 ℃時，精品機制砂AC-20粘結(jié)力大于普通機制砂AC-20粘結(jié)力；相對于基質(zhì)瀝青混合料AC-20，SBS改性瀝青AC-20的粘結(jié)力更有優(yōu)勢。由圖2(d)可得，AC-20的內(nèi)摩擦角隨著溫度升高而增大。不同細(xì)集料的AC-20內(nèi)摩擦角變化差距不大，內(nèi)摩擦角可能與混合料的最大粒徑相關(guān)，取決于粗集料之間嵌擠咬鎖能力，受機制砂的影響相對較?。坏啾绕胀C制砂AC-20，精品機制砂AC-20內(nèi)摩擦角較大。

(a)抗壓強度隨溫度變化關(guān)系 (b)劈裂強度隨溫度變化關(guān)系

(c)粘結(jié)力隨溫度變化關(guān)系 (d)內(nèi)摩擦角隨溫度變化關(guān)系

(a)抗壓強度隨溫度變化關(guān)系 (b)劈裂強度隨溫度變化關(guān)系

(c)粘結(jié)力隨溫度變化關(guān)系 (d)內(nèi)摩擦角隨溫度變化關(guān)系

4 結(jié) 語

(1)石灰?guī)r精品機制砂潔凈、圓潤，顆粒組成連續(xù)，石粉含量可控，精品機制砂瀝青混合料AC-25、AC-20的2.36 mm、0.6 mm、0.075 mm篩孔通過率分別為21.2%～22.1%、10.9%～11.3%、4.1%～4.2%，水穩(wěn)定性能好、高溫穩(wěn)定性優(yōu)良。

(2)與普通機制砂瀝青混合料相比，在30～50 ℃時，隨溫度升高精品機制砂混合料AC-25、AC-20的抗壓強度、劈裂強度、內(nèi)摩擦角、粘結(jié)力均增大，精品機制砂瀝青混合料AC-25、AC-20具有更好的力學(xué)性能。