矿粉含量和级配对大粒径沥青碎石路用性能的影响研究

管巧艳 ， 闫　芳， 王耀飞， 刘洪飞

(1.郑州航空工业管理学院, 郑州 450000； 2. 航空经济发展河南省协同创新中心， 郑州 450000；3. 河南省水利勘测设计研究有限公司， 郑州 450016)



矿粉含量和级配对大粒径沥青碎石路用性能的影响研究

管巧艳1，2， 闫芳1， 王耀飞3， 刘洪飞3

(1.郑州航空工业管理学院, 郑州 450000； 2. 航空经济发展河南省协同创新中心， 郑州 450000；3. 河南省水利勘测设计研究有限公司， 郑州 450016)

大粒径沥青碎石具有良好的抵抗反射裂缝的能力，能延长沥青路面的使用寿命，改善其使用性能。为了设计良好的大粒径沥青碎石路面，本文研究矿粉含量和级配对其路用性能的影响。通过设计4种不同类型的大粒径沥青碎石混合料(ATB-30)，即粗集料(4.75～9.5 mm)含量较多、细集料(1.18～2.36 mm)含量较多、添加矿粉、不添加矿粉，分别确定最佳沥青用量，并进行高温抗车辙性能、低温抗劈裂性能、水稳定性检验。试验结果表明，矿粉在大粒径沥青碎石混合料中不仅可以提高其水稳定性，而且对其高温抗车辙能力也有提高；细集料含量较多时沥青混合料的水稳定性会增强，过量会使大粒径沥青混合料的水稳定性降低。

大粒径沥青碎石；矿粉；级配；高温稳定性；低温抗裂性能；水稳定性

大粒径沥青碎石体积大、形状不规则，如果把它应用在路面中，其嵌挤作用不仅可以增加路面的强度，而且可以减少沥青的用量，减少反射裂缝，具有很好的高温抵抗车辙能力和水稳定性及低温抗劈裂性能[1-3]。目前，关于大粒径沥青碎石路面的研究成果很多[4-5]，但是对大粒径沥青碎石矿粉级配的影响研究并不多[6-7]，学者们对于矿粉在大粒径沥青碎石中的作用有不同意见[8]。本文通过室内试验研究大粒径沥青碎石的路用性能。

1　沥青混合料的组成

1.1原材料

为了保证配合比设计的材料是合格材料，在沥青混合料配合比设计之前要先检测原材料的性能，各项指标均要符合 《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40- 2004)的要求。试验采用SBS改性沥青，集料为石灰岩，矿粉为普通石灰石矿粉。

1.2沥青混合料的级配设计

为了检验集料级配及矿粉对大粒径沥青碎石性能的影响，本次试验采用4种级配类型：A型为粗集料(4.75～9.5 mm)含量较多的有矿粉，B型为粗集料(4.75～9.5 mm)含量较多的无矿粉，C型为细集料(1.18～2.36 mm)含量较多的有矿粉，D型为细集料(1.18～2.36 mm)含量较多的无矿粉。级配设计如表1所示。

1.3沥青混合料的最佳油石比设计

采用马歇尔试验方法确定沥青混合料各种级配的最佳油石比。根据以上确定的 ATB-30的4种级配类型，分别将矿粉与SBS 改性沥青制成沥青混合料试件。按照沥青混合料试件制作方法 (击实法，T0702-2011) 制成标准马歇尔试件，进行马歇尔试验。通过毛体积密度、 空隙率、 矿料间隙率、 沥青饱和度、 稳定度、流值6个指标进行各种级配最佳油石比确定，如表2所示。

表1　ATB-30的级配设计　mm

表2　沥青混合料的最佳油石比

2　不同级配和矿粉含量的大粒径沥青碎石的路用性能

2.1不同大粒径沥青碎石的高温稳定性能

大粒径沥青碎石的高温稳定性通过车辙试验检验。将试件置于规定温度及荷载下，测定试验轮往返行走所形成的车辙变形速率，以每产生1 mm变形的行走次数及动稳定度表示。试验的温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，试验时间为1 h左右或者在试件的最大变形达到25 mm时为止。试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)规定的轮碾法成型：长300 mm、宽300 mm、厚100 mm。试验结果如表3所示。

车辙试验结果表明：

①从A型、B型与C型、D型对比来看，粗集料(4.75～9.5 mm)较多时，动稳定度偏大。在大粒径沥青碎石路面中，A型、B型的高温稳定性更好。这是因为，沥青混合料中细集料占得越多，越会影响沥青混合料之间的嵌挤作用，从而影响沥青混合料形成的骨架结构，使得沥青混合料的空隙率减小，同时也使沥青混合料的结构强度降低，从而降低沥青混合料的高温抗车辙能力。

表3　大粒径沥青碎石的车辙试验结果

②从A型与B型，C型与D型对比来看，在其他条件相同时，缺少矿粉的B型和D型的稳定度偏小，这说明在大粒径沥青碎石中加入适当的矿粉能改善其高温稳定性。这是因为，当沥青中加入矿粉时，沥青中含有的酸性成分与加入的矿粉发生化学反应，使得沥青与矿粉的黏结面具有很强的黏结力和黏聚力，从而使沥青混合料的强度增加，提高了沥青混合料抵抗车辙的能力。

2.2不同大粒径沥青碎石的低温抗裂性能

通过低温劈裂试验，研究大粒径沥青碎石混合料的低温抗劈裂的性能。劈裂试验采用直径为150 mm的大型马歇尔试件，试验温度为-10±0.5 ℃，加载速率为1 mm/min，压条的宽度为19.0 mm。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的规定测定其性能。试验结果如表4所示。

表4　低温劈裂试验结果

由试验结果可知：

①从A型、B型与C型、D型对比来看，粗集料(4.75～9.5 mm)较多时，劈裂强度大；在大粒径沥青碎石路面中，A型、B型的低温抗裂性更好。

②从A型与C型，B型与D型对比来看，在其他条件相同时，缺少矿粉的B型和D型的劈裂强度偏小，这说明在大粒径沥青碎石中加入适当的矿粉同样能改善其低温抗裂性能。

2.3不同大粒径沥青碎石的水稳定性能

进行浸水马歇尔试验，将大型马歇尔试件在恒温水箱中保持48 h，压条宽度改为152.4±0.2 mm，试验仪的最大荷载不得小于25 kN，读数精确到0.1 kN，加载速率为1 mm/min，由流值计及位移传感器测定装置读取试件的垂直变形。试验结果见表5。

表5　浸水马歇尔试验结果

由试验结果可知：

①从A型、B型与C型、D型对比来看，细集料(1.18～2.36 mm)较多时，残留稳定度较大。这是因为，当粗集料较多的时候，沥青混合料的空隙率比较大，集料之间的黏结力不足，吸入的水更多，集料之间的水多会使集料之间产生滑动，导致残留稳定度变小。

②在沥青混合料中加入矿粉(A型和C型)，会使沥青混合料的残留稳定度增加。这是因为，矿粉可以填充矿料之间的空隙，而且可以与沥青产生反应，形成一定的强度，吸水率比较小，相对的残留稳定度会增加。

3　结　语

通过对不同级配和有无矿粉的大粒径沥青碎石进行高温稳定性、低温抗裂性能和水稳定性能研究，得到如下试验结果：

(1)大粒径沥青碎石混合料中，粗集料(4.75～9.5 mm)含量较多时，大粒径沥青碎石的高温稳定性好；加入矿粉，能提高大粒径沥青碎石混合料的高温稳定性。

(2)大粒径沥青碎石混合料中，粗集料(4.75～9.5 mm)含量较多时，大粒径沥青碎石的低温抗裂性好；加入矿粉，能提高大粒径沥青碎石混合料的低温抗裂性能。

(3)大粒径沥青碎石混合料中，细集料(1.18～2.36 mm)含量较多时，大粒径沥青碎石的水稳定性好；加入矿粉，能提高大粒径沥青碎石混合料的水稳定性。

[1]郭红兵，陈栓发.开级配大粒径沥青碎石混合料劈裂试验的离散元数值分析[J].公路交通科技，2014，31(11)：22-27.

[2]童申家，雷琳，惠阵江. 几种不同级配大粒径沥青混合料大马歇尔试件研究[J]. 公路工程， 2011，36(6)：86-89.

[3]邬俊峰，尹少荣，诸威，等.大粒径透水性沥青混合料级配设计方法研究[J].公路，2015，10(10)：214-218.

[4]苏春华.大粒径沥青碎石混合料组成设计与振动成型方法研究[D].西安:长安大学，2011.

[5]刘中林,王富玉，郝培文，等.大粒径沥青混合料组成结构的研究[J].土木工程学报，2004，37(7):59-63.

[6]王富玉.大粒径沥青混合料路用性能研究[D].西安：长安大学，2001.

[7]冯俊领.大粒径沥青混合料路用性能研究[J].长沙理工大学学报，2004，1(1):8-13.

[8]沈金安. 沥青与沥青混合料的路用性能[M]. 北京：人民交通出版社，2001：15-21.

(责任编辑：陆俊杰)

The Research on the Properties of the Large Stone Asphalt Mixture with Different Gradation and Filler

GUAN Qiao-yan1,2, YAN Fang1, WANG Yao-fei3, LIU Hong-fei3

( 1.Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450000; 2.Collaborative Innovation Center for Aviation Economy Development of Henan Province, Zhengzhou 450000； 3.Henan Investigation Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.， Zhengzhou 450016, China)

Large stone asphalt mixture with good resistance to the ability of reflection cracking, can prolong the service life of the asphalt surface, improve operational performance. In order to design a good big size asphalt macadam, this paper studies mineral content level and matching the effect of its road performance. Through large size asphalt macadam designing: four different type of asphalt mixture (ATB-30), namely the coarse aggregate (4.75-9.5 mm) content more, fine aggregate content (1.18-2.36 mm), add more mineral powder, mineral powder, and the four kinds of ATB-30, it is respectively determined the optimum asphalt content and high temperature rutting resistance, low temperature splitting resistance, water stability test. Experimental results show that the mineral powder in large size asphalt macadam mixture can not only improve the water stability and the high temperature anti-rutting ability has improved; fine aggregate content of water stability of asphalt mixture will enhance, too much will make big diameter reduce the water stability of asphalt mixture.

large stone asphalt mixture; filler; gradation; high-temperature stability; the resistance of low temperature crack； water stability

2016-03-11

郑州市建设科技项目(2016010120)

管巧艳(1979-)，女，河南兰考人，讲师，硕士，主要研究方向为新型材料及结构。

1671-6906(2016)04-0065-04

U414

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.014