紅色石灰?guī)r瀝青混合料組成設(shè)計(jì)與應(yīng)用①

岳愛(ài)軍, 黃健洪, 李福毅

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

0 引 言

瀝青混合料由瀝青、集料和填料經(jīng)拌和膠結(jié)而成,而瀝青混合料的材料組成設(shè)計(jì)決定瀝青路面的性能,為提高瀝青混合料的性能,如何確定細(xì)集料組成成為瀝青混合料組成設(shè)計(jì)中一個(gè)必不可少環(huán)節(jié)[1]。與石屑相比,機(jī)制砂具有含粉量少、棱角性好和表面紋理相對(duì)豐富等物理特性使其能提高瀝青混合料的性能[2]。葉勇[3]基于三維景深顯微鏡和掃描電鏡發(fā)現(xiàn)細(xì)集料棱角性與瀝青混合料黏附性呈正比。謝百惠[4]研究指出,細(xì)集料棱角性的豐富性能提高瀝青混合料的力學(xué)性能。房士偉等[5]采用均勻設(shè)計(jì)辦法發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的細(xì)集料級(jí)配能提高瀝青混合料的路用性能。姑麗比婭·艾斯卡爾[6]研究瀝青混合料高溫穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn),細(xì)集料含量越多混合料高溫性能越不佳。

從上述研究可以看出,前人在細(xì)集料對(duì)瀝青混合料性能影響進(jìn)行了大量研究,但是主要集中在細(xì)集料的關(guān)鍵篩孔、棱角性及含量等,而不同細(xì)集料材質(zhì)對(duì)紅色石灰?guī)r瀝青混合料AC-25,AC-20性能影響的研究相對(duì)較少。紅色石灰?guī)r是一種以白云石為主要成分的堿性集料,表觀呈磚紅色,其在高等級(jí)道路中應(yīng)用較少。萬(wàn)路等[7]基于X射線衍射得出,白云石含量過(guò)多會(huì)使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性下降;鄒飛[8]指出含量較多白云石的石灰?guī)r實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)其與瀝青黏附性較差而出現(xiàn)瀝青路面出現(xiàn)水損害的狀況。目前,解決紅色石灰?guī)r與瀝青粘附性較差的辦法有添加抗剝落劑、摻2%水泥替換礦粉、細(xì)集料采用精品機(jī)制砂等。精品機(jī)制砂干凈、顆粒圓潤(rùn)、級(jí)配合理且穩(wěn)定,但成本較高,2019 年廣西首次成功在鐘昭高速公路采用精品機(jī)制砂做表面層的細(xì)集料。

以AC-25,AC-20為主要研究對(duì)象,粗集料采用經(jīng)加工的紅色石灰?guī)r碎石。AC-25細(xì)集料類(lèi)型:紅色石灰?guī)r精品機(jī)制砂、石灰?guī)r石屑。AC-20細(xì)集料類(lèi)型:紅色石灰?guī)r精品機(jī)制砂、黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂。制備出四種紅色石灰?guī)r瀝青混合料,綜合分析精品機(jī)制砂材質(zhì)對(duì)紅色石灰?guī)r瀝青混合料AC-25,AC-20的組成設(shè)計(jì)及性能的影響,為提高紅色石灰?guī)r應(yīng)用于瀝青路面中、下面層的可行性,具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料

1.1 瀝 青

試驗(yàn)采用70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青、SBS改性瀝青,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

1.2 集 料

試驗(yàn)紅色石灰?guī)r取自廣西龍女石場(chǎng),其自然狀態(tài)下顏色顯磚紅。紅色石灰?guī)r精品機(jī)制砂、石灰?guī)r石屑均取自廣西龍女石場(chǎng),黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂產(chǎn)自于廣西運(yùn)江石場(chǎng),紅色石灰?guī)r的礦物組成成分如表2所示,粗、細(xì)集料的物理性質(zhì)指標(biāo)如表3,表4所示。

從表1可以看出,紅色石灰?guī)r的主要成分是白云石,可達(dá)到75%,其次為方解石和絹云母,含量分別為22%,2%,同時(shí)含有少量的褐鐵礦;從表3可以看出,紅色石灰?guī)r的物理性質(zhì)指標(biāo)均滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(GTJ E42-2005)的技術(shù)要求,但紅色石灰?guī)r與瀝青的黏附性等級(jí)僅為4級(jí),這可能與紅色石灰?guī)r集料中白云石含量偏高相關(guān),白云石表面相對(duì)光滑,白云石難以吸收瀝青形成“結(jié)構(gòu)瀝青”,“自由瀝青”相應(yīng)增多,表現(xiàn)為集料與瀝青的黏附性稍差;從表4可以看出,與黑色精品機(jī)制砂和石屑相比,紅色石灰?guī)r精品機(jī)制砂的砂當(dāng)量和棱角性相對(duì)較大,說(shuō)明其潔凈度相對(duì)較高、含雜質(zhì)土的比例更低,且抵抗集料流動(dòng)變形的性能和礦料間嵌擠作用更強(qiáng)。

表2 礦料組成成分檢測(cè)結(jié)果

表3 粗集料物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表4 細(xì)集料物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

1.3 填 料

填料為白色石灰?guī)r礦粉,產(chǎn)地為廣西海日環(huán)保實(shí)業(yè)有限公司,其基本技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 礦粉基本技術(shù)指標(biāo)

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用的粗細(xì)集料均經(jīng)熱料倉(cāng)篩分除塵的熱料,粗集料分別為1#紅色石灰?guī)r碎石(22～28)mm,2#紅色石灰?guī)r碎石(16～22)mm,3#紅色石灰?guī)r碎石(11～16)mm,4#紅色石灰?guī)r碎石(5～11)mm,5#紅色石灰?guī)r碎石(3～5)mm,細(xì)集料有6#紅色石灰?guī)r精品機(jī)制砂、7#黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂和8#石灰?guī)r石屑。

廣西地區(qū)雨熱同期,在混合料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]時(shí)要考慮其密實(shí)防水及骨架抗力的綜合功能,結(jié)合廣西高速瀝青路面工程經(jīng)驗(yàn)采用密實(shí)型粗顆粒斷級(jí)配瀝青混合料的AC-25,AC-20。AC-25的礦料組成設(shè)計(jì)為1#:2#:3#:4#:5#,細(xì)集料:礦粉=16:21:19:14:5:21:4,瀝青種類(lèi)為70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青;AC-20的礦料組成設(shè)計(jì)為2#:3#:4#:5#,細(xì)集料:礦粉=24:26:20:4:22:4,瀝青種類(lèi)為改性瀝青。AC-25,AC-20級(jí)配通過(guò)率如表6所示。AC-25r,AC-20r采用紅色石灰?guī)r精品機(jī)制砂,AC-20b采用黑色石灰?guī)r精品機(jī)制砂,AC-25w采用石灰?guī)r石屑, AC-25,AC-20的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出,AC-25,AC-20馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果均能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求。AC-25r的穩(wěn)定度要大于 AC-25w的穩(wěn)定度,AC-25r,AC-20r的空隙率要分別小于AC-25w,AC-20b,這與AC-25r,AC-20b中0.15mm～4.75mm顆粒含量較多有關(guān)。

表6 AC-25,AC-20設(shè)計(jì)級(jí)配通過(guò)百分率

表7 AC-25,AC-20的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 瀝青混合料的路用性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

在溫度為60℃,膠輪壓強(qiáng)為0.7MPa條件下進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)以判定紅色石灰?guī)r瀝青混合料AC-25,AC-20的高溫穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8可以知道,AC-20r,AC-20b的動(dòng)穩(wěn)定度均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的4000次·mm-1,這與紅色石灰?guī)r瀝青混合料AC-20采用粗顆粒密實(shí)型斷級(jí)配及細(xì)集料選用經(jīng)碎石加工的精品機(jī)制砂相關(guān);與AC-25w相比,AC-25r的動(dòng)穩(wěn)定度提高了28.2%;相對(duì)AC-20b,AC-20r的動(dòng)穩(wěn)定度提高了17.0%,這表明在高溫與外力共同作用的條件下,采用棱角性豐富的紅色精品機(jī)制砂做細(xì)集料可以增強(qiáng)瀝青混合料抵抗變形的能力。

表8 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 水穩(wěn)定性

為了更好評(píng)價(jià)紅色石灰?guī)r瀝青混合料水穩(wěn)定性,開(kāi)展1次、2次、3次、5次凍融循環(huán)試驗(yàn),以模擬瀝青混合料在工程應(yīng)用的情況,試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 凍融循環(huán)下AC-25,AC-20凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比

由圖1可以看出,經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后,AC-25r,AC-25w的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別為94.3%,84.2%,均能滿足規(guī)范要求[10];相對(duì)AC-25w,經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后的AC-25r劈裂抗拉強(qiáng)度比提高10.2%,表明AC-25r的水穩(wěn)定性能更好,這與紅色精品機(jī)制砂瀝青混合料更加密實(shí)相關(guān);經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后,AC-20r,AC-20b的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別為98.1%,94.6%,均能滿足規(guī)范要求[10];相對(duì)AC-20b,經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后的AC-20r凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比提高了7.7%,表明AC-20r的抗水損害性能更好,這亦與瀝青混合料的密實(shí)度相關(guān)。

4 瀝青混合料的力學(xué)性能

瀝青混合料強(qiáng)度根據(jù)其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)可以分為兩個(gè)方面:(1)集料顆粒間的嵌擠作用;(2)瀝青膠結(jié)料的黏結(jié)性。通過(guò)摩爾-庫(kù)侖內(nèi)摩擦理論對(duì)紅色石灰?guī)r瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行分析,并采用黏聚力和內(nèi)摩擦角做分析指標(biāo)。試驗(yàn)采用雙面擊實(shí)功為75次馬歇爾試件,溫度T分別為15℃,30℃,40℃,50℃,60℃,AC-25,AC-20試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出,與AC-25黏聚力變化規(guī)律相同,AC-20黏聚力隨著溫度的上升而減小,瀝青混合料在40℃后表現(xiàn)出黏彈性,這與瀝青是感溫性材料相關(guān);紅色精品機(jī)制AC-20r的黏聚力也大于采用黑色精品機(jī)制砂的AC-20b;從圖2還可以看出,與AC-25w,AC-20b分別相比,AC-25r,AC-20r黏聚力相應(yīng)更大,這與紅色精品機(jī)制砂砂當(dāng)量較高,含雜質(zhì)土相對(duì)較少,增加了與瀝青的接觸面,形成的“結(jié)構(gòu)瀝青”數(shù)目較多相關(guān)。

從圖3可以看出,在相同的試驗(yàn)溫度及細(xì)集料相同下,與AC-25r相比,AC-20r的內(nèi)摩擦角相對(duì)較小,這與混合料的最大粒徑相關(guān),內(nèi)摩擦角取決于集料間嵌擠咬鎖作用。AC-25,AC-20的內(nèi)摩擦角隨溫度升高不斷增大,這是由于溫度升高,瀝青的流變性能增強(qiáng),使得礦料表面的瀝青膜發(fā)生滑移,瀝青膜厚度減薄,礦料間嵌擠作用加強(qiáng),內(nèi)摩擦角變大;但分別與AC-25w,AC-20b相比,采用棱角性豐富的紅色精品機(jī)制砂瀝青混合料AC-25r,AC-20r內(nèi)摩擦角更大,即其具有更好的高溫穩(wěn)定性,與表8得出的結(jié)論一致。

圖2 AC-25,AC-20黏聚力隨溫度變化關(guān)系

圖3 AC-25,AC-20內(nèi)摩擦角隨溫度變化關(guān)系

5 試驗(yàn)段鋪筑效果

不同細(xì)集料中、下面層瀝青路面平整,芯樣完整密實(shí)均形成骨架結(jié)構(gòu),瀝青路面芯樣密度與混合料的理論最大密度之比均滿足規(guī)范要求,具有良好的密實(shí)性,瀝青路面壓實(shí)度如表9所示,部分芯樣如圖4所示。但精品機(jī)制砂紅色石灰?guī)r中、下面層瀝青路面會(huì)出現(xiàn)“露紅”現(xiàn)象(如圖5所示),這與紅色精品機(jī)制砂呈顯紅色,紅色石灰?guī)r集料中含有的白云石與瀝青黏附性稍差,輪胎壓路機(jī)噴涂植物油隔離劑粘走部分瀝青膜相關(guān),為此,在瀝青路面施工過(guò)程中應(yīng)合理控制輪胎壓路機(jī)的碾壓遍數(shù),避免出現(xiàn)過(guò)度碾壓現(xiàn)象。

表9 中、下面層精品機(jī)制砂紅色石灰?guī)r瀝青路面的壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

圖4 精品機(jī)制砂紅色石灰?guī)r瀝青混合料芯樣

圖5 精品機(jī)制砂紅色石灰?guī)r中面層試驗(yàn)段效果

6 結(jié) 論

(1)紅色石灰?guī)r瀝青混合料AC-25,AC-20的19mm,9.5mm,4.75mm,2.36mm,0.6mm,0.075mm的通過(guò)率為95.2%～80.2%,44.8%～50.9%,30.1%～30.4%,23.5%～24.2%,10.2%～10.5%,5.1%～5.2%,能形成骨架結(jié)構(gòu),高溫抗車(chē)轍性好。

(2)凍融循環(huán)下,與其他細(xì)集料瀝青混合料相比,5次凍融循環(huán)后的紅色精品機(jī)制砂瀝青混合料AC-25,AC-20的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比更高,具有更好的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性。

(3)與其他細(xì)集料瀝青混合料相比,在30℃～60℃時(shí)紅色精品機(jī)制砂AC-25,AC-20的黏聚力與內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)增大,紅色精品機(jī)制AC-25,AC-20的力學(xué)性能更佳。