石灰?guī)r粗集料瀝青路面抗滑耐磨性能研究

周游

摘要：文章從石灰?guī)r集料的抗滑耐磨性能入手，研究了不同集料類型和級(jí)配下石灰?guī)r粗集料瀝青混合料的抗滑耐磨特性。結(jié)果表明：（1）石灰?guī)r的磨光、壓碎、磨耗以及沖擊性能均能滿足瀝青路面施工隊(duì)集料的技術(shù)要求;（2）相同磨耗圈數(shù)下，砂巖擺值>玄武巖擺值>石灰?guī)r擺值，并且擺值隨磨耗圈數(shù)呈冪函數(shù)降低;（3）通過對(duì)比四種級(jí)配下的擺值衰變規(guī)律，確定了最佳級(jí)配和油石比;（4）通過對(duì)實(shí)際工程試驗(yàn)路段的檢測(cè)和效益分析可知，在最佳配比下，石灰?guī)r瀝青路面的抗滑性能較佳，且具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，可在瀝青路面設(shè)計(jì)施工中合理應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：石灰?guī)r;抗滑耐磨;集料類型;級(jí)配;擺值

中圖分類號(hào)：U416.217A240864

0 引言

瀝青路面是高速公路的主要結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)前，普遍使用玄武巖[1]、砂巖[2]、輝綠巖[3]作為瀝青路面的粗集料，很少用到石灰?guī)r，這是因?yàn)楣こ探绲钠毡檎J(rèn)知是石灰?guī)r瀝青路面的抗滑穩(wěn)定性不能滿足相關(guān)技術(shù)要求[4-5]。隨著玄武巖、輝綠巖等材料被大量消耗，材料價(jià)格也逐漸上升，使得工程成本大大增加，而石灰?guī)r的儲(chǔ)量巨大且分布較廣，可以大大緩解工程建設(shè)資金壓力，因此，研究石灰?guī)r粗集料瀝青路面抗滑耐磨性能具有十分重要的工程意義。

李菁若等對(duì)石灰?guī)r碎石篩選技術(shù)進(jìn)行了研究，提出優(yōu)先選用白云石和石英含量較多的石灰?guī)r作為瀝青混合料的粗集料[6];周興林等通過試驗(yàn)表明，在酸性環(huán)境下SMA-13的抗滑性能優(yōu)于AC-13，且在酸性腐蝕作用下石灰?guī)r瀝青混合料的抗滑性能較平常降低5%～10%[7];黎曉等對(duì)石灰?guī)r排水瀝青路面的攤鋪工序和性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，石灰?guī)r瀝青路面的各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)要求[8]。目前，主要采用抗滑性能衰減率對(duì)瀝青混合料的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估[9-10]，熊劍平等對(duì)石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能衰變特性進(jìn)行了研究，對(duì)比分析AC-13及SMA-13混合料的抗滑衰變特性，并認(rèn)為當(dāng)石灰?guī)r集料的粒形接近球體或立方體時(shí)有助于混合料的抗滑穩(wěn)定性[11]。

目前，關(guān)于石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能的研究仍比較鮮見，本文首先從石灰?guī)r集料的抗滑耐磨性能入手，探討分析了不同集料類型和級(jí)配下石灰?guī)r粗集料瀝青混合料的抗滑耐磨特性，并從經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)性各方面進(jìn)行了對(duì)比，可為石灰?guī)r粗集料瀝青的推廣使用提供借鑒。

1 石灰?guī)r集料抗滑耐磨特性

影響瀝青路面抗滑耐磨性能的主要因素為集料性質(zhì)及集料級(jí)配，而瀝青路面中提供摩擦力的主要成分為混合料中的粗集料。因此，首先對(duì)取自某高速公路項(xiàng)目的石灰?guī)r粗集料進(jìn)行磨光、壓碎、磨耗及沖擊性能試驗(yàn)，測(cè)試石灰?guī)r本身的抗滑耐磨性能，其結(jié)果見表1。從表中可以看到：高速公路對(duì)集料的極限磨光值不超過42%，而在經(jīng)歷2次、3次和4次1 200圈磨光圈數(shù)后，石灰?guī)r集料的磨光值分別為34%、40.2%和40.87%，均低于42%，石灰?guī)r集料的磨光值在前期磨光量較大，但隨著磨光次數(shù)逐漸增大，后期的磨光值較小，這說明將石灰?guī)r集料應(yīng)用于高速公路瀝青路面，其抗滑性能能夠得到充分保證;隨著壓力荷載逐漸增大，石灰?guī)r粗集料的壓碎值基本呈線性增長，當(dāng)壓力值達(dá)到700 kN后，其壓碎值僅為24.8%，符合規(guī)范中≤26%的相關(guān)要求，因此，將石灰?guī)r應(yīng)用于高速瀝青路面，其耐久性可以得到足夠的保障;磨耗損失值隨磨耗圈數(shù)的增加呈加速增大的變化特征，當(dāng)磨耗圈數(shù)為1 200圈時(shí)，石灰?guī)r粗集料的磨耗損失為26%，<規(guī)范要求的28%限值，說明將石灰?guī)r粗集料應(yīng)用于瀝青路面時(shí)，其耐磨性能符合相關(guān)要求;沖擊值隨著沖擊次數(shù)的增加呈線性增長，當(dāng)沖擊次數(shù)達(dá)到40次后，石灰?guī)r粗集料的沖擊值為27.2%，仍滿足規(guī)范要求的≤28%的相關(guān)要求，可見，石灰?guī)r瀝青路面的抗行車輪胎沖擊能力可以滿足相關(guān)技術(shù)要求。

2 石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能

2.1 集料的影響

分別對(duì)石灰?guī)r、玄武巖和砂巖這三種粗集料瀝青混合料的抗滑性能進(jìn)行了對(duì)比分析，見圖1。從圖1中可以看到：隨著磨耗圈數(shù)的增加，瀝青混合料的擺值呈逐漸減小趨勢(shì)，且前期的下降幅度大于后期的下降幅度，這是因?yàn)榍捌跒r青薄膜消耗較快，當(dāng)表層的瀝青薄膜磨光后，將由骨料承受磨耗，而骨料的抗磨耗能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于瀝青薄膜，故而后期的下降幅度減小;采用石灰?guī)r作為瀝青混合料時(shí)，磨耗圈數(shù)達(dá)到14 400圈后，擺值衰減呈穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)采用玄武巖或砂巖作為瀝青混合料時(shí)，在磨耗圈數(shù)為7 200圈后，擺值呈穩(wěn)定衰減狀態(tài);相同磨耗圈數(shù)下，砂巖的擺值最大，玄武巖次之，石灰?guī)r最小;當(dāng)未進(jìn)行磨耗時(shí)，石灰?guī)r、玄武巖和砂巖的擺值分別為60.5、65.1和68.1，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范>56的要求，因此石灰?guī)r瀝青混合料的擺值符合相關(guān)功能要求。

2.2 級(jí)配的影響

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了四種不同級(jí)配的石灰?guī)r瀝青混合料，級(jí)配情況見圖2。級(jí)配1組的骨料粒徑主要集中于2.36～9.5 mm，達(dá)到63%;級(jí)配2組的骨料粒徑主要集中于2.36～13.2 mm，占比為65%;級(jí)配3組的骨料粒徑主要集中于4.75～13.2 mm，占比為68%;級(jí)配4組的骨料粒徑主要集中于9.5～13.2 mm，占比為76%。通過室內(nèi)試驗(yàn)確定出四組級(jí)配下石灰?guī)r瀝青混合料的最佳油石比分別為5.6%、4.1%、6.3%和4.4%。

不同級(jí)配下石灰?guī)r瀝青混合料的擺值隨磨耗圈數(shù)變化情況見圖3。從圖中可以看到：不同級(jí)配下的擺值隨磨耗圈數(shù)的變化情況均比較相似，也是呈先快速降低，后穩(wěn)定減小的衰減狀態(tài)。磨耗初期，相同磨耗圈數(shù)下，級(jí)配4組的擺值最大，其次為級(jí)配3組，再次為級(jí)配2組，最小的為級(jí)配1組。可見，石灰?guī)r瀝青混合料的抗滑耐磨特性隨著骨料粒徑的增大而增大，隨著磨耗地繼續(xù)進(jìn)行，四組的擺值均有不同程度降低，級(jí)配4組的擺值依然最大，但其余3組的擺值變化較為復(fù)雜，且相差不大。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：級(jí)配對(duì)石灰?guī)r瀝青混合料的抗滑性有較大影響。

3 工程應(yīng)用分析

3.1 性能檢測(cè)

采用石灰?guī)r集料進(jìn)行瀝青混合料的配制（級(jí)配4、最佳油石比4.4%，現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整），并在某高速公路試驗(yàn)路段（共200 m）進(jìn)行鋪筑，然后對(duì)其抗滑性能參數(shù)（構(gòu)造深度、橫向應(yīng)力系數(shù)、擺值）進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見圖4。從圖中可以看到：在路面鋪筑完成后，各測(cè)試斷面的構(gòu)造深度均>0.5 mm，經(jīng)歷3年的運(yùn)營后，構(gòu)造深度均有不同程度減小，平均減小幅度為32.1%，除了K60測(cè)試點(diǎn)構(gòu)造深度<0.5 mm外，其余測(cè)試點(diǎn)均>0.5 mm，可見，石灰?guī)r瀝青路面具有較好的耐磨性能。在最初鋪筑完成后，路面的橫向力系數(shù)分布較為均勻，沒有出現(xiàn)較大變化，這說明試驗(yàn)路段鋪筑施工水平良好，且路段的抗滑能力比較接近（均>60，符合設(shè)計(jì)規(guī)范），路面運(yùn)行3年后，橫向力系數(shù)有所降低，平均下降幅度為30%，但平均橫向力系數(shù)仍然有48.5，可見石灰?guī)r瀝青混合料具有較好的抗滑性能。瀝青路面的擺值要求>45，從圖4（c）中可以看到：運(yùn)營前后的路面擺值均>45，且最初鋪筑的擺值與運(yùn)營三年后的路面擺值相差不大，平均下降幅度僅為6.8%，可見，石灰?guī)r瀝青路面的抗滑耐磨性能優(yōu)良。

3.2 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

中國是世界上石灰?guī)r礦資源最為豐富的國家之一，而山西省的石灰?guī)r資源在全國也名列前茅，在高速公路基礎(chǔ)設(shè)施工程快速發(fā)展的當(dāng)下，逐步轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的瀝青路面鋪筑形式，可以取得很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，其主要原因如下：

（1）采用石灰?guī)r石材可以大大節(jié)省運(yùn)輸成本。由于玄武巖分布不均，且因?yàn)榻┠陙淼拇罅渴褂?，玄武巖石材的儲(chǔ)量已出現(xiàn)大幅下滑，若使用玄武巖，就不得不從遠(yuǎn)處石材廠購買優(yōu)質(zhì)的玄武巖石材，結(jié)合某300 km瀝青高速公路為例，采用外地購買玄武巖石材的運(yùn)輸費(fèi)用大概為2 830萬元，而從沿線購采石灰?guī)r石材的運(yùn)輸費(fèi)用僅為1 215萬元，相比之下可以節(jié)約近一半的運(yùn)輸費(fèi)用。

（2）石灰?guī)r價(jià)格低廉，材料采購成本大幅減少。由于玄武巖的儲(chǔ)量較少，且開采難度較石灰?guī)r大，因此其單價(jià)較石灰?guī)r高，根據(jù)多家石材廠商的問價(jià)調(diào)查顯示，石灰?guī)r的平均單價(jià)較優(yōu)質(zhì)玄武巖的平均單價(jià)低約30%。

（3）石灰?guī)r能在沿線就地取材，可以促進(jìn)公路沿線石材廠的發(fā)展，增加當(dāng)?shù)氐木蜆I(yè)機(jī)會(huì)，對(duì)推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)語

（1）石灰?guī)r作為瀝青混合集料，其自身的磨光、壓碎、磨耗、及沖擊性能均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）相同磨耗圈數(shù)下，砂巖的擺值最大，玄武巖次之，石灰?guī)r最小，且三者均滿足瀝青混合料對(duì)擺值的要求;級(jí)配對(duì)石灰?guī)r瀝青混合料的抗滑性有較大影響，在保證混合料拌和均勻及其他性能的前提下，適當(dāng)增加骨料粒徑可以提高混合料的抗滑耐磨性。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段的性能檢測(cè)，認(rèn)為石灰?guī)r粗集料瀝青路面的構(gòu)造深度、橫向應(yīng)力系數(shù)、擺值等各項(xiàng)參數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范，且具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，值得在工程實(shí)踐中得到合理運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李獻(xiàn)勇.玄武巖纖維增強(qiáng)BRA改性SMA-13瀝青混合料路用性能研究[J/OL].公路與汽運(yùn)，2019（6）：66-69.

[2]馬曉暉.砂巖SMA-13混合料在瀝青表面層的應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2016，12（11）：47-48.

[3]吳 敏，叢 林.輝綠巖瀝青混合料在貴州惠羅高速公路的應(yīng)用研究[J].交通科技，2016（2）：176-179.

[4]肖千里.典型瀝青路面抗滑與耐磨性能的對(duì)比分析[J].江西建材，2016（6）：213-214.

[5]李菁若，張東長，譚 巍.粗集料的抗滑耐磨性能評(píng)價(jià)新方法[J].公路交通科技，2016，33（12）：76-82.

[6]李菁若，譚 巍，羅忠祥，等.用于瀝青路面抗滑表層的石灰?guī)r碎石篩選技術(shù)[J].新型建筑材料，2018，45（4）：70-73.

[7]周興林，劉萬康，冉茂平，等.酸雨對(duì)石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性的影響[J].公路，2016，61（8）：26-31.

[8]黎 曉，陳華斌，程志豪，等.石灰?guī)r排水瀝青路面試驗(yàn)路及施工質(zhì)量控制研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017，13（11）：97-99.

[9]陳曉梅，郭健禹，李 瑩.采用抗滑性能衰減率設(shè)計(jì)抗滑耐久型瀝青混合料[J].中外公路，2019，39（5）：226-229.

[10]李菁若，吳卓科，陳小莉，等.瀝青混合料抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與抗滑壽命預(yù)估方法研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，38（12）：69-75.

[11]熊劍平，劉 可，翟 龍，等.石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能衰變特性研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（S1）：495-499，505.

收稿日期：2020-05-08