粗集料復(fù)摻對瀝青穩(wěn)定碎石性能影響研究*

林 豪 孔德智 汪福松 張 東 萬九鳴

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

區(qū)別于傳統(tǒng)瀝青混凝土制備中僅使用一種集料，集料復(fù)摻是通過組合兩種或多種類型的集料來制備瀝青混凝土[1-2].玄武巖和石灰石集料是瀝青路面中廣泛使用的集料，在應(yīng)用中通常單獨進(jìn)行瀝青混凝土級配設(shè)計，可達(dá)到瀝青與集料均勻混合和形成穩(wěn)定的瀝青混凝土骨架結(jié)構(gòu)的目的[3]. 安山巖是流紋巖和玄武巖的一種巖漿噴出巖中間體，與玄武巖類似，它可以在建筑和路面工業(yè)中用作骨料和填料，但由于其二氧化硅含量較高，超過40%，不是常用的瀝青混凝土用集料.其質(zhì)地堅硬，強(qiáng)度高，壓碎值較小，其表面一般多孔粗糙，且其資源分布較廣泛.從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上來看，在施工應(yīng)用中，使用安山巖集料也是可行的.

現(xiàn)有的集料復(fù)摻的研究主要集中在最大集料粒徑小于20 mm的瀝青混凝土中，對于大于20 mm的瀝青混凝土的相關(guān)研究較少.Afonso等[4-5]發(fā)現(xiàn)在瀝青混凝土中適當(dāng)使用集料復(fù)摻，可以提高其機(jī)械特性.一方面，集料的化學(xué)成分對瀝青混凝土性能有很大的影響.在玄武巖瀝青混凝土中使用石灰石細(xì)集料可以提供更好的水分穩(wěn)定性，以及變形和抗裂性[6]；另一方面，集料的形狀和質(zhì)地也在瀝青混凝土中發(fā)揮重要作用，集料的棱角性能決定著熱拌瀝青混凝土(HMA)是否具有良好穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，集料中過多的針片狀含量會破壞瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)[7].胡德明等[8]討論了石灰?guī)r與片麻巖的復(fù)摻集料，研究表明堿性的石灰石細(xì)集料的摻入可以有效提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，在片麻巖集料的使用中應(yīng)摻雜一定量的石灰?guī)r細(xì)集料以提高其路用性能.凡孝均等[9]研究了在花崗巖瀝青混凝土復(fù)摻入石灰?guī)r細(xì)集料對瀝青混凝土性能影響，其研究著重于瀝青混凝土的水穩(wěn)定性和疲勞性能，同時對活性礦粉的影響規(guī)律亦進(jìn)行了深入研究，以及如何通過石灰石優(yōu)化細(xì)骨料的替代百分比來改善這些性能.結(jié)果表明，使用石灰石細(xì)集料和活性礦粉可有效提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性.

瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25是在配碎石瀝青路面基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其為柔性基層，主要是解決瀝青路面的反射裂縫問題.其最大公稱粒徑青穩(wěn)定碎石基層和一般的密級配瀝青混合料較為相似，一般都在25 mm以上.與瀝青混凝土面層對比，消耗更多的天然粗集料，同時粗集料對其性能影響更大.

文中分別從石灰?guī)r、玄武巖和安山巖粗集料的力學(xué)、化學(xué)性能入手，對比不同集料的巖性特征和不同集料的復(fù)摻方法，引入有效密度概念對粗集料復(fù)摻方法進(jìn)行改進(jìn)，研究粗集料復(fù)摻對瀝青穩(wěn)定碎石(ATB-25)的體積性能、抗水損害性能和抗疲勞性能的影響規(guī)律.

1 試驗原材料

使用90#道路石油瀝青、石灰?guī)r礦粉填料和玄武巖細(xì)集料，用三種粗集料玄武巖、石灰?guī)r和安山巖化學(xué)成分見表1.石灰?guī)r集料屬于堿性集料，而玄武巖和安山巖屬于酸性集料.由于瀝青是一種弱酸性有機(jī)混合物，所以石灰?guī)r的弱堿性更加有助于其與瀝青的粘附作用.

表1 三種集料的化學(xué)成分組成

玄武巖、石灰?guī)r和安山巖屬于不同的礦物集料，它們化學(xué)組成和成巖環(huán)境的差異，導(dǎo)致其巖石表面成分和表面紋理有較大的區(qū)別.玄武巖具有斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為斜長石和少量橄欖石；石灰石呈灰色，主要礦物為方解石和少量石英，方解石含量85%～90%，石英含量低于5%；安山巖具有斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為斜長石、橄欖石和輝石，斑晶含量40%～50%.

2 試驗方案

2.1 配合比設(shè)計

ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石使用玄武巖集料進(jìn)行級配設(shè)計，進(jìn)行柔性基層ATB-25配合比設(shè)計，根據(jù)集料篩分試驗結(jié)果，設(shè)計的柔性基層ATB-25合成級配的各檔粒徑的集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2.

2.2 粗集料復(fù)摻方法

在瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中，粗集料起骨架作用，而細(xì)集料和礦粉起填料作用，而其級配設(shè)計中，一般不同粒徑尺寸的集料都存在.集料與瀝青拌合再加上集料間相互的嵌擠和支撐，使其共同承受反復(fù)的行車荷載.基于以上原理，集料粒徑的級配設(shè)計就對瀝青混合料的性能起到了很大的影響.在瀝青混合料領(lǐng)域，根據(jù)相關(guān)規(guī)范將集料分為粗集料和細(xì)集料，其粒徑區(qū)分界限為2.36 mm.主要使用分檔復(fù)摻和粗集料分檔復(fù)摻兩種復(fù)摻方法，見圖1.

表2 玄武巖瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25集料合成級配

圖1 集料復(fù)摻方法示意圖

分檔復(fù)摻和粗集料分檔復(fù)摻的試驗編號見表3.

表3 粗集料復(fù)摻試驗編號

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 粗集料有效密度

在集料復(fù)摻中，不同種類粗集料的密度差距較大，在替換時需考慮集料的密度.表4為三種粗集料相對密度對比，圖2為三種粗集料吸水率隨粒徑變化對比.

由表4和圖2可知，三種粗集料的隨著集料的粒徑的減小，其表觀相對密度不斷增大，毛體積密度不斷減小，吸水率也不斷增大.隨著粒徑的減小，其單位體積的集料的表面積不斷增大，而在自然形成的石料中存在著各種縫隙，表面積不斷增大，其閉口縫隙則不斷減少，開口縫隙不斷增多，這有效增加了石料吸水的能力，故其吸水率不斷的增加，進(jìn)而決定了其表觀相對密度和毛體積密度的規(guī)律性變化.三種集料的密度大小比較為：玄武巖>安山巖>石灰?guī)r；三種集料吸水率大小比較為：安山巖>玄武巖>石灰?guī)r.

表4 三種粗集料密度對比

圖2 玄武巖、安山巖、石灰?guī)r集料吸水率對比

由于瀝青混凝土是由集料，瀝青和礦粉按照合成級配通過加熱拌合而形成的復(fù)雜混合物，所以拌合后的瀝青混凝土在集料與瀝青的結(jié)合過程中，集料表面的開口孔隙既吸收了一部分瀝青進(jìn)入，又沒有完全充滿開口孔隙.因此，在計算粗集料的體積時既不能完全使用毛體積密度，也不能用粗集料的表觀密度.瀝青進(jìn)入開口孔隙的多少由于受到集料的質(zhì)地，瀝青材料以及拌合情況的影響，很難精確出來，所以在估算有效密度時常常使用表觀密度與毛體積密度的平均值，即

(1)

根據(jù)式(1)可知，三種粗集料的有效密度，結(jié)果見表5.可以在集料分檔替換時準(zhǔn)確的替換每一檔粗集料，更有利于尋找粗集料復(fù)摻對瀝青混凝土性能影響的規(guī)律.

3.2 瀝青穩(wěn)定碎石體積性能

與力學(xué)性能相比瀝青混凝土的體積性能檢測方便，且體積性能與瀝青混合料路用性能有密切的聯(lián)系.傳統(tǒng)上，瀝青混凝土的體積性能指標(biāo)在配合比設(shè)計指標(biāo)中占重要的地位.表6為粗集料復(fù)摻瀝青穩(wěn)定碎石體積性能.

表5 三種粗集料有效相對密度

表6 粗集料復(fù)摻瀝青穩(wěn)定碎石體積性能

由表6可知，使用安山巖粗集料時，瀝青混凝土的空隙率有小幅降低，使用石灰?guī)r時則可有效的降低瀝青穩(wěn)定碎石的空隙率.在粗集料分檔復(fù)摻中，可明顯看出規(guī)律：替換的集料粒徑越大，對復(fù)摻集料瀝青穩(wěn)定碎石的孔隙率的影響越大.這一方面由于在瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25中，當(dāng)集料越粗其用量也較多；另一方面越粗的集料比表面積約小，對瀝青的單位面積吸附量下降，自由瀝青相對更多，從而導(dǎo)致瀝青穩(wěn)定碎石的孔隙率的下降.

3.3 瀝青穩(wěn)定碎石抗水損害性能

3.3.1浸水馬歇爾試驗

瀝青混凝土的浸水馬歇爾試驗主要用于評價其在水損害過程中抵抗剝落的能力.粗集料復(fù)摻對瀝青穩(wěn)定碎石的浸水馬歇爾試驗結(jié)果見表7.

表7 粗集料復(fù)摻瀝青穩(wěn)定碎石浸水馬歇爾試驗結(jié)果

當(dāng)使用安山巖粗集料時，初始馬歇爾穩(wěn)定度和浸水后穩(wěn)定度都有一定程度上升，這說明使用安山巖粗集料對瀝青穩(wěn)定碎石的水穩(wěn)定性能有一定的提升效果，其原因在于安山巖集料表面較玄武巖粗糙，有利于瀝青在其表面的粘附，增加了其抵抗剝落的能力.使用石灰?guī)r粗集料可以有效提高瀝青穩(wěn)定碎石的抵抗水損害的能力.其原因在于石灰?guī)r集料屬于堿性礦料，其與瀝青的粘附等級較玄武巖更高.

在粗集料分檔復(fù)摻的三組數(shù)據(jù)對比可發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r粗集料分檔替換玄武巖，對其水穩(wěn)定性能的提高并不是無上限的，分別替換2.36～13.2 mm檔粗集料L1-B組、13.2～19 mm檔粗集料L2-B組、19～31.5 mm檔粗集料L3-B組，其無明顯區(qū)別.使用石灰?guī)r替換玄武巖可以提高其水穩(wěn)定性能這取決于其堿性的巖性，但對粗集料分檔替換時，發(fā)現(xiàn)替換不同粒徑的玄武巖其在穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度數(shù)據(jù)方面無明顯差別.

3.3.2凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗是一種評價瀝青混合料在低溫水侵蝕情況下的水穩(wěn)定性能的試驗方法，一般結(jié)果用凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR作為試驗結(jié)果，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR越大，表明其水穩(wěn)定性越好.

粗集料復(fù)摻對瀝青穩(wěn)定碎石的凍融劈裂試驗結(jié)果見表8.由表8可知，凍融劈裂試驗結(jié)果與浸水馬歇爾試驗結(jié)果類似.使用石灰?guī)r和安山巖粗集料都可以一定程度的提升瀝青穩(wěn)定碎石的抗凍融劈裂強(qiáng)度，其中安山巖粗集料的提升程度較大，這由于在低溫條件下，安山巖表面粗糙的紋理對抗水損害性能的提升更為明顯.

表8 粗集料復(fù)摻瀝青穩(wěn)定碎石凍融劈裂試驗結(jié)果

3.4 瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞性能

使用四點彎曲疲勞試驗進(jìn)行檢測粗集料分檔復(fù)摻對瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞性能的影響.使用輪碾成型后進(jìn)行切割制成的試件見圖3.

圖3 瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25試件

圖3a)中從左至右分別為BB，L1-B，L2-B，L3-B，LB組試驗試件，可從瀝青混凝土試件截面上觀察到不同粒徑的石灰?guī)r粗集料在瀝青穩(wěn)定碎石中的顆粒嵌擠情況.四點彎曲疲勞試驗結(jié)果見圖4.五組試驗中，抗疲勞性能最差的為BB組，即全玄武巖組瀝青穩(wěn)定碎石的抗疲勞性能最差，抗疲勞性能最優(yōu)的為LB組，即替換2.36～31.5 mm全部石灰?guī)r粗集料實驗組其抗疲勞性能最優(yōu).而對比L1-B，L2-B，L3-B三組可知，其中L2-B和L3-B兩組的應(yīng)變-疲勞次數(shù)曲線基本重合，而L1-B組其疲勞次數(shù)普遍高于以上兩組，這表明在ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石中，替換2.36～13.2 mm檔集料對瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25的疲勞性能的改善效果高于13.2～19 mm檔和19～31.5 mm檔.

圖4 粗集料復(fù)摻瀝青穩(wěn)定碎石疲勞實驗結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 不同種粗集料密度和吸水率不同，隨粗集料粒徑的增大，其表觀相對密度會逐漸變小，吸水率也會隨之變小.粗集料粒徑的增加會導(dǎo)致較小的表觀相對密度和較小的吸水率.有效密度可以估算瀝青穩(wěn)定碎石中粗集料的有效體積，可提高瀝青混凝土粗集料復(fù)摻研究的準(zhǔn)確性.

2) 粗集料的酸堿性、表面粗糙程度和密度差異都對瀝青穩(wěn)定碎石的體積性能有一定程度的影響.使用安山巖粗集料對體積性能影響較小.石灰?guī)r粗集料的摻入可有效降低瀝青穩(wěn)定碎石的空隙率，隨著集料粒徑的增大，其對瀝青穩(wěn)定碎石的體積性能影響越大.

3) 通過比較馬歇爾穩(wěn)定性試驗、凍融劈裂試驗和四點彎曲試驗的結(jié)果，可以看出，堿性粗集料或表面粗糙度高(較高吸水性)粗集料的摻入可以改善瀝青穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能.使用安山巖粗集料可有效提高瀝青穩(wěn)定碎石低溫條件下的抗水損害性能；使用石灰?guī)r粗集料可以顯著提高抗水損害性能，但其提升效果有自身上限，進(jìn)行粗集料部分置換也可達(dá)到相同的提升抗水損害性能的效果.

4)集料復(fù)摻方法應(yīng)著重注意不同種類集料的密度，其對瀝青混凝土體積性能影響較大.在瀝青混凝土級配設(shè)計中，復(fù)摻入部分高堿度或表面粗糙度更高的粗集料可以有效提升瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能和使用壽命.

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