集料粉塵含量對瀝青混合料路用性能的影響研究

楊基強(qiáng)

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

近幾年來，我國高速公路里程持續(xù)增長，對公路路用性能的要求逐漸提高，因此市場對集料的需求量也越來越大。近年來，優(yōu)質(zhì)石料資源已經(jīng)被大量消耗，國家對環(huán)境的保護(hù)力度也進(jìn)一步加大，已有部分未能達(dá)到環(huán)保要求的料場面臨著不得不關(guān)閉的情況。在此背景下，江蘇省內(nèi)交通工程建設(shè)市場面臨如下問題：①沒有本地石料可用，需從外省運回，施工單位集料采購成本增加，工程造價隨之增加；②可供施工企業(yè)選擇的集料較少，集料采購料場不固定。以上問題導(dǎo)致集料質(zhì)量的波動，進(jìn)而影響混合料的路用性能。

課題組調(diào)查了10年前與近年來江蘇省高速公路面層所用石灰?guī)r加工廠生產(chǎn)的0～3 mm料的粉塵含量，統(tǒng)計結(jié)果如下：10年前集料粉塵含量平均值在8.2%左右，近年來粉塵含量平均值在12.2%左右，呈增加趨勢；10年前，粉塵含量小于12.5%的集料占比99.99%，近年來，粉塵含量小于12.5%的集料占比60.99%。這一結(jié)果表明，目前江蘇省高速公路面層所用石灰?guī)r石料加工廠生產(chǎn)的0～3 mm 料粉塵含量趨向《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[1](以下簡稱“規(guī)范”)要求的控制范圍臨界值，甚至有超標(biāo)現(xiàn)象出現(xiàn)。大量研究表明，如粒徑較小的石料包含太多粉塵，容易導(dǎo)致瀝青漿體，即瀝青與粒徑小的石料的混合物增加，導(dǎo)致拌和成的混合料空隙變少，使用時會出現(xiàn)泛油等現(xiàn)象。瀝青漿體已成為影響路面建設(shè)質(zhì)量的重要隱患之一。

陳團(tuán)結(jié)等[2]研究發(fā)現(xiàn)，粉塵含量的增加會降低集料與瀝青的黏附性等級，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)早期水損害。關(guān)旭等[3]研究發(fā)現(xiàn)，粉塵會代替部分礦粉與瀝青作用，降低結(jié)構(gòu)瀝青的比例，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)泛油現(xiàn)象。王斌[4]研究發(fā)現(xiàn)，粉塵含量的增加對瀝青混合料的體積指標(biāo)、水穩(wěn)性能均有較大的不利影響。另外，國外的許多研究也指出集塵灰會使瀝青混合料產(chǎn)生不易壓實、變脆、軟料、水敏感性提高等不良后果[5-11]。

為進(jìn)一步研究粉塵含量對瀝青混合料性能的影響，本文選取了四種粉塵含量不同的石料，并使用這四種石料制作試件，進(jìn)行路用性能試驗。

1 原材料及配合比設(shè)計

本文所用的石灰?guī)r集料產(chǎn)地為安徽來安，礦粉產(chǎn)地為安徽宣城，SBS改性瀝青產(chǎn)地為江蘇南京。

1.1 瀝青

采用的SBS改性石油瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果及要求如表1所示。

表1 SBS改性石油瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果及要求

1.2 集料

石料材質(zhì)為石灰?guī)r，顆粒粗的石料粒徑分布在1.32～1.9 cm、0.95～1.32 cm和0.475～0.95 cm之間，顆粒細(xì)的石料直徑分布在0.236～0.475 cm、0.007 5～0.236 cm之間，更細(xì)的石料則用礦粉制成，材質(zhì)為石灰?guī)r，呈堿性，相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)按照規(guī)范進(jìn)行檢測，集料密度指標(biāo)檢測結(jié)果及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 集料密度指標(biāo)檢測結(jié)果及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 配合比設(shè)計

本文采用江蘇省高速公路瀝青路面中面層典型級配Sup-20對瀝青混合料性能進(jìn)行研究，首先選用3.9%、4.4%、4.9%、5.4%四種不同的油石比制作馬歇爾試件，通過研究試驗數(shù)據(jù)確定最佳油石比為4.4%，Sup-20礦料級配如表3所示。

表3 Sup-20礦料級配

2 試驗方案

為了研究粉塵含量對瀝青混合料體積指標(biāo)和路用性能的影響，分別制備了(占0～3 mm料比例)10.5%、12.5%、15%、18%四種粉塵含量的Sup-20型瀝青混合料試件，測試旋轉(zhuǎn)壓實試件體積指標(biāo)、馬歇爾試件體積指標(biāo)和路用性能指標(biāo)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 體積指標(biāo)

3.1.1 旋轉(zhuǎn)壓實試件體積指標(biāo)

不同粉塵含量混合料旋轉(zhuǎn)壓實試件體積指標(biāo)測試結(jié)果如表4所示，集料粉塵含量對混合料旋轉(zhuǎn)壓實試件體積指標(biāo)的影響如圖1所示。

表4 不同粉塵含量混合料旋轉(zhuǎn)壓實試件體積指標(biāo)測試結(jié)果

由圖1可知：

(1) 當(dāng)粉塵含量增加時，瀝青混合料密度、瀝青飽和度、粉膠比增大，空隙率、礦料間隙率減小。

(2) 粉塵含量12.5%的集料與粉塵含量10.5%的集料相比，瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、飽和度臨近規(guī)范限值，當(dāng)集料粉塵含量繼續(xù)增加到15%時，瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、飽和度已不滿足規(guī)范要求。

(3) 與粉塵含量10.5%的集料相比，當(dāng)集料粉塵含量增加到15%時，瀝青混合料空隙率、礦料間隙率的衰減幅度最大，分別衰減了45%、16%；瀝青飽和度的增幅最大，為16%。

(4) 當(dāng)集料粉塵含量超過12.5%后，隨著集料粉塵含量的增加，瀝青混合料的粉膠比呈線性增長，過高的粉膠比會吸收加入的瀝青，使混合料呈現(xiàn)出瀝青添入太少的狀態(tài)，導(dǎo)致混合料顆粒之間黏結(jié)性較差。

3.1.2 馬歇爾試件體積指標(biāo)

不同粉塵含量混合料馬歇爾試件體積指標(biāo)測試結(jié)果如表5所示，集料粉塵含量對混合料馬歇爾試件體積指標(biāo)的影響如圖2所示。

表5 不同粉塵含量混合料馬歇爾試件體積指標(biāo)測試結(jié)果

由圖2可知：

(1) 集料粉塵含量的增加對瀝青混合料密度、穩(wěn)定度的影響不是很明顯，當(dāng)集料粉塵含量超過12.5%后，對空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、流值的影響較大。

(2) 與粉塵含量10.5%的集料相比，當(dāng)集料粉塵含量增加到15%時，空隙率、礦料間隙率分別衰減了34%、12%，瀝青飽和度增加15%，流值衰減23%。

(3) 當(dāng)集料粉塵含量增加到12.5%時，瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率臨近規(guī)范限值；當(dāng)粉塵含量繼續(xù)增加到15%時，瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度已經(jīng)不滿足規(guī)范要求。

(4) 當(dāng)集料粉塵含量增加到18%時，瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值仍然滿足規(guī)范要求，說明集料粉塵含量主要影響瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等性能。

3.2 水穩(wěn)性能

集料粉塵含量對混合料水穩(wěn)定性的影響如表6所示，集料粉塵含量對混合料水穩(wěn)性能的影響如圖3所示。

表6 集料粉塵含量對混合料水穩(wěn)定性的影響

由圖3可知：

(1) 總體來看，含有較多粉塵的石料會讓混合料對水損害的抗性降低；粉塵含量越高，混合料的劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度越低。當(dāng)粉塵含量超過12.5%后，對凍融劈裂強(qiáng)度的影響不大。

(2) 隨粉塵含量的增加，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度不斷衰減，這種衰減呈現(xiàn)出線性狀態(tài)。與粉塵含量10.5%的瀝青混合料相比，當(dāng)粉塵含量增加到18%時，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度分別衰減3.61%、3.95%，已臨近規(guī)范下限。

3.3 高溫性能

粉塵含量對混合料高溫性能的影響如表7所示，集料粉塵含量對混合料高溫性能的影響如圖4所示。

表7 粉塵含量對混合料高溫性能的影響

由圖4可知：

(1) 集料粉塵含量的增加對瀝青混合料的高溫性能造成了非常明顯的不利影響，當(dāng)集料粉塵含量超過12.5%后，隨粉塵含量的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈線性衰減；當(dāng)集料粉塵含量超過15%后，隨粉塵含量的增加，車轍深度增加幅度變大。這是由于粉塵過量，粉料不能均勻地分散在瀝青中，膠結(jié)成團(tuán)；同時，粉塵含量增加導(dǎo)致瀝青用量相對較少，不能將全部粉料顆粒裹覆，黏聚力降低，致使瀝青混合料高溫抗車轍性能下降。

(2) 與粉塵含量10.5%的集料相比，當(dāng)集料粉塵含量增加到12.5%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度增加2.17%；但同時45 min時的車轍深度增加19.76%，60 min時的車轍深度增加18.70%。

(3) 與粉塵含量12.5%的集料相比，當(dāng)集料粉塵含量增加到15%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度衰減10.58%，車轍加深程度較小。當(dāng)集料粉塵含量繼續(xù)增加到18%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度衰減17.80%；而45 min時的車轍深度增加11.34%，60 min時的車轍深度增加10.89%，此時的車轍深度已超過2 mm。

3.4 低溫性能

集料粉塵含量對混合料低溫性能的影響如表8所示，集料粉塵含量對混合料低溫性能的影響如圖5所示。

由圖5可知：

(1) 與粉塵含量10.5%的集料相比，當(dāng)集料粉塵含量增加到12.5%時，瀝青混合料的破壞應(yīng)變增加0.23%、彎曲勁度模量下降7.90%，說明集料粉塵含量的增加對混合料的低溫性能影響不大。但當(dāng)集料粉塵含量超過12.5%后，瀝青混合料的破壞應(yīng)變不斷降低，彎曲勁度模量持續(xù)增長，說明隨粉塵含量的增加，瀝青混合料低溫性能變差。這是由于集料粉塵含量的增加導(dǎo)致粉膠比過大，使得混合料勁度模量增大，即混合料低溫脆性增強(qiáng)、延性減弱。

(2) 與粉塵含量12.5%的集料相比，當(dāng)集料粉塵含量增加到15%時，瀝青混合料的破壞應(yīng)變衰減3.78%、彎曲勁度模量增加10.42%；當(dāng)集料粉塵含量繼續(xù)增加到18%時，瀝青混合料的破壞應(yīng)變衰減12.07%、彎曲勁度模量增加17.34%。

4 結(jié)論

通過對不同粉塵含量的集料制備的混合料的路用性能測試得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)集料粉塵含量增加時，瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實試件的密度、瀝青飽和度、粉膠比增大，空隙率、礦料間隙率減?。粸r青混合料馬歇爾試件密度、穩(wěn)定度的影響不是很明顯，當(dāng)集料粉塵含量超過12.5%后，對空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、流值的影響較大，甚至不滿足規(guī)范要求。

(2) 集料粉塵含量提高使瀝青混合料對水損害的抗性減弱，粉塵含量越大，混合料的劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度越小。當(dāng)集料粉塵含量增加到18%時，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度分別衰減3.61%、3.95%，已臨近規(guī)范下限。

(3) 集料粉塵含量的增加對瀝青混合料的高溫性能會造成非常明顯的不利影響，當(dāng)集料粉塵含量超過12.5%后，隨粉塵含量的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈線性衰減；當(dāng)集料粉塵含量超過15%后，隨粉塵含量的增加，車轍加深幅度變大。

(4) 集料粉塵含量的增加導(dǎo)致混合料低溫性能衰減，當(dāng)集料粉塵含量超過12.5%后，瀝青混合料的破壞應(yīng)變不斷降低，彎曲勁度模量持續(xù)增長。