方解石含量对沥青混合料性能影响的试验研究

2012-06-30汪曙光

湖南交通科技 2012年3期

汪曙光

0 前言

石灰岩主要由碳酸钙(CaCO3)组成，在建筑、冶金、化工、轻工、食品、石油、农业等诸多领域有广泛的用途［1］，其主要分布在云贵高原，即广西、云南、贵州等地区。一般石灰岩的CaCO3含量≤70%，呈灰或灰白色，可用于各级公路沥青路面中下面层。方解石的CaCO3含量一般≥97%，呈晶簇、粒状、钟乳状、鲕状或致密状，无色或白色，有玻璃光泽，硬度为3级，对沥青的粘附性较差。

现行《公路沥青路面施工技术规范》［2］集料要求的技术指标未对集料中方解石的含量做出相应限制，但由于方解石对沥青混合料的路用性能和施工性能存在较大的影响，不少省份对方解石的含量有相应的规定，如“浙江省高速公路沥青路面规范化施工与质量管理指导意见”中对方解石的含量要求≤10%，方解石的判断标准为“通过目测，将表面含有方解石颗粒的集料，视为方解石颗粒”。有的省份对沥青路面碎石料中方解石含量要求≤5%。对于方解石含量限制值的差异，与石灰岩与方解石的共生状态、方解石的判断标准、方解石的性质甚至公路的等级等有关。

广西石灰岩分布广泛。一般作为路面碎石材料应用在沥青路面中下面层，因为石灰岩中的方解石性脆，路面施工碾压易破碎，影响沥青路面施工性能和使用性能。因此，要控制石灰岩中方解石含量，必须确定一个简单合理的试验方法和合适方解石含量控制值。

1 方解石含量测试方法分析

广西石灰岩矿藏宕口中，大多数情况下方解石与石灰岩是共生存在，互相渗透。田金星等［3］通过试验分析发现方解石物料无论是单独磨矿还是作为混合物料组分参与磨矿，其碎裂分布函数是相同的。在广西沥青路面工程实践也发现，夹杂方解石的石灰岩破碎成碎石后，破碎面并不一定发生在石灰岩与方解石的结合面，不少碎石中仍然是石灰岩与方解石共存，含方解石颗粒的碎石含量超过20%，纯方解石的碎石含量一般在3%以下。

研究方解石含量和特征的测试方法很多［4］，在公路沥青路面工程中，鉴于测试方法的有效和实用性，目测法结合外表特征鉴定法是目前常用的测试方法。

成万更等［4］采用以下7种方解石颗粒判断标准对17个样品进行方解石含量测定:

①表面有方解石颗粒;

②表面方解石面积≥10%颗粒;

③表面方解石面积≥30%颗粒;

④表面方解石面积≥50%颗粒;

⑤大于半个面的颗粒;

⑥不小于一个面的颗粒;

⑦有解理的颗粒。

考虑石料的质量状况与合格率，并通过质量控制的排列图法分析，认为表面方解石面积≥30%颗粒、不小于一个面的颗粒、有解理的颗粒3种方法比较合适碎石实际情况，最终根据试验的易操作性，建议采用表面方解石面积≥30%颗粒含量方法作为石灰岩中方解石含量测定方法。同时发现不同粒径料档的方解石含量并不相同，因此建议方解石含量应分料档测定。

在工程实践中，对于在工地现场采用目测外表特征鉴定法判断，表面方解石面积按≥50%的判断要比≥30%的判断方便、准确。因此，考虑到试验的易操作性和判断的准确度，减少试验数据的人为影响性，建议采用表面方解石面积≥50%颗粒含量方法作为石灰岩中方解石含量测定方法，并且根据相应沥青混合料碎石分档情况，将4.75 mm以上各档碎石分别测定其方解石含量。

2 方解石含量对碎石技术指标的影响

现行规范［2］对沥青路面中下面层粗集料性能控制的指标主要有石料压碎值、洛杉矶磨耗损失、坚固性、软弱颗粒含量、针片状颗粒含量、与沥青的粘附性等。以下试验材料采用广西合浦县公馆镇创丰石场的石灰岩碎石，沥青采用新加坡埃索70号A级石油沥青。

4.75 ～9.5 mm、9.5 ～16 mm、16 mm 以上各料档颗粒分别施加 0.15、0.25、0.34 kN 荷载，产生破裂的颗粒即属于软弱颗粒。软弱颗粒的存在会影响沥青混合料的力学性能。试验研究中按表面方解石面积≥50%的颗粒即判断为方解石颗粒。对石灰岩和方解石分别进行软弱颗粒含量测定，结果如表1所示。

表1 石灰岩与方解石碎石中软弱颗粒含量

从表1可以看出:无论是石灰岩碎石还是方解石碎石，粗料档的软弱颗粒含量比细料档的低;石灰岩碎石和方解石碎石的软弱颗粒含量无明显差异。同时试验结果也揭示了石灰岩碎石中夹杂的方解石绝大多数不是软弱颗粒。

粗集料针片状颗粒含量可以评价粗集料粒形和抗压碎能力，以评定石料加工技术水平及该材料在工程中的适用性，针片状颗粒含量过大时会影响沥青混合料的力学性能和施工性能。为了解夹杂方解石的石灰岩破碎加工成碎石后的针片状颗粒分布，分别对石灰岩和方解石进行针片状颗粒含量测定。试验样品是采用反击破进行破碎的，试验结果如表2所示。

表2 石灰岩与方解石碎石中针片状颗粒含量

从表2可以看出:方解石碎石中的针片状颗粒含量比石灰岩碎石中的要低，也就是说方解石的存在不会增加石灰岩破碎后碎石的针片状颗粒含量。

集料压碎值用于衡量石料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，是衡量石料力学性质和施工性能的重要指标。为了解不同方解石含量下石灰岩碎石的压碎值情况，按方解石占石料总量的 0、5%、10%、15%、20%、100% 等含量重配 9.5 ～ 13.2 mm料档碎石，测定其压碎值。集料压碎值随方解石含量的变化曲线如图1所示。

从图1可以看出，当方解石含量小于5%时，方解石对集料压碎值影响不大;当方解石含量大于5%时，方解石对集料压碎值有显著影响，并随方解石含量的增大呈线性增加。

图1 集料压碎值随方解石含量的变化曲线

由于热拌沥青混合料在高温下完成拌和、摊铺和碾压，为评价方解石在高温条件下的压碎性能，设计以下高温压碎值测定试验，模拟方解石经拌和楼烘干筒加热后的施工压碎情况:取烘干9.5～13.2 mm纯方解石(含少量表面方解石面积≥50%的颗粒)试样置入烘箱中在 140℃、150℃、160℃、170℃、180℃递级恒温1 h，并各取两份试样分别进行压碎值试验，以两份试样压碎值的平均作为该温度下的压碎值，试验结果如图2所示。

图2 高温下方解石压碎值变化曲线

从图2可以看出:方解石的压碎值随加热温度的升高而增大，也就是说高温加热后，方解石更易于压碎。

与沥青的粘附性能如何是评价碎石抗水损害能力的重要指标。试验选择了13.2～19 mm料档碎石按照粘附性试验“水煮法”测定石灰岩碎石和方解石碎石在70号A级石油沥青中的粘附等级，试验结果如表3所示。

表3 石灰岩与方解石粘附性试验结果

从表3可以看出:方解石的粘附性远低于石灰岩碎石的粘附性，这主要是因为方解石表面呈玻璃光泽，光滑的表面大大降低了与沥青的粘附能力。

从上述试验评价指标可以看出，方解石的存在主要是影响碎石的压碎值和粘附性，从而影响沥青混合料的施工性能、力学性能和水稳定性。

为进一步评价夹杂方解石的石灰岩碎石的压碎值和水稳定性，以下用改进的集料耐崩解性试验来评价:取两组烘干的13.2～19 mm试样带筛置于燃烧炉中，在10 min内升温至180℃恒温1 h，取出后立即泡入20℃水中，在10 min内转动试验筛不少于200次，使水搅动即完成一次干湿循环。重复上述过程完成5次干湿循环后将试样置于105℃烘箱中烘干4 h，测定9.5 mm筛上集料的质量，计算质量损失百分率，并取样进行干湿循环后的压碎值试验。试验结果如表4所示。

表4 5%方解石含量下的石灰岩碎石崩解性试验结果

从表4可以看出:含5%方解石的石灰岩碎石经过5次干湿循环后，压碎值增加4.0%，即增大21.7%。如果以5次干湿循环后的质量损失5%或压碎值增加5%作为石料耐崩解性评定标准，含5%方解石的石灰岩碎石的耐崩解性能满足要求。

3 方解石对沥青混合料水稳定性能的影响分析

对沥青路面水损害评价方法试验方法大致分为2类［5］:①对未经压实的松散沥青混合料在常温或沸腾温度下浸水一段时间后进行的评价;②对沥青混合料成型试件或提取的路面芯样在水侵蚀前后的某些指标进行对比的客观评价。洛特曼认为［5］经历冻融循环的试件可以代表路龄3～12 a的沥青路面的水稳定性，并以冻融劈裂残留强度比TSR=70%作为划分混合料是否剥离的标准。我国现行《公路沥青路面施工技术规范》［2］对沥青混合料水稳定性评价常规试验主要有浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。一般认为，沥青混合料水稳定性评价时，冻融劈裂试验要比浸水马歇尔试验结果更敏感。

由于方解石的沥青粘附等级比较低，为进一步评价夹杂方解石的石灰岩碎石沥青混合料的水稳定性，按表5比例配制AC—25C沥青混合料(油石比=3.9%)，然后采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20－2011)中T0729－2000试验方法测定方解石含量为0、5%、10%的石灰岩集料配制的沥青混合料的冻融劈裂残留强度比TSR，试验结果如图3所示。