岩溶地貌集料特性对沥青混合料性能的影响

2022-04-24阎宝宝刘文昌张柏泉周良宇

建材世界 2022年2期

叶舟，阎宝宝，刘文昌，周琼，张柏泉，周良宇

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430074；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430074；3.中交二航武汉港湾新材料有限公司，武汉 430074；4.陕西正诚路桥工程研究院有限公司，西安 710086)

沥青混合料是一种由沥青、粗集料、细集料以及矿粉按一定比例配制而成的复合材料，其中集料的占比高达80%～90%，是影响混合料性能的主要因素。常见沥青混合料矿料级配中，由粗集料颗粒间相互嵌挤形成骨架，再由细集料和沥青填充骨架间空隙形成密实结构。粗集料的岩性、级配、物理力学性质、形态和表面纹理状况会直接影响沥青混合料的性能[1]。然而，现阶段对沥青混合料用粗集料的研究多集中在级配、粒型的优化方面；但是，粗集料的物理力学性质是由其母岩性质决定，母岩的性质则受制于产地所处地质环境。喀斯特地貌是一种典型的岩溶地貌，在溶蚀作用下山体表面和内部会产生溶蚀槽、裂隙和空腔，其中较小的裂隙逐渐被重结晶的方解石填充，较大的空腔、沟槽则被水流带入的泥土填充[2]。同时，在溶蚀、风化的不断作用下，还会产生一些延伸至岩石内部的裂纹；随着雨水日积月累的冲刷，山体表层的红黏土和覆土渗入裂纹中，其中富含的铁、铝氧化物在裂隙界面上形成红色的锈染层[3]。因此，从岩溶地质山体处开采的母岩中经常伴随着大量的泥土、重结晶方解石颗粒和锈染颗粒，从而严重影响了粗集料的最终质量。

基于此，该文重点研究了特殊颗粒的特点及其对沥青混合料性能的影响，制定了粗集料的质量控制方法和标准，以保证路面的施工质量。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

1)沥青：中海沥青公司生产的SBS(I-D)聚合物改性沥青，软化点(环球法)73 ℃，针入度(25 ℃，5 s，100 g)55(0.1 mm)，延度(5 ℃)44 cm。

2)粗集料：粗集料为石灰岩2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～16 mm粗骨料。研究所使用的重结晶方解石颗粒和锈染颗粒从三档骨料中人工分拣得到。

3)细集料：0～2.36 mm石灰岩细骨料，表观相对密度2.737，砂当量80%。

4)矿粉：表观相对密度2.738，含水量0.3%。

5)混合料级配类型为AC-13C。

1.2 试验方法

特殊颗粒集料的性能试验及混合料试验的根据为《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011。

2 特殊粗骨料性能研究

将成品碎石中的锈染颗粒、重结晶方解石颗粒进行分拣，研究其软弱颗粒含量及其与沥青的粘附性。

2.1 软石颗粒含量

在4.75～9.5 mm、5～16 mm和16 mm以上的三档中各取风干的锈染颗粒、重结晶方解石颗粒和普通的石灰岩颗粒2 kg，并按颗粒大小分别加以0.15 kN、0.25 kN、0.34 kN荷载，破碎的即为软石颗粒[4]，试验结果见表1。锈染颗粒和普通石灰岩的软石颗粒测试结果较为接近，且均能满足规范中对粗集料软石含量的规定，而重结晶方解石受压后，易沿着解离面破碎，软石颗粒比例高于其他两种颗粒；三种石料的软石含量均随着颗粒粒径的增大而减小。

表1 特殊骨料软石颗粒含量

2.2 骨料颗粒与沥青的粘附性

沥青-集料的粘附性能是选取集料的关键指标之一，一般选择基性和中性材料。研究表明，集料的形状、棱角性和表面纹理是影响沥青和集料粘附性能的主要因素[5,6]。因此，论文选取含锈染颗粒、方解石颗粒及普通石灰岩颗粒作为研究对象，使用水煮法(浸煮时间为10 min和20 min)检测沥青与粗集料的粘附性，评价特殊表观特性的粗集料抗水剥离能力，测试结果见表2。

表2 特殊颗粒骨料与沥青粘附性

由表2可以看出，当浸煮时间为10 min时，三种集料颗粒的沥青膜均有不同程度的脱落，石灰岩颗粒情况稍好于锈染颗粒和重结晶方解石颗粒。当浸煮时间增至20 min时，重结晶方解石颗粒表面沥青膜已完全为水所移动，集料基本裸露，沥青全浮于水面上；锈染颗粒大部分表面裸露，石灰岩颗粒沥青膜保存情况较好。因此，与普通石灰岩颗粒相比，锈染颗粒、重结晶方解石颗粒与沥青的粘附性更差。

3 特殊骨料组合因素对沥青混合料性能的影响

在上述对特殊颗粒性能的研究及前期碎石生产调研所收集数据的基础上，进行粗集料组合因素对沥青混合料性能的影响研究，各工况的组成比例见表3。

表3 沥青混合料特殊颗粒骨料组合工况

1)不同特殊颗粒含量对沥青混合料高温性能的影响

车辙试验能模拟实际路面车辙的形成过程，很好地反应沥青混合料的高温稳定性，因此可将动稳定度作为评价沥青混合料抗永久变形的指标。一般而言，动稳定度越大，表示其在高温条件下收到持续荷载作用后的变形量越小，沥青混合料具有越强的抗永久变形能力，高温性能越佳[7]。图1为添加不同含量特殊颗粒的沥青混合料的动稳定度试验结果，从图1中可以看出，几种工况下动稳定度均能满足规范要求。

对比工况2和工况3测试结果可知，随锈染颗粒含量的提高，动稳定度小幅度下降，说明锈染颗粒含量对沥青混合料高温性能影响较小。而工况4、工况5和工况6的动稳定度分别下降了12%、17%和13%，下降幅度较大，说明重结晶方解石颗粒对沥青混合料的高温抗变形能力不利，这是由于其自身强度较低且与沥青粘附性较差的原因导致的。

2)不同特殊颗粒含量对沥青混合料低温性能的影响

沥青路面在低温下的开裂主要原因在于低温增加了沥青混合料的劲度与脆性，使得其柔韧性变差，造成其变形能力的不足[8]。该研究采用低温弯曲试验研究几种特殊颗粒含量对沥青混合料低温性能的影响。

不同特殊颗粒含量的低温弯拉破坏应变结果如图2所示。从图2中可以看出，掺加了锈染颗粒的沥青混合料，其低温弯拉破坏应变与普通石灰岩基本一致，而掺加了重结晶方解石颗粒的沥青混合料，其低温弯拉破坏应变有小幅度的下降，说明集料种类对沥青混合料的低温性能影响较小。因此，影响沥青混合料低温性能的主要因素还是沥青质量和用量以及集料的级配类型。

3)不同特殊颗粒含量对沥青混合料水稳定性能的影响

影响沥青混合料水稳定性的主要因素包括沥青与集料的粘附性、矿料空隙率及沥青膜厚度。采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，来评价不同特殊颗粒比例的沥青混合料的抗水损害性能。

图3和图4分别为不同特殊颗粒含量的沥青混合料的残留稳定度及劈裂强度比试验结果。从图中可以看出，当沥青混合料中锈染颗粒掺量分别为5%和10%时，其残留稳定度分别降低了5.3%、13.6%，劈裂强度比分别降低了3.7%、8.1%。而重结晶方解石颗粒掺量分别为5%和10%的沥青混合料，其残留稳定度分别降低了3.9%和10.2%，劈裂强度比分别降低了6.0%和13.3%，即两种颗粒均会对沥青混合料的抗水损害性能产生不利影响。此外，当锈染颗粒和重结晶方解石颗粒单掺或复掺比例达到10%时，残留稳定度和劈裂强度比已劣化至逼近或超过规范限值，这表明颗粒表面的附着物和粗糙度对沥青混合料的抗水损害能力有重要的影响。因此，两种特殊颗粒的含量不宜高于5%。