花崗巖機(jī)制砂對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響試驗(yàn)研究

趙文坤， 馮浩， 朱宇杰

(1.中交第一航務(wù)工程局有限公司， 天津市 300461；2.南京潤(rùn)程工程咨詢有限公司)

1 概述

瀝青路面水損害是瀝青路面典型的早期損壞之一，瀝青與集料黏附性差是造成瀝青路面水損害的根本原因。為保證瀝青與集料的黏附性，中國(guó)高速公路通常采用黏附性較好的石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖等堿性或中性石料作為瀝青面層集料。隨著近幾年國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的逐步重視，優(yōu)質(zhì)路用集料的日漸匱乏，酸性花崗巖集料逐步得到應(yīng)用。例如廣東省汕汾高速、江西省贛定高速、廣西岑梧高速、遼寧丹莊高速、湖北麻武高速公路等均有花崗巖集料應(yīng)用于瀝青混合料的成功案例。

中國(guó)高速公路瀝青路面主要將花崗巖作為粗集料使用，對(duì)于花崗巖細(xì)集料的應(yīng)用相對(duì)保守，絕大部分省份高速公路建設(shè)要求采用石灰?guī)r機(jī)制砂作為細(xì)集料，甚至禁止使用玄武巖和輝綠巖機(jī)制砂。張明、王月峰等進(jìn)行了花崗巖細(xì)集料與石灰?guī)r細(xì)集料的對(duì)比分析，得出采用花崗巖細(xì)集料的瀝青混合料水穩(wěn)定性不如石灰?guī)r細(xì)集料，通過(guò)摻加抗剝落材料，花崗巖細(xì)集料混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)于石灰?guī)r細(xì)集料混合料。

廣東玉湛高速公路位于廣東省湛江市，當(dāng)?shù)厥a(chǎn)花崗巖，缺乏石灰?guī)r等其他石料，項(xiàng)目擬采用花崗巖作為中下面層粗、細(xì)集料。該文以在建廣東玉湛高速公路為依托工程，通過(guò)對(duì)比摻加不同水泥劑量的花崗巖機(jī)制砂與石灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響，進(jìn)行花崗巖機(jī)制砂在中下面層的應(yīng)用性能研究。

2 試驗(yàn)方案

使用水泥替代部分或全部礦粉是減小水損害、提高瀝青與集料黏附性的主要方法之一， 也是國(guó)際公認(rèn)的最有效方法。該文試驗(yàn)研究以水泥作為抗剝落劑，通過(guò)將摻加不同水泥劑量的花崗巖機(jī)制砂與石灰?guī)r機(jī)制砂瀝青混合料水穩(wěn)定性能對(duì)比，分析花崗巖機(jī)制砂對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)步驟如下：

步驟1：設(shè)計(jì)未摻水泥的花崗巖機(jī)制砂GAC-25瀝青混合料配合比，作為基準(zhǔn)配合比。為減小空隙率對(duì)混合料水穩(wěn)定性能的影響，瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率控制為4.0%±0.1%。

步驟2：在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，分別用不同摻量(1.0%、1.5%、2.0%)水泥替代礦粉，測(cè)試不同水泥劑量下，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果，并觀察試驗(yàn)后試件的開(kāi)裂情況，確定花崗巖機(jī)制砂最佳的水泥摻量。

步驟3：采用相同比例的石灰?guī)r機(jī)制砂替代花崗巖機(jī)制砂，分別測(cè)試未摻水泥和最佳的水泥摻量下，不同機(jī)制砂瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)延長(zhǎng)浸水馬歇爾試驗(yàn)浸水時(shí)間(96 h)和增加凍融循環(huán)次數(shù)(2次凍融)方法，評(píng)價(jià)不同機(jī)制砂混合料水穩(wěn)定性差異。

3 水泥劑量對(duì)花崗巖機(jī)制砂混合料水穩(wěn)定性能影響分析

3.1 原材料

(1) 粗集料。此次配合比設(shè)計(jì)采用GAC-25型瀝青混合料，采用花崗巖粗集料，規(guī)格分別為：20～25、10～20、5～10、3～5 mm。粗集料檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 花崗巖粗集料檢測(cè)指標(biāo)

(2) 細(xì)集料。分別采用花崗巖機(jī)制砂和石灰?guī)r機(jī)制砂，細(xì)集料級(jí)配及指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 花崗巖機(jī)制砂和石灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配及指標(biāo)

(3) 瀝青、水泥、礦粉。采用殼牌AH-70#道路石油瀝青作為配合比試驗(yàn)瀝青，采用P.O.42.5級(jí)水泥作為抗剝落劑，礦粉采用石灰?guī)r礦粉。瀝青、水泥和礦粉指標(biāo)皆滿足要求。

3.2 基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

采用花崗巖粗集料和機(jī)制砂，按4.0%±0.1%設(shè)計(jì)空隙率進(jìn)行GAC-25瀝青混合料設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)配合比結(jié)果見(jiàn)表3、4。

表3 基準(zhǔn)配合比原材料比例及混合料體積指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果

表4 基準(zhǔn)配合比級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果(摻配比例編號(hào)：1)

3.3 不同摻配比例配合比設(shè)計(jì)

在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，分別采用1.0%、1.5%、2.0%水泥替代礦粉，其余原材料比例不變。不同摻配比例配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5、6。

表5 不同水泥劑量花崗巖機(jī)制砂原材料比例及混合料體積指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果

表6 不同水泥劑量花崗巖機(jī)制砂混合料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥代替礦粉后，混合料級(jí)配、空隙率和穩(wěn)定度無(wú)較大的變化，因此可以排除混合料體積指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3.4 水泥劑量對(duì)花崗巖機(jī)制砂混合料水穩(wěn)性能影響

分別采用表5摻配比例，進(jìn)行瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同摻配比例混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知：

(1) 未摻水泥的花崗巖機(jī)制砂混合料，殘留穩(wěn)定度能夠滿足要求，劈裂強(qiáng)度比不滿足要求。

(2) 摻加1.0%水泥后，花崗巖機(jī)制砂瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比較未摻水泥時(shí)提高了22.6%，且滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 隨著水泥劑量的提高，花崗巖機(jī)制砂瀝青混合料48 h浸水馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融前后的劈裂強(qiáng)度逐步提高。劈裂強(qiáng)度比上升至最大值后呈下降趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在1.5%水泥劑量附近。表明瀝青混合料存在最佳水泥摻量范圍。

(4) 水泥摻量為1.5%時(shí)，部分未凍融循環(huán)試件劈裂試驗(yàn)后，發(fā)生脆性開(kāi)裂；水泥摻量為2.0%時(shí)，凍融循環(huán)前后部分試件劈裂試驗(yàn)后均發(fā)生了脆性開(kāi)裂，見(jiàn)圖1。試件在非凍融條件下較凍融條件下更容易開(kāi)裂。表明摻加水泥會(huì)使瀝青混合料變硬，脆性變大，從而影響瀝青混合料的抗裂性能，容易產(chǎn)生裂縫。

圖1 1.5%、2.0%水泥劑量部分試件劈裂后脆性開(kāi)裂

綜合比較不同水泥摻量混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比結(jié)果，結(jié)合混合料試件劈裂試驗(yàn)后開(kāi)裂狀態(tài)及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇1.0%水泥摻量為配合比最佳水泥摻量。

4 花崗巖機(jī)制砂與石灰?guī)r機(jī)制砂混合料水穩(wěn)定性對(duì)比分析

進(jìn)行0%、1.0%、2.0%水泥劑量花崗巖機(jī)制砂和0%、1.0%石灰?guī)r機(jī)制砂混合料水穩(wěn)定性對(duì)比分析。為減少級(jí)配差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，石灰?guī)r機(jī)制砂混合料采用與摻配比例編號(hào)1、2相同的粗集料、礦粉、水泥、瀝青材料和比例，采用相同比例石灰?guī)r機(jī)制砂代替花崗巖機(jī)制砂，配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表8、9。

表8 不同水泥劑量石灰?guī)r機(jī)制砂原材料比例及混合料體積指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果

表9 不同水泥劑量石灰?guī)r機(jī)制砂混合料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

為測(cè)試不同機(jī)制砂的水穩(wěn)定性，進(jìn)行如下試驗(yàn)：

(1) (延長(zhǎng)時(shí)間)浸水馬歇爾試驗(yàn)。通過(guò)延長(zhǎng)馬歇爾試驗(yàn)的浸水時(shí)間，分別測(cè)試馬歇爾試驗(yàn)在60 ℃水浴中浸泡0.5、48和96 h的馬歇爾穩(wěn)定度，并計(jì)算殘留穩(wěn)定度。

(2) 2次凍融循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)增加凍融循環(huán)次數(shù)，分別測(cè)試馬歇爾試件在凍融0、1、2次后的劈裂強(qiáng)度，并計(jì)算劈裂強(qiáng)度比TSR。

由于96 h殘留穩(wěn)定度和2次凍融后劈裂強(qiáng)度比TSR沒(méi)有相關(guān)的指標(biāo)要求規(guī)定，因此主要通過(guò)對(duì)比兩種機(jī)制砂混合料指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同機(jī)制砂對(duì)混合料水穩(wěn)定性影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10表明：

(1) 未摻水泥的石灰?guī)r機(jī)制砂混合料1次凍融循環(huán)后劈裂強(qiáng)度比TSR滿足設(shè)計(jì)要求，明顯優(yōu)于未摻水泥花崗巖機(jī)制砂。

(2) 摻1.0%水泥的花崗巖機(jī)制砂混合料，其48、96 h殘留穩(wěn)定度及2次凍融劈裂強(qiáng)度接近未摻水泥的石灰?guī)r機(jī)制砂混合料，其1次凍融劈裂強(qiáng)度比優(yōu)于未摻水泥的石灰?guī)r機(jī)制砂混合料。摻2.0%水泥的花崗巖機(jī)制砂混合料，其各項(xiàng)水穩(wěn)定性指標(biāo)均略高于未摻水泥的石灰?guī)r機(jī)制砂混合料。

(3) 摻1.0%水泥的石灰?guī)r機(jī)制砂混合料，其各項(xiàng)水穩(wěn)定性指標(biāo)明顯優(yōu)于摻1.0%水泥花崗巖機(jī)制砂混合料，凍融循環(huán)指標(biāo)明顯優(yōu)于摻2.0%水泥的花崗巖機(jī)制砂混合料。

(4) 可認(rèn)為花崗巖機(jī)制砂摻混合料總質(zhì)量的1.0%～2.0%水泥后，與未摻水泥的石灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響效果相當(dāng)。

5 結(jié)論

(1) 花崗巖機(jī)制砂抗剝落性能差，其瀝青混合料試件1次凍融循環(huán)后劈裂強(qiáng)度比TSR不滿足設(shè)計(jì)要求，明顯低于石灰?guī)r機(jī)制砂瀝青混合料。

(2) 摻加1.0%水泥時(shí)，花崗巖機(jī)制砂混合料水穩(wěn)定性明顯改善，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 隨著水泥摻量的提高，混合料48 h浸水馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融前后的劈裂強(qiáng)度逐步提高。劈裂強(qiáng)度比于1.5%水泥劑量附近出現(xiàn)最大值。

(4) 水泥摻量為1.5%及以上時(shí)，瀝青混合料試件凍融劈裂試驗(yàn)后出現(xiàn)不同程度開(kāi)裂，表明隨著水泥劑量的提高，瀝青混合料逐漸變脆而開(kāi)裂。因此，最佳水泥劑量為1.0%。

(5) 花崗巖機(jī)制砂與石灰?guī)r機(jī)制砂混合料水穩(wěn)定性對(duì)比分析結(jié)果表明，花崗巖機(jī)制砂摻入混合料總質(zhì)量的1.0%～2.0%水泥后，與未摻水泥的石灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響效果相當(dāng)。