石灰岩集料在SMA-13沥青混合料中的应用

2021-09-10陈家焓

广东公路交通 2021年4期

陈家焓

(广东交科检测有限公司，广州 510550)

0 引言

作为一种路用性能良好的沥青混合料，近年来沥青玛蹄脂碎石(SMA)在我国高等级公路中的应用日益普遍。玄武岩具备优良的综合性能，因此目前我国SMA粗集料主要采用玄武岩。但我国大片区域缺乏玄武岩集料，应用石灰岩等其他类型的集料，可有效降低运费成本，提高经济效益[1-2]。研究表明[3-4]，若完全使用石灰岩代替玄武岩集料，所制备的SMA-13沥青混合料基本能满足相关规范要求，但由于石灰岩力学性能较差，混合料的力学相关性能相比于玄武岩混合料偏弱较多，一定程度限制了纯石灰岩SMA-13混合料的工程应用。

为研究石灰岩粗集料在SMA-13沥青混合料中的应用特性，本文设计三组不同集料类型的混合料，包括完全使用石灰岩、完全使用玄武岩和共同使用石灰岩与玄武岩集料等三种类型，研究对比了三组混合料中集料的压碎特性与混合料的路用与力学性能。

1 原材料与混合料制备

1.1 集料

本设计三组合成集料，其中1#中粗细集料均采用石灰岩;2#中9.5mm以下粒径采用石灰岩，9.5～13.2mm粒径采用玄武岩；3#中粗细集料均采用玄武岩。所用石灰岩与玄武岩集料的相关性能指标见表1，表中括号外为石灰岩集料数据，括号内为玄武岩集料数据。

表1 石灰岩与玄武岩相关性能指标

1.2 沥青

本试验所用的SBS改性沥青符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对I-C类SBS改性沥青的要求[5]，各项指标见表2。

表2 SBS改性沥青性能指标

1.3 纤维

本试验采用玄武岩纤维，其掺量占集料总质量的0.2%，相关指标见表3。

表3 玄武岩纤维相关性能指标

1.4 级配

本试验所用的级配为《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中SMA-13所推荐范围的中值级配，不同粒径各档集料质量分数见表4。

表4 各粒径集料级配

1.5 油石比

通过马歇尔试验，为便于比较1#、2#、3#集料所制备SMA-13混合料的性能，对三种集料统一采用6.5%的油石比，分别拌和得到1#、2#、3#SMA-13沥青混合料。

2 集料抗压特性

2.1 压碎值

压碎值反映集料在压力作用下的破碎特性，石灰岩与玄武岩各档粗集料的压碎值见表5。

表5 各档粗集料的压碎值 (单位：%)

(1)对不同粒径的各档粗集料和2.36～13.2mm之间粒径的合成粗集料，石灰岩粗集料的压碎值均明显高于玄武岩集料，说明各档石灰岩粗集料的力学性能相对偏弱。

(2)三组合成粗集料的压碎值大小依次为：全石灰岩(1#)>2.36～9.5mm石灰岩+9.5～13.2mm玄武岩(2#)>全玄武岩(3#)。将9.5～13.2mm粒径的集料更换为玄武岩后，合成集料的压碎值明显降低并接近全玄武岩集料，而此时粗集料中玄武岩用量仅占37.5%，说明在合成粗集料中搭配使用9.5～13.2mm粒径的玄武岩和2.36～9.5mm粒径的石灰岩，可有效改善粗集料单一使用石灰岩时不利的力学性能。

2.2 旋转压实

相比于工程中常用的马歇尔击实试验，旋转压实试验的荷载更符合实际道路上的车辆荷载。参考工程经验，应用旋转压实仪压实100次[6]，成型1#、2#、3#混合料。对成型的试件进行抽提，对比压实前后1#、2#、3#混合料试件中集料的级配，如图1所示，用以分析在荷载下集料的抗压碎性能。

图1 旋转压实后各混合料级配变化

由图1可知：

(1)旋转压实后，1#、2#、3#混合料均出现一定程度的级配细化现象，细化程度1#>2#>3#。其中，集料完全为石灰岩的1#混合料中集料压碎现象较为严重，4.75～9.5mm和9.5～13.2mm两档集料被大量压碎至4.75mm以下，此时集料级配整体偏细，与SMA混合料“三多一少”规则中粗集料与矿粉多、细集料少的要求偏离较为严重，不利于SMA混合料的综合性能。

(2)2#混合料压实后的级配曲线与3#混合料及初始级配曲线相近，且与1#混合料压实后的级配曲线较远，说明当9.5～13.2mm粒径的集料采用玄武岩、其他集料采用石灰岩时，SMA-13沥青混合料中集料的抗压碎性能相比于完全使用石灰岩的集料明显提升，更接近于完全使用玄武岩的集料。

3 混合料路用与力学性能

3.1 高温稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的试验方法[7]，对1#、2#、3#SMA-13沥青混合料进行车辙试验，结果见表6。

表6 SMA-13车辙试验结果

由表6可见：

(1)三组 SMA-13沥青混合料的高温抗车辙性能均满足规范要求。

(2)车辙板最终变形量满足1#>2#>3#，动稳定度满足1#<2#<3#，即在高温抗车辙性能方面，纯石灰岩集料SMA-13最差，纯玄武岩集料SMA-13最好，石灰岩玄武岩混合集料SMA-13介于两者之间。结合图1推测其原因在于，石灰岩SMA-13车辙板经过压实成型后其实际级配偏细，粗骨架较少，在车辙试验中轮载作用下变形量更大，动稳定度更低。

(3)若9.5～13.2mm粒径使用玄武岩集料，则SMA-13的粗骨架完整性相对得到保证，使混合料的高温抗车辙性能更好。由表6可见，2#SMA-13沥青混合料的动稳定度相比于1#更接近于3#，说明在2#混合料中9.5～13.2mm粒径玄武岩集料的使用，有效改善了其他粒径使用石灰岩集料对SMA-13混合料高温抗车辙性能的不利影响。

3.2 水稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的试验方法[7]，对三组 SMA-13混合料进行冻融劈裂试验，得到其水稳定性指标(表7)。

表7 SMA-13冻融劈裂试验结果

由表7可见：

(1)三组 SMA-13沥青混合料的水稳定性均满足规范要求。

(2)1#、2#、3#SMA-13沥青混合料的劈裂强度比无明显差异，说明三者的水稳定性近似。无论是否经过冻融循环，全玄武岩集料混合料试件的劈裂强度均大于全石灰岩集料混合料试件，原因在于玄武岩具有更好的力学性能。对于9.5～13.2mm粒径使用玄武岩集料、其他粒径采用石灰岩集料的2#试件，其劈裂强度更接近全玄武岩的3#混合料，说明其抗劈裂性能得到明显的改善。

3.3 低温抗裂性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的试验方法[7]，对三组 SMA-13沥青混合料进行低温弯曲试验，得到其低温抗裂性能指标(表8)。

表8 SMA-13低温弯曲试验结果

由表8可见：

(1)1#SMA-13沥青混合料的低温抗裂性满足冬寒区的要求，2#和3#SMA-13沥青混合料的低温抗裂性进一步满足冬严寒区的要求。

(2)已有研究表明，分别采用低温弯曲试验中所测得沥青混合料小梁的抗弯拉强度与最大弯拉应变评价混合料的低温抗裂性能，通常会得到相反的结论[8]，表8的相关数据证实了上述结论。《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)以最大弯拉应变衡量混合料的低温抗裂性能[5]，分析其原因，实际沥青路面在低温环境中产生回缩倾向，但由于受路缘石与基层的限制难以发生形变，路面开裂的临界状态为内部应变达到最大容许应变，因此规范中的上述规定符合道路低温状态下的实际工况。

(3)三组SMA-13沥青混合料的最大弯拉应变满足1#>2#>3#，表明纯石灰岩集料SMA-13的低温抗裂性最好(1#)，纯玄武岩集料SMA-13的低温抗裂性最差(3#)，石灰岩玄武岩混合集料SMA-13(2#)的低温抗裂性介于两者之间。结合已有研究[9]，推测其可能原因在于，虽然1#、2#、3#SMA-13沥青混合料的油石比相同，但石灰岩集料表面与沥青粘附力更强，沥青与碎石整体性更好，从而增强了沥青混合料的低温抗裂性。而抗弯拉强度满足1#<2#<3#，其原因应当与石灰岩偏弱的力学性能有关。