石灰?guī)r集料在SMA-13瀝青混合料中的應(yīng)用

陳家焓

(廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550)

0 引言

作為一種路用性能良好的瀝青混合料，近年來瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)在我國高等級(jí)公路中的應(yīng)用日益普遍。玄武巖具備優(yōu)良的綜合性能，因此目前我國SMA粗集料主要采用玄武巖。但我國大片區(qū)域缺乏玄武巖集料，應(yīng)用石灰?guī)r等其他類型的集料，可有效降低運(yùn)費(fèi)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。研究表明[3-4]，若完全使用石灰?guī)r代替玄武巖集料，所制備的SMA-13瀝青混合料基本能滿足相關(guān)規(guī)范要求，但由于石灰?guī)r力學(xué)性能較差，混合料的力學(xué)相關(guān)性能相比于玄武巖混合料偏弱較多，一定程度限制了純石灰?guī)rSMA-13混合料的工程應(yīng)用。

為研究石灰?guī)r粗集料在SMA-13瀝青混合料中的應(yīng)用特性，本文設(shè)計(jì)三組不同集料類型的混合料，包括完全使用石灰?guī)r、完全使用玄武巖和共同使用石灰?guī)r與玄武巖集料等三種類型，研究對(duì)比了三組混合料中集料的壓碎特性與混合料的路用與力學(xué)性能。

1 原材料與混合料制備

1.1 集料

本設(shè)計(jì)三組合成集料，其中1#中粗細(xì)集料均采用石灰?guī)r;2#中9.5mm以下粒徑采用石灰?guī)r，9.5～13.2mm粒徑采用玄武巖；3#中粗細(xì)集料均采用玄武巖。所用石灰?guī)r與玄武巖集料的相關(guān)性能指標(biāo)見表1，表中括號(hào)外為石灰?guī)r集料數(shù)據(jù)，括號(hào)內(nèi)為玄武巖集料數(shù)據(jù)。

表1 石灰?guī)r與玄武巖相關(guān)性能指標(biāo)

1.2 瀝青

本試驗(yàn)所用的SBS改性瀝青符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)對(duì)I-C類SBS改性瀝青的要求[5]，各項(xiàng)指標(biāo)見表2。

表2 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.3 纖維

本試驗(yàn)采用玄武巖纖維，其摻量占集料總質(zhì)量的0.2%，相關(guān)指標(biāo)見表3。

表3 玄武巖纖維相關(guān)性能指標(biāo)

1.4 級(jí)配

本試驗(yàn)所用的級(jí)配為《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中SMA-13所推薦范圍的中值級(jí)配，不同粒徑各檔集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表4。

表4 各粒徑集料級(jí)配

1.5 油石比

通過馬歇爾試驗(yàn)，為便于比較1#、2#、3#集料所制備SMA-13混合料的性能，對(duì)三種集料統(tǒng)一采用6.5%的油石比，分別拌和得到1#、2#、3#SMA-13瀝青混合料。

2 集料抗壓特性

2.1 壓碎值

壓碎值反映集料在壓力作用下的破碎特性，石灰?guī)r與玄武巖各檔粗集料的壓碎值見表5。

表5 各檔粗集料的壓碎值 (單位：%)

(1)對(duì)不同粒徑的各檔粗集料和2.36～13.2mm之間粒徑的合成粗集料，石灰?guī)r粗集料的壓碎值均明顯高于玄武巖集料，說明各檔石灰?guī)r粗集料的力學(xué)性能相對(duì)偏弱。

(2)三組合成粗集料的壓碎值大小依次為：全石灰?guī)r(1#)>2.36～9.5mm石灰?guī)r+9.5～13.2mm玄武巖(2#)>全玄武巖(3#)。將9.5～13.2mm粒徑的集料更換為玄武巖后，合成集料的壓碎值明顯降低并接近全玄武巖集料，而此時(shí)粗集料中玄武巖用量僅占37.5%，說明在合成粗集料中搭配使用9.5～13.2mm粒徑的玄武巖和2.36～9.5mm粒徑的石灰?guī)r，可有效改善粗集料單一使用石灰?guī)r時(shí)不利的力學(xué)性能。

2.2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)

相比于工程中常用的馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)的荷載更符合實(shí)際道路上的車輛荷載。參考工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓實(shí)100次[6]，成型1#、2#、3#混合料。對(duì)成型的試件進(jìn)行抽提，對(duì)比壓實(shí)前后1#、2#、3#混合料試件中集料的級(jí)配，如圖1所示，用以分析在荷載下集料的抗壓碎性能。

圖1 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后各混合料級(jí)配變化

由圖1可知：

(1)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后，1#、2#、3#混合料均出現(xiàn)一定程度的級(jí)配細(xì)化現(xiàn)象，細(xì)化程度1#>2#>3#。其中，集料完全為石灰?guī)r的1#混合料中集料壓碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重，4.75～9.5mm和9.5～13.2mm兩檔集料被大量壓碎至4.75mm以下，此時(shí)集料級(jí)配整體偏細(xì)，與SMA混合料“三多一少”規(guī)則中粗集料與礦粉多、細(xì)集料少的要求偏離較為嚴(yán)重，不利于SMA混合料的綜合性能。

(2)2#混合料壓實(shí)后的級(jí)配曲線與3#混合料及初始級(jí)配曲線相近，且與1#混合料壓實(shí)后的級(jí)配曲線較遠(yuǎn)，說明當(dāng)9.5～13.2mm粒徑的集料采用玄武巖、其他集料采用石灰?guī)r時(shí)，SMA-13瀝青混合料中集料的抗壓碎性能相比于完全使用石灰?guī)r的集料明顯提升，更接近于完全使用玄武巖的集料。

3 混合料路用與力學(xué)性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的試驗(yàn)方法[7]，對(duì)1#、2#、3#SMA-13瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 SMA-13車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見：

(1)三組 SMA-13瀝青混合料的高溫抗車轍性能均滿足規(guī)范要求。

(2)車轍板最終變形量滿足1#>2#>3#，動(dòng)穩(wěn)定度滿足1#<2#<3#，即在高溫抗車轍性能方面，純石灰?guī)r集料SMA-13最差，純玄武巖集料SMA-13最好，石灰?guī)r玄武巖混合集料SMA-13介于兩者之間。結(jié)合圖1推測(cè)其原因在于，石灰?guī)rSMA-13車轍板經(jīng)過壓實(shí)成型后其實(shí)際級(jí)配偏細(xì)，粗骨架較少，在車轍試驗(yàn)中輪載作用下變形量更大，動(dòng)穩(wěn)定度更低。

(3)若9.5～13.2mm粒徑使用玄武巖集料，則SMA-13的粗骨架完整性相對(duì)得到保證，使混合料的高溫抗車轍性能更好。由表6可見，2#SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相比于1#更接近于3#，說明在2#混合料中9.5～13.2mm粒徑玄武巖集料的使用，有效改善了其他粒徑使用石灰?guī)r集料對(duì)SMA-13混合料高溫抗車轍性能的不利影響。

3.2 水穩(wěn)定性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的試驗(yàn)方法[7]，對(duì)三組 SMA-13混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，得到其水穩(wěn)定性指標(biāo)(表7)。

表7 SMA-13凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表7可見：

(1)三組 SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

(2)1#、2#、3#SMA-13瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比無明顯差異，說明三者的水穩(wěn)定性近似。無論是否經(jīng)過凍融循環(huán)，全玄武巖集料混合料試件的劈裂強(qiáng)度均大于全石灰?guī)r集料混合料試件，原因在于玄武巖具有更好的力學(xué)性能。對(duì)于9.5～13.2mm粒徑使用玄武巖集料、其他粒徑采用石灰?guī)r集料的2#試件，其劈裂強(qiáng)度更接近全玄武巖的3#混合料，說明其抗劈裂性能得到明顯的改善。

3.3 低溫抗裂性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的試驗(yàn)方法[7]，對(duì)三組 SMA-13瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，得到其低溫抗裂性能指標(biāo)(表8)。

表8 SMA-13低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表8可見：

(1)1#SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性滿足冬寒區(qū)的要求，2#和3#SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性進(jìn)一步滿足冬嚴(yán)寒區(qū)的要求。

(2)已有研究表明，分別采用低溫彎曲試驗(yàn)中所測(cè)得瀝青混合料小梁的抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性能，通常會(huì)得到相反的結(jié)論[8]，表8的相關(guān)數(shù)據(jù)證實(shí)了上述結(jié)論?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)以最大彎拉應(yīng)變衡量混合料的低溫抗裂性能[5]，分析其原因，實(shí)際瀝青路面在低溫環(huán)境中產(chǎn)生回縮傾向，但由于受路緣石與基層的限制難以發(fā)生形變，路面開裂的臨界狀態(tài)為內(nèi)部應(yīng)變達(dá)到最大容許應(yīng)變，因此規(guī)范中的上述規(guī)定符合道路低溫狀態(tài)下的實(shí)際工況。

(3)三組SMA-13瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變滿足1#>2#>3#，表明純石灰?guī)r集料SMA-13的低溫抗裂性最好(1#)，純玄武巖集料SMA-13的低溫抗裂性最差(3#)，石灰?guī)r玄武巖混合集料SMA-13(2#)的低溫抗裂性介于兩者之間。結(jié)合已有研究[9]，推測(cè)其可能原因在于，雖然1#、2#、3#SMA-13瀝青混合料的油石比相同，但石灰?guī)r集料表面與瀝青粘附力更強(qiáng)，瀝青與碎石整體性更好，從而增強(qiáng)了瀝青混合料的低溫抗裂性。而抗彎拉強(qiáng)度滿足1#<2#<3#，其原因應(yīng)當(dāng)與石灰?guī)r偏弱的力學(xué)性能有關(guān)。

3.4 抗?jié)B水性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的試驗(yàn)方法[7]，對(duì)三組 SMA-13混合料進(jìn)行滲水試驗(yàn)，得到其抗?jié)B水性能指標(biāo)，并根據(jù)規(guī)范測(cè)定三組混合料的空隙率[7]，結(jié)果見表9。

表9 SMA-13空隙率與滲水試驗(yàn)結(jié)果

由表9可見：

(1)三組 SMA-13瀝青混合料的滲水性能均滿足規(guī)范要求。

(2)空隙率與滲水系數(shù)均滿足1#<2#<3#，原因在于，石灰?guī)r混合料整體級(jí)配偏細(xì)，空隙率與連通空隙率較小，其抗?jié)B水能力更好。

3.5 動(dòng)態(tài)模量

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的試驗(yàn)方法[7]，對(duì)三組 SMA-13混合料進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，得到20℃下三種混合料試樣不同加載頻率(0.1Hz，0.2Hz，0.5Hz， 1Hz，2Hz，5Hz，10Hz，25Hz)下的動(dòng)態(tài)模量[10]，如圖2所示。

圖2 SMA-13動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可見，0.1～25.0Hz的動(dòng)態(tài)模量始終滿足1#<2#<3#，說明純石灰?guī)rSMA-13的力學(xué)性能偏弱，若將9.5～13.2mm粒徑的集料改用玄武巖，可有效提高混合料的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

(1)完全采用石灰?guī)r作為SMA-13的集料時(shí)，石灰?guī)r集料在荷載作用下破碎較為嚴(yán)重，級(jí)配細(xì)化現(xiàn)象明顯。當(dāng)9.5～13.2mm粒徑的集料采用玄武巖，其他集料采用石灰?guī)r時(shí)，合成集料在荷載下的抗破碎性能明顯提升，其抗壓碎性能相比于完全使用石灰?guī)r的合成集料，更接近于完全使用玄武巖的合成集料。

(2)純石灰?guī)rSMA-13的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、滲水性等路用性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求。與純玄武巖SMA-13的路用性能相比，純石灰?guī)rSMA-13混合料在低溫抗裂性、抗?jié)B水性能方面較好，水穩(wěn)定性相近，高溫穩(wěn)定性偏弱。

(3)當(dāng)9.5～13.2mm粒徑的集料采用玄武巖，其他集料采用石灰?guī)r時(shí)，所制備的SMA-13混合料性能相對(duì)折中，減弱了石灰?guī)r集料較弱的力學(xué)性能對(duì)混合料路用性能的影響，且發(fā)揮了石灰?guī)rSMA-13的低溫抗裂性、抗?jié)B水性能。

(4)純石灰?guī)rSMA-13的動(dòng)態(tài)模量較低，若將9.5～13.2mm粒徑集料改用玄武巖，可有效提高混合料的力學(xué)性能。