集料性质对沥青混凝土路面性能的影响

2015-12-02滕川李源渊

天津建设科技 2015年3期

□文/滕川李源渊

集料性质对沥青混凝土路面性能的影响

□文/滕川李源渊

将集料性质分为物理性质、化学性质及机械力学性质3类并分析阐述了上述3种性质对沥青混凝土路面性能的影响。分析表明：永久变形主要由集料的级配、形状、耐久性及韧性决定；疲劳性能主要受集料的耐久性、硬度及韧性的影响；低温开裂性能似乎主要受结合料粘度的影响；水损害主要受集料的化学组成、可溶性及表面电荷的影响。

道路工程；集料性质；路面性能

集料作为沥青混合料的重要原材料组成部分，其品质、性能、性质等各方面的特性都会对沥青混合料有或大或小的影响，从而影响沥青混凝土路面整体性能。本文从物理性质、化学性质及机械力学性质3个方面对集料特性进行分析并研究集料不同性质与沥青混合料性能之间的关系，从而探究集料性质对沥青混凝土路面性能的影响，指导集料科学控制和应用。

1　集料性质

集料的性质有形状、表面构造、吸水性、密度、结晶构造、级配、组成、溶解性、表面电荷、强度、耐久性、韧性、硬度等[1～2]。基于研究目的，将上述集料性质分为3类：物理性质、化学性质及机械力学性质。物理性质是指显示与岩石实体体积有关的性质。化学性质是指决定集料如何与其他材料相互作用的性质。机械力学性质是指决定岩石强度与韧性的一些性质。

上述集料表征性质有的受人工控制，有的受天然控制。其中吸水性、密度及强度既受人工控制，又受天然控制，这是因为在同一岩层中，岩石的性质在成层时就已形成，当地层有相当大的厚度时，采石工作只在此地层中进行，集料性质受天然控制；有时由于地层太薄，采石工作同时在几个地层之中进行，此时所采的岩石又集中不同的性质。由此可以通过改变工艺来控制最终产品的性质，但并不意味着岩石基本性质的改变，只是在工作过程中，从采石场运来的石料混在一起，通过最佳配比生产出符合要求的集料。另外在处理过程中要清除易风化的岩石，以免影响产品质量。集料的分类及性质控制方式见表1。

表1　集料分类及性质控制方式

2　物理性质

集料的物理性质是集料最常用的性质，这些性质中有人工控制，如级配；天然控制，如密度等[3～4]。

2.1集料形状

形状是指集料的棱角性，受岩石种类及集料加工方法所制约。粗粒花岗岩，细粒石灰岩及白云岩可轧制成块状多棱角的集料。节理发育的岩石如片麻岩，可轧制出块状或扁平状的集料。未经处理的砂，卵石等通常情况下其颗粒是圆形的。

破碎的形式及速度也影响集料的形状。像花岗岩等坚硬岩石一般用颚式破碎机破碎。颚式破碎机一般用于将采石场的爆堆进行粗碎，以消除特别大的块石。旋回破碎机也用于粗碎，其产量高但生产的细集料太多，圆锥破碎机用于对集料进行粗碎或细碎。在使用圆锥破碎机或回旋破碎机时，由于某些岩石的结晶构造而使其破碎后扁平状集料含量增加，对此集料可采用冲击式破碎机，但它的产量比较小。

集料形状对路面永久变形影响巨大，研究显示在交通荷载作用下多棱角集料能够极大减小路面的变形，研究也表明在最佳沥青用量下，高温时，用多棱角集料做成的混合料其变形是相当少的[5]。

集料的形状也影响到沥青路面的疲劳性能，正如多棱角集料能提高沥青混合料的硬度一样，它也能提高混合料的抗疲劳性能。

集料的形状也影响到沥青路面的低温抗裂性能，但实际上沥青与集料的粘附性与低温开裂的关系更为密切。圆形的砾石似乎能够使沥青混凝土更具塑性而减小低温开裂。但试验路显示对于密实型混合料，用全部轧制的石料具有更好的低温抗裂性。

水损害与集料形状的关系不如与集料表面化学性质的关系密切。由于沥青混合料中使用多棱角集料可以提高其整体抗拉强度，因此抗水损害的能力也就能通过残留抗拉强度来衡量。

2.2表面构造

表面构造对路用性能的影响不是很大，主要影响粘附性，粘附性主要影响疲劳、永久变形，它与水稳性最为密切。

2.3吸水性

吸水性是指集料将水或沥青吸入集料空隙的能力。一般的讲，吸附沥青的数量是吸水量的40%～60%。

吸水性似乎不直接影响永久变形，研究显示有4%～6%吸水率的集料与吸水率＜1%的集料对沥青的敏感程度是不一样的。用高吸水率的集料的危险性在于不是按有效沥青含量设计：一方面可能因为混合料在运输和养生过程中要吸收沥青导致设计沥青含量过高而造成车辙；另一方面，因担心沥青用量过多而减少沥青用量，又会造成混合料的松散。

疲劳与沥青的吸水性也有一些关系，多孔集料有更多的表面给与沥青结合，因此可以增加粘附性。

吸水率高的集料所生产的混合料其水稳性较吸水率低的集料所作的混合料水稳性似乎要好。这是由于多孔集料与沥青的作用面积大，吸附能力强，因此更多的沥青被嵌入集料空隙之中，完全占据了空隙。所以在真空饱水或其他条件下，水就不可能进入沥青与集料界面将沥青膜剥离。吸水性影响沥青含量，一个正确的沥青混合料设计，吸水性对混合料的影响很小。

2.4密度

集料密度与路用性能的关系并不密切，但对路用性能的间接影响却具有极重要的作用。大部分级配规范的单位是质量，应用不同密度的集料，如不考虑其体积不同，将影响到混合料中的沥青含量，进而影响到永久变形、疲劳寿命、高低温稳定性等性能。密度大的集料在一定质量下所占的体积小，这就意味着将轻集料换成密度较大的集料，会形成一种类似于开级配的混合料，虽然其筛分结果符合要求。

密度有时也是评定集料质量的一个指标，易风化的岩石一般质量较小，但对不同级别的岩石，对其性能的评价密度用的很少。

2.5结晶构造

集料的结晶构造也确认与路面的变形关系不大，集料的结晶构造或其晶体尺寸大小对其疲劳寿命和水稳性影响最大。从材料科学可以知道，尺寸大的晶体其强度较尺寸小的晶体大。但如将其结合起来，由于晶体尺寸大，在两个大颗粒之间的结合力不如小晶体之间的结合力，所以按照强度和疲劳性质来说，有小颗粒晶体组成的集料，其疲劳性能和强度要好。晶体结构与水损害似乎也有一定的关系，这是由于它可能影响到沥青是如何被吸收到晶体表面上的，但确切的机理至今尚无定论。

2.6级配

在集料的物理性质中，对路用性能起决定作用的是级配。级配对永久变形来说是一个关键因素。当n次幂级配曲线中n取0.45时，专家们一致认为此时混合料比较脆弱，容易在荷载作用下产生车辙。级配的另一个重要影响是疲劳寿命，密级配混合料强度较高且抗疲劳性能较好，此性能随着矿粉的加入更加增强。矿粉用量由集料最大粒径及空隙率决定。混合料中最大粒径尺寸越大，可容纳的矿粉就越多。这是因为在典型的面层混合料中，集料之间的空隙很小，作为矿物填料，矿粉一部分用作沥青的添加剂，另一部分实际上分布在粗集料的表面上，对混合料起到了润滑作用。用轧制的集料但不适当的级配组成的混合料与完全用砂类组成的混合料车辙是同样容易形成的。修筑的多个试验路同样也证实采石场用不同粒径的石料修筑他们的运输道路是明智之举。很早以前在农村时，大粒径的石料就用来修筑灌浆碎石路，这样容易抵抗剪切力。级配对混合料的影响首先与混合料的空隙率有关。低空隙率的密级配混合料其水稳性比O GFC要好，但太低的空隙率将使混合料的高温稳定性变差。

3　化学性质

本文讨论的化学性质包括集料的化学组成、溶解性及表面电荷。按照这些性质与路用性能的关系，集料的化学组成对水损害影响最大。研究表明集料产地不同，其混合料的抗拉强度也不同。这是因为同一级配、同一沥青、不同矿料组成的混合料，其l ottm an试验结果的差异其实可以解释为由于集料的化学组成及矿物组成的差异所致。集料的不同矿物组成将导致集料与沥青产生不同的物理化学反应，同样的结果在抗压强度上也有表现。溶解性不是太大的问题，除非是在酸、碱环境中才要注意。

集料的表面电荷极为重要。乳胶工业的工作者造就认识到表面电荷与结合料之间的关系；而且在认识表面电荷时，要将新轧制的石料的表面电荷与旧石料的表面电荷加以比较。新轧制的碎石其表面双电层比旧石料的表面双电层要强且电荷性质可能也不一样，这对石灰岩特别明显。用旧石灰岩制作的混合料憎水而用新轧制的石灰岩制作的混合料亲水。这种情况可在试验室水稳性试验中观察到。当新轧制的石料过3～6月后作混合料，其水稳性与旧集料制作的混合料区别不大。但用新轧制的石灰岩铺筑的道路取样后在试验室做出的水稳性结果却不尽如人意。如此可以相信，集料的老化有助于消除其表面双电层，而且消除这些浓密的双电层可以在料堆上浇水来人工老化集料。