方解石含量對(duì)瀝青混合料性能影響的試驗(yàn)研究

汪曙光

0 前言

石灰?guī)r主要由碳酸鈣(CaCO3)組成，在建筑、冶金、化工、輕工、食品、石油、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域有廣泛的用途［1］，其主要分布在云貴高原，即廣西、云南、貴州等地區(qū)。一般石灰?guī)r的CaCO3含量≤70%，呈灰或灰白色，可用于各級(jí)公路瀝青路面中下面層。方解石的CaCO3含量一般≥97%，呈晶簇、粒狀、鐘乳狀、鮞狀或致密狀，無色或白色，有玻璃光澤，硬度為3級(jí)，對(duì)瀝青的粘附性較差。

現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［2］集料要求的技術(shù)指標(biāo)未對(duì)集料中方解石的含量做出相應(yīng)限制，但由于方解石對(duì)瀝青混合料的路用性能和施工性能存在較大的影響，不少省份對(duì)方解石的含量有相應(yīng)的規(guī)定，如“浙江省高速公路瀝青路面規(guī)范化施工與質(zhì)量管理指導(dǎo)意見”中對(duì)方解石的含量要求≤10%，方解石的判斷標(biāo)準(zhǔn)為“通過目測(cè)，將表面含有方解石顆粒的集料，視為方解石顆粒”。有的省份對(duì)瀝青路面碎石料中方解石含量要求≤5%。對(duì)于方解石含量限制值的差異，與石灰?guī)r與方解石的共生狀態(tài)、方解石的判斷標(biāo)準(zhǔn)、方解石的性質(zhì)甚至公路的等級(jí)等有關(guān)。

廣西石灰?guī)r分布廣泛。一般作為路面碎石材料應(yīng)用在瀝青路面中下面層，因?yàn)槭規(guī)r中的方解石性脆，路面施工碾壓易破碎，影響瀝青路面施工性能和使用性能。因此，要控制石灰?guī)r中方解石含量，必須確定一個(gè)簡(jiǎn)單合理的試驗(yàn)方法和合適方解石含量控制值。

1 方解石含量測(cè)試方法分析

廣西石灰?guī)r礦藏宕口中，大多數(shù)情況下方解石與石灰?guī)r是共生存在，互相滲透。田金星等［3］通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)方解石物料無論是單獨(dú)磨礦還是作為混合物料組分參與磨礦，其碎裂分布函數(shù)是相同的。在廣西瀝青路面工程實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)，夾雜方解石的石灰?guī)r破碎成碎石后，破碎面并不一定發(fā)生在石灰?guī)r與方解石的結(jié)合面，不少碎石中仍然是石灰?guī)r與方解石共存，含方解石顆粒的碎石含量超過20%，純方解石的碎石含量一般在3%以下。

研究方解石含量和特征的測(cè)試方法很多［4］，在公路瀝青路面工程中，鑒于測(cè)試方法的有效和實(shí)用性，目測(cè)法結(jié)合外表特征鑒定法是目前常用的測(cè)試方法。

成萬更等［4］采用以下7種方解石顆粒判斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)17個(gè)樣品進(jìn)行方解石含量測(cè)定:

①表面有方解石顆粒;

②表面方解石面積≥10%顆粒;

③表面方解石面積≥30%顆粒;

④表面方解石面積≥50%顆粒;

⑤大于半個(gè)面的顆粒;

⑥不小于一個(gè)面的顆粒;

⑦有解理的顆粒。

考慮石料的質(zhì)量狀況與合格率，并通過質(zhì)量控制的排列圖法分析，認(rèn)為表面方解石面積≥30%顆粒、不小于一個(gè)面的顆粒、有解理的顆粒3種方法比較合適碎石實(shí)際情況，最終根據(jù)試驗(yàn)的易操作性，建議采用表面方解石面積≥30%顆粒含量方法作為石灰?guī)r中方解石含量測(cè)定方法。同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同粒徑料檔的方解石含量并不相同，因此建議方解石含量應(yīng)分料檔測(cè)定。

在工程實(shí)踐中，對(duì)于在工地現(xiàn)場(chǎng)采用目測(cè)外表特征鑒定法判斷，表面方解石面積按≥50%的判斷要比≥30%的判斷方便、準(zhǔn)確。因此，考慮到試驗(yàn)的易操作性和判斷的準(zhǔn)確度，減少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的人為影響性，建議采用表面方解石面積≥50%顆粒含量方法作為石灰?guī)r中方解石含量測(cè)定方法，并且根據(jù)相應(yīng)瀝青混合料碎石分檔情況，將4.75 mm以上各檔碎石分別測(cè)定其方解石含量。

2 方解石含量對(duì)碎石技術(shù)指標(biāo)的影響

現(xiàn)行規(guī)范［2］對(duì)瀝青路面中下面層粗集料性能控制的指標(biāo)主要有石料壓碎值、洛杉磯磨耗損失、堅(jiān)固性、軟弱顆粒含量、針片狀顆粒含量、與瀝青的粘附性等。以下試驗(yàn)材料采用廣西合浦縣公館鎮(zhèn)創(chuàng)豐石場(chǎng)的石灰?guī)r碎石，瀝青采用新加坡埃索70號(hào)A級(jí)石油瀝青。

4.75 ～9.5 mm、9.5 ～16 mm、16 mm 以上各料檔顆粒分別施加 0.15、0.25、0.34 kN 荷載，產(chǎn)生破裂的顆粒即屬于軟弱顆粒。軟弱顆粒的存在會(huì)影響瀝青混合料的力學(xué)性能。試驗(yàn)研究中按表面方解石面積≥50%的顆粒即判斷為方解石顆粒。對(duì)石灰?guī)r和方解石分別進(jìn)行軟弱顆粒含量測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 石灰?guī)r與方解石碎石中軟弱顆粒含量

從表1可以看出:無論是石灰?guī)r碎石還是方解石碎石，粗料檔的軟弱顆粒含量比細(xì)料檔的低;石灰?guī)r碎石和方解石碎石的軟弱顆粒含量無明顯差異。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也揭示了石灰?guī)r碎石中夾雜的方解石絕大多數(shù)不是軟弱顆粒。

粗集料針片狀顆粒含量可以評(píng)價(jià)粗集料粒形和抗壓碎能力，以評(píng)定石料加工技術(shù)水平及該材料在工程中的適用性，針片狀顆粒含量過大時(shí)會(huì)影響瀝青混合料的力學(xué)性能和施工性能。為了解夾雜方解石的石灰?guī)r破碎加工成碎石后的針片狀顆粒分布，分別對(duì)石灰?guī)r和方解石進(jìn)行針片狀顆粒含量測(cè)定。試驗(yàn)樣品是采用反擊破進(jìn)行破碎的，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 石灰?guī)r與方解石碎石中針片狀顆粒含量

從表2可以看出:方解石碎石中的針片狀顆粒含量比石灰?guī)r碎石中的要低，也就是說方解石的存在不會(huì)增加石灰?guī)r破碎后碎石的針片狀顆粒含量。

集料壓碎值用于衡量石料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力，是衡量石料力學(xué)性質(zhì)和施工性能的重要指標(biāo)。為了解不同方解石含量下石灰?guī)r碎石的壓碎值情況，按方解石占石料總量的 0、5%、10%、15%、20%、100% 等含量重配 9.5 ～ 13.2 mm料檔碎石，測(cè)定其壓碎值。集料壓碎值隨方解石含量的變化曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，當(dāng)方解石含量小于5%時(shí)，方解石對(duì)集料壓碎值影響不大;當(dāng)方解石含量大于5%時(shí)，方解石對(duì)集料壓碎值有顯著影響，并隨方解石含量的增大呈線性增加。

圖1 集料壓碎值隨方解石含量的變化曲線

由于熱拌瀝青混合料在高溫下完成拌和、攤鋪和碾壓，為評(píng)價(jià)方解石在高溫條件下的壓碎性能，設(shè)計(jì)以下高溫壓碎值測(cè)定試驗(yàn)，模擬方解石經(jīng)拌和樓烘干筒加熱后的施工壓碎情況:取烘干9.5～13.2 mm純方解石(含少量表面方解石面積≥50%的顆粒)試樣置入烘箱中在 140℃、150℃、160℃、170℃、180℃遞級(jí)恒溫1 h，并各取兩份試樣分別進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)，以兩份試樣壓碎值的平均作為該溫度下的壓碎值，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 高溫下方解石壓碎值變化曲線

從圖2可以看出:方解石的壓碎值隨加熱溫度的升高而增大，也就是說高溫加熱后，方解石更易于壓碎。

與瀝青的粘附性能如何是評(píng)價(jià)碎石抗水損害能力的重要指標(biāo)。試驗(yàn)選擇了13.2～19 mm料檔碎石按照粘附性試驗(yàn)“水煮法”測(cè)定石灰?guī)r碎石和方解石碎石在70號(hào)A級(jí)石油瀝青中的粘附等級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 石灰?guī)r與方解石粘附性試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出:方解石的粘附性遠(yuǎn)低于石灰?guī)r碎石的粘附性，這主要是因?yàn)榉浇馐砻娉什ＡЧ鉂?，光滑的表面大大降低了與瀝青的粘附能力。

從上述試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出，方解石的存在主要是影響碎石的壓碎值和粘附性，從而影響瀝青混合料的施工性能、力學(xué)性能和水穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)夾雜方解石的石灰?guī)r碎石的壓碎值和水穩(wěn)定性，以下用改進(jìn)的集料耐崩解性試驗(yàn)來評(píng)價(jià):取兩組烘干的13.2～19 mm試樣帶篩置于燃燒爐中，在10 min內(nèi)升溫至180℃恒溫1 h，取出后立即泡入20℃水中，在10 min內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)篩不少于200次，使水?dāng)噭?dòng)即完成一次干濕循環(huán)。重復(fù)上述過程完成5次干濕循環(huán)后將試樣置于105℃烘箱中烘干4 h，測(cè)定9.5 mm篩上集料的質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量損失百分率，并取樣進(jìn)行干濕循環(huán)后的壓碎值試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 5%方解石含量下的石灰?guī)r碎石崩解性試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出:含5%方解石的石灰?guī)r碎石經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，壓碎值增加4.0%，即增大21.7%。如果以5次干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失5%或壓碎值增加5%作為石料耐崩解性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，含5%方解石的石灰?guī)r碎石的耐崩解性能滿足要求。

3 方解石對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響分析

對(duì)瀝青路面水損害評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)方法大致分為2類［5］:①對(duì)未經(jīng)壓實(shí)的松散瀝青混合料在常溫或沸騰溫度下浸水一段時(shí)間后進(jìn)行的評(píng)價(jià);②對(duì)瀝青混合料成型試件或提取的路面芯樣在水侵蝕前后的某些指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比的客觀評(píng)價(jià)。洛特曼認(rèn)為［5］經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件可以代表路齡3～12 a的瀝青路面的水穩(wěn)定性，并以凍融劈裂殘留強(qiáng)度比TSR=70%作為劃分混合料是否剝離的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［2］對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)常規(guī)試驗(yàn)主要有浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。一般認(rèn)為，瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，凍融劈裂試驗(yàn)要比浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果更敏感。

由于方解石的瀝青粘附等級(jí)比較低，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)夾雜方解石的石灰?guī)r碎石瀝青混合料的水穩(wěn)定性，按表5比例配制AC—25C瀝青混合料(油石比=3.9%)，然后采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20－2011)中T0729－2000試驗(yàn)方法測(cè)定方解石含量為0、5%、10%的石灰?guī)r集料配制的瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比TSR，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

%

表5 AC—25C瀝青混合料配合比

圖3 瀝青混合料TSR隨方解石含量的變化曲線

從圖3可以看出:隨方解石含量的增加，TSR指標(biāo)呈拋物線遞減，也即瀝青混合料的水穩(wěn)定性能急劇降低。當(dāng)方解石含量小于6%時(shí)，TSR試驗(yàn)結(jié)果能滿足規(guī)范［2］的要求(≥75%)。

4 結(jié)語

1)建議采用表面方解石面積≥50%顆粒含量方法作為石灰?guī)r中方解石含量測(cè)定方法，并分別測(cè)定4.75 mm以上各檔碎石的方解石含量。

2)石灰?guī)r碎石中夾雜的方解石絕大多數(shù)不是軟弱顆粒，且方解石的存在不會(huì)增加石灰?guī)r破碎后碎石針片狀顆粒含量。

3)方解石的存在主要是影響石灰?guī)r碎石的壓碎值和粘附性，當(dāng)方解石含量大于5%時(shí)，方解石對(duì)集料壓碎值有顯著影響。

4)為保證瀝青混合料的水穩(wěn)定性、施工性能和力學(xué)性能，石灰?guī)r集料中方解石含量宜控制在5%以下。

［1］徐立銓.碳酸鈣的開發(fā)利用［J］.中國(guó)建材，1992(9):35 －37.

［2］JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］田金星，楊 華，尚保平.石墨－方解石混合物料方解石組分的碎裂參數(shù)特性［J］.金屬礦山，2000(2):43 －45，50.

［4］成萬更，崔 軍，張蓬勃.石灰?guī)r中方解石含量的測(cè)試方法分析［J］.中國(guó)水運(yùn)，2008(5):251 －253.

［5］曾 俊，肖高霞，羅志剛.瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法綜述［J］.公路交通技術(shù)，2011(1):40－46.