礦粉含量和級配對大粒徑瀝青碎石路用性能的影響研究

管巧艷 ， 閆　芳， 王耀飛， 劉洪飛

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院, 鄭州 450000； 2. 航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 鄭州 450000；3. 河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司， 鄭州 450016)

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礦粉含量和級配對大粒徑瀝青碎石路用性能的影響研究

管巧艷1，2， 閆芳1， 王耀飛3， 劉洪飛3

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院, 鄭州 450000； 2. 航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 鄭州 450000；3. 河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司， 鄭州 450016)

大粒徑瀝青碎石具有良好的抵抗反射裂縫的能力，能延長瀝青路面的使用壽命，改善其使用性能。為了設(shè)計(jì)良好的大粒徑瀝青碎石路面，本文研究礦粉含量和級配對其路用性能的影響。通過設(shè)計(jì)4種不同類型的大粒徑瀝青碎石混合料(ATB-30)，即粗集料(4.75～9.5 mm)含量較多、細(xì)集料(1.18～2.36 mm)含量較多、添加礦粉、不添加礦粉，分別確定最佳瀝青用量，并進(jìn)行高溫抗車轍性能、低溫抗劈裂性能、水穩(wěn)定性檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，礦粉在大粒徑瀝青碎石混合料中不僅可以提高其水穩(wěn)定性，而且對其高溫抗車轍能力也有提高；細(xì)集料含量較多時(shí)瀝青混合料的水穩(wěn)定性會(huì)增強(qiáng)，過量會(huì)使大粒徑瀝青混合料的水穩(wěn)定性降低。

大粒徑瀝青碎石；礦粉；級配；高溫穩(wěn)定性；低溫抗裂性能；水穩(wěn)定性

大粒徑瀝青碎石體積大、形狀不規(guī)則，如果把它應(yīng)用在路面中，其嵌擠作用不僅可以增加路面的強(qiáng)度，而且可以減少瀝青的用量，減少反射裂縫，具有很好的高溫抵抗車轍能力和水穩(wěn)定性及低溫抗劈裂性能[1-3]。目前，關(guān)于大粒徑瀝青碎石路面的研究成果很多[4-5]，但是對大粒徑瀝青碎石礦粉級配的影響研究并不多[6-7]，學(xué)者們對于礦粉在大粒徑瀝青碎石中的作用有不同意見[8]。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究大粒徑瀝青碎石的路用性能。

1　瀝青混合料的組成

1.1原材料

為了保證配合比設(shè)計(jì)的材料是合格材料，在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)之前要先檢測原材料的性能，各項(xiàng)指標(biāo)均要符合 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》 (JTG F40- 2004)的要求。試驗(yàn)采用SBS改性瀝青，集料為石灰?guī)r，礦粉為普通石灰石礦粉。

1.2瀝青混合料的級配設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)集料級配及礦粉對大粒徑瀝青碎石性能的影響，本次試驗(yàn)采用4種級配類型：A型為粗集料(4.75～9.5 mm)含量較多的有礦粉，B型為粗集料(4.75～9.5 mm)含量較多的無礦粉，C型為細(xì)集料(1.18～2.36 mm)含量較多的有礦粉，D型為細(xì)集料(1.18～2.36 mm)含量較多的無礦粉。級配設(shè)計(jì)如表1所示。

1.3瀝青混合料的最佳油石比設(shè)計(jì)

采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定瀝青混合料各種級配的最佳油石比。根據(jù)以上確定的 ATB-30的4種級配類型，分別將礦粉與SBS 改性瀝青制成瀝青混合料試件。按照瀝青混合料試件制作方法 (擊實(shí)法，T0702-2011) 制成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。通過毛體積密度、 空隙率、 礦料間隙率、 瀝青飽和度、 穩(wěn)定度、流值6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行各種級配最佳油石比確定，如表2所示。

表1　ATB-30的級配設(shè)計(jì)　mm

表2　瀝青混合料的最佳油石比

2　不同級配和礦粉含量的大粒徑瀝青碎石的路用性能

2.1不同大粒徑瀝青碎石的高溫穩(wěn)定性能

大粒徑瀝青碎石的高溫穩(wěn)定性通過車轍試驗(yàn)檢驗(yàn)。將試件置于規(guī)定溫度及荷載下，測定試驗(yàn)輪往返行走所形成的車轍變形速率，以每產(chǎn)生1 mm變形的行走次數(shù)及動(dòng)穩(wěn)定度表示。試驗(yàn)的溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，試驗(yàn)時(shí)間為1 h左右或者在試件的最大變形達(dá)到25 mm時(shí)為止。試件按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)規(guī)定的輪碾法成型：長300 mm、寬300 mm、厚100 mm。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

車轍試驗(yàn)結(jié)果表明：

①從A型、B型與C型、D型對比來看，粗集料(4.75～9.5 mm)較多時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度偏大。在大粒徑瀝青碎石路面中，A型、B型的高溫穩(wěn)定性更好。這是因?yàn)?，瀝青混合料中細(xì)集料占得越多，越會(huì)影響瀝青混合料之間的嵌擠作用，從而影響瀝青混合料形成的骨架結(jié)構(gòu)，使得瀝青混合料的空隙率減小，同時(shí)也使瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，從而降低瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

表3　大粒徑瀝青碎石的車轍試驗(yàn)結(jié)果

②從A型與B型，C型與D型對比來看，在其他條件相同時(shí)，缺少礦粉的B型和D型的穩(wěn)定度偏小，這說明在大粒徑瀝青碎石中加入適當(dāng)?shù)牡V粉能改善其高溫穩(wěn)定性。這是因?yàn)椋?dāng)瀝青中加入礦粉時(shí)，瀝青中含有的酸性成分與加入的礦粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得瀝青與礦粉的黏結(jié)面具有很強(qiáng)的黏結(jié)力和黏聚力，從而使瀝青混合料的強(qiáng)度增加，提高了瀝青混合料抵抗車轍的能力。

2.2不同大粒徑瀝青碎石的低溫抗裂性能

通過低溫劈裂試驗(yàn)，研究大粒徑瀝青碎石混合料的低溫抗劈裂的性能。劈裂試驗(yàn)采用直徑為150 mm的大型馬歇爾試件，試驗(yàn)溫度為-10±0.5 ℃，加載速率為1 mm/min，壓條的寬度為19.0 mm。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的規(guī)定測定其性能。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

①從A型、B型與C型、D型對比來看，粗集料(4.75～9.5 mm)較多時(shí)，劈裂強(qiáng)度大；在大粒徑瀝青碎石路面中，A型、B型的低溫抗裂性更好。

②從A型與C型，B型與D型對比來看，在其他條件相同時(shí)，缺少礦粉的B型和D型的劈裂強(qiáng)度偏小，這說明在大粒徑瀝青碎石中加入適當(dāng)?shù)牡V粉同樣能改善其低溫抗裂性能。

2.3不同大粒徑瀝青碎石的水穩(wěn)定性能

進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，將大型馬歇爾試件在恒溫水箱中保持48 h，壓條寬度改為152.4±0.2 mm，試驗(yàn)儀的最大荷載不得小于25 kN，讀數(shù)精確到0.1 kN，加載速率為1 mm/min，由流值計(jì)及位移傳感器測定裝置讀取試件的垂直變形。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5　浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

①從A型、B型與C型、D型對比來看，細(xì)集料(1.18～2.36 mm)較多時(shí)，殘留穩(wěn)定度較大。這是因?yàn)?，?dāng)粗集料較多的時(shí)候，瀝青混合料的空隙率比較大，集料之間的黏結(jié)力不足，吸入的水更多，集料之間的水多會(huì)使集料之間產(chǎn)生滑動(dòng)，導(dǎo)致殘留穩(wěn)定度變小。

②在瀝青混合料中加入礦粉(A型和C型)，會(huì)使瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度增加。這是因?yàn)?，礦粉可以填充礦料之間的空隙，而且可以與瀝青產(chǎn)生反應(yīng)，形成一定的強(qiáng)度，吸水率比較小，相對的殘留穩(wěn)定度會(huì)增加。

3　結(jié)　語

通過對不同級配和有無礦粉的大粒徑瀝青碎石進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能研究，得到如下試驗(yàn)結(jié)果：

(1)大粒徑瀝青碎石混合料中，粗集料(4.75～9.5 mm)含量較多時(shí)，大粒徑瀝青碎石的高溫穩(wěn)定性好；加入礦粉，能提高大粒徑瀝青碎石混合料的高溫穩(wěn)定性。

(2)大粒徑瀝青碎石混合料中，粗集料(4.75～9.5 mm)含量較多時(shí)，大粒徑瀝青碎石的低溫抗裂性好；加入礦粉，能提高大粒徑瀝青碎石混合料的低溫抗裂性能。

(3)大粒徑瀝青碎石混合料中，細(xì)集料(1.18～2.36 mm)含量較多時(shí)，大粒徑瀝青碎石的水穩(wěn)定性好；加入礦粉，能提高大粒徑瀝青碎石混合料的水穩(wěn)定性。

[1]郭紅兵，陳栓發(fā).開級配大粒徑瀝青碎石混合料劈裂試驗(yàn)的離散元數(shù)值分析[J].公路交通科技，2014，31(11)：22-27.

[2]童申家，雷琳，惠陣江. 幾種不同級配大粒徑瀝青混合料大馬歇爾試件研究[J]. 公路工程， 2011，36(6)：86-89.

[3]鄔俊峰，尹少榮，諸威，等.大粒徑透水性瀝青混合料級配設(shè)計(jì)方法研究[J].公路，2015，10(10)：214-218.

[4]蘇春華.大粒徑瀝青碎石混合料組成設(shè)計(jì)與振動(dòng)成型方法研究[D].西安:長安大學(xué)，2011.

[5]劉中林,王富玉，郝培文，等.大粒徑瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)的研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2004，37(7):59-63.

[6]王富玉.大粒徑瀝青混合料路用性能研究[D].西安：長安大學(xué)，2001.

[7]馮俊領(lǐng).大粒徑瀝青混合料路用性能研究[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，1(1):8-13.

[8]沈金安. 瀝青與瀝青混合料的路用性能[M]. 北京：人民交通出版社，2001：15-21.

(責(zé)任編輯：陸俊杰)

The Research on the Properties of the Large Stone Asphalt Mixture with Different Gradation and Filler

GUAN Qiao-yan1,2, YAN Fang1, WANG Yao-fei3, LIU Hong-fei3

( 1.Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450000; 2.Collaborative Innovation Center for Aviation Economy Development of Henan Province, Zhengzhou 450000； 3.Henan Investigation Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.， Zhengzhou 450016, China)

Large stone asphalt mixture with good resistance to the ability of reflection cracking, can prolong the service life of the asphalt surface, improve operational performance. In order to design a good big size asphalt macadam, this paper studies mineral content level and matching the effect of its road performance. Through large size asphalt macadam designing: four different type of asphalt mixture (ATB-30), namely the coarse aggregate (4.75-9.5 mm) content more, fine aggregate content (1.18-2.36 mm), add more mineral powder, mineral powder, and the four kinds of ATB-30, it is respectively determined the optimum asphalt content and high temperature rutting resistance, low temperature splitting resistance, water stability test. Experimental results show that the mineral powder in large size asphalt macadam mixture can not only improve the water stability and the high temperature anti-rutting ability has improved; fine aggregate content of water stability of asphalt mixture will enhance, too much will make big diameter reduce the water stability of asphalt mixture.

large stone asphalt mixture; filler; gradation; high-temperature stability; the resistance of low temperature crack； water stability

2016-03-11

鄭州市建設(shè)科技項(xiàng)目(2016010120)

管巧艷(1979-)，女，河南蘭考人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)樾滦筒牧霞敖Y(jié)構(gòu)。

1671-6906(2016)04-0065-04

U414

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.014