石灰岩机制砂对沥青混合料性能的影响

2022-06-17岳爱军韦增增刘德贤

洛阳理工学院学报(自然科学版) 2022年2期

岳爱军，韦增增，刘德贤

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004； 2.广西路桥工程集团有限公司，广西南宁 530000)

沥青混合料主要是由粗集料、细集料、填料和沥青组成。在沥青混合料中粗集料形成骨架，细集料起到填充间隙、传递荷载和胶结的作用。因而细集料级配、材料特性、用量成为研究沥青混合料性能的重要方向。张娟等[1]运用均匀设计方法得到细集料级配对沥青混合料高温性能的影响。申来明等[2]指出细集料2.36 mm、0.6 mm、0.075 mm筛孔通过率对沥青混合料空隙率都有影响，0.6 mm筛孔通过率影响最大。邓乃铭等[3]运用灰关联分析发现细集料0.075 mm筛孔通过率是影响沥青混合料空隙率的主要因数之一。王大庆[4]研究指出，沥青混合料稳定度和力学性能随着细集料棱角性的丰富而提高。叶勇[5]采用电镜扫描研究得出细集料棱角性越丰富、粗糙度越大，沥青混合料黏性越好。姑丽比娅·艾斯卡尔[6]研究得出，增加细集料含量沥青混合料高温稳定性将急剧下降。程永春等[7]研究指出沥青混合料的松弛强度受细集料含量变化影响。

以上研究主要集中在研究细集料级配、棱角性以及用量对沥青混合料性能的影响，但关于精品机制砂这种细集料对沥青混合料AC-25、AC-20性能的影响研究较少。材料的质量、组成决定路面品质。精品机制砂是由立式干法机制砂生产设备生产，该砂洁净、颗粒形状圆润、级配连续合理，2018年起精品机制砂在广西高速公路桥涵混凝土中得到广泛应用，2019年广西第1次在钟山至昭平高速公路成功采用精品机制砂做抗滑表层AC-13的细集料[8]。

本文以AC-25、AC-20为研究对象，细集料采用灰黑色石灰岩普通机制砂、灰黑色石灰岩精品机制砂，探讨石灰岩普通机制砂和石灰岩精品机制砂的级配、颗粒形状、用量对AC-25、AC-20性能的影响，为高速公路的选材提供参考依据。

1 沥青混合料的配比设计

1.1 集料

集料产自于广西新柳南高速公路第7合同段自采碎石加工场，粗集料规格为3档，分别为1#石灰岩碎石(10～25 mm)、2#石灰岩碎石(10～20 mm)和3#石灰岩碎石(5～10 mm)；细集料规格为2档，分别为4#灰黑色石灰岩普通机制砂和5#灰黑色石灰岩精品机制砂。灰黑色石灰岩普通机制砂是由碎石2次整形破碎加工所得的4.75 mm以下的筛余物，灰黑色石灰岩精品机制砂不同于石料3级破碎加工的石屑，精品机制砂为碎石采用 GLV7-60制砂设备加工所得的细集料。集料筛分结果如表1所示，集料的密度指标如表2所示。表中γa为表观相对密度，γb为毛体积相对密度。

表1 集料筛分试验结果

表2 集料的表观相对密度及毛体积相对密度

由表1可知，4#石灰岩普通机制砂的级配为“两端多中间少”，2.36 mm筛孔的筛余量超过25%，0.075 mm筛孔通过率超过10%，达到了13.9%；5#石灰岩精品机制砂的级配为“两端少中间较多”， 0.15～2.36 mm的颗粒含量为77.5%，0.075 mm筛孔通过率约为普通机制砂的1/2；与4#石灰岩普通机制砂相比，5#石灰岩精品机制砂级配较为均匀且颗粒圆润，石粉含量可控，洁净度高。

1.2 填料

填料为石灰岩矿粉，产自广西新柳南高速公路第7合同段自采碎石加工厂，技术指标如表3所示。

表3 矿粉技术指标

1.3 沥青

试验采用70号A级道路石油沥青、SBS(I-D)改性沥青，结果如表4所示。

表4 沥青技术指标检测结果

1.4 沥青混合料的级配设计及马歇尔试验结果

广西属于亚热带-热带季风气候，高温多雨，根据经验采用粗料用量相对较多的密实型粗颗粒级配沥青混合料AC-25和AC-20。AC-25配合比组成为1#石灰岩碎石∶2#石灰岩碎石∶3#石灰岩碎石∶细集料∶矿粉=24∶31∶22∶20∶3，沥青种类为70号道路石油沥青，最佳油石比为3.8%；AC-20配合比组成为2#石灰岩碎石∶3#石灰岩碎石∶细集料∶矿粉=52∶24∶21∶3，沥青种类为SBS改性沥青，最佳油石比为4.3%。AC-25和AC-20级配参数如表5所示，AC-25w和AC-20w采用普通机制砂，AC-25b和AC-20b采用精品机制砂。按照AC-25、AC-20配合比制备马歇尔试件并检测，AC-25、AC-20的马歇尔试验结果如表6所示，Pa为油石比，γt为最大理论相对密度，ρsb为混合料毛体积相对密度，VV为空隙率，VFA为饱和度，VMA为矿料间隙率，MS为马歇尔稳定度，FL为马歇尔试验的流值。

表5 AC-25、AC-20沥青混合料级配参数

表6 AC-25、AC-20的马歇尔试验结果

从表6可知，AC-25w、AC-25b、AC-20w、AC-20b的各项体积指标、稳定度和流值均满足规范要求[9]。基质沥青混合料AC-25b，精品机制砂用量为20%，空隙率为3.7%；SBS改性沥青混合料AC-20b，精品机制砂用量为21%，空隙率为3.8%。AC-25w的稳定度要小于AC-25b的稳定度，AC-25b、AC-20b的空隙率分别小于AC-25w、AC-25b的空隙率。

2 沥青混合料的性能检验

2.1 水稳定性

水损害是沥青道路主要病害之一，产生原因为集料表面沥青薄膜与水分发生置换。沥青在高温下与集料拌合形成沥青薄膜，在道路运营过程中由于地下水上渗和路表水下渗，导致沥青混合料长期处于湿润状态，沥青薄膜逐渐被水分置换，车辆的冲击荷载和高温环境下更为明显。广西地区常年高温多雨，易产生水损害，评价沥青混合料的水稳定性具有一定的意义。采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来对比和评价沥青混合料的水稳定性，结果如表7所示，MS1为浸水0.5 h后的稳定度，MS2为浸水48 h后的稳定度，MS0为浸水残留稳定度，T1为未冻融循环的抗拉强度，T2为冻融循环后的抗拉强度，TSR为抗拉强度比。

表7 浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验结果

从表7可知，AC-25、AC-20的残留稳定度和冻融劈裂强度比都能满足规范要求[10]。AC-25w、AC-25b、AC-20b的残留稳定度大于100%，可能与浸水马歇尔试验方法相关，用冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性能相对更合理；对比AC-25w，AC-25b在未冻融下劈裂强度提高了6.3%，冻融劈裂强度比提高了2.3%，这与精品机制砂的基质沥青混合料相对更密实相关；对比AC-20w，AC-20b冻融劈裂强度比提高了2.1%，亦与此相关；精品机制砂沥青混合料体现出更高的水稳定性能。

2.2 高温稳定性

温度为60 ℃、轮压为0.7 MPa的条件下按照张海波等[11]提出的试验规程进行AC-25、AC-20的车辙试验，结果如表8所示。从表8可知，AC-25w、AC-25b、AC-20w、AC-20b的变异系数满足规范要求。AC-25w、AC-25b的动稳定度分别为1 895 次/mm、2 741 次/mm，二者相比动稳定度提升了44.6%；AC-20w、AC-20b的的动稳定度分别为17 500 次/mm、19 250 次/mm，AC-20b动稳定度比AC-20w动稳定度提了10.0%，表明级配为“两端少中间多”的精品机制砂能更有效地嵌挤在碎石颗粒之间形成密实骨架结构，提高沥青混合料的高温稳定性。AC-20w、AC-20b的动稳定度远远大于3 200 次/mm，这与AC-20采用密实型粗颗粒级配、SBS改性沥青的黏度相关，也与细集料为采用碎石加工的机制砂有关。

表8 车辙试验结果

3 沥青混合料的力学性能

3.1 力学强度理论

沥青混合料的强度主要来源于2个方面：沥青提供粘结力、集料之间产生内摩阻力，可以用莫尔-库仑理论即可表征沥青混合料的力学强度理论:

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ为剪切应力；c为沥青混合料的粘结力；σ为剪切滑动面法向正应力；φ为沥青混合料内摩擦角。

3.2 试验方法及莫尔应力圆力学模型

无侧限抗压强度试验、劈裂试验分别检测马歇尔试件的抗压强度、劈裂强度。无侧限抗压强度试验、劈裂试验所用试件为双面75次击实成型的马歇尔试件，每组6个。无侧限抗压强度试验、劈裂试验的试验温度分别为15 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃，每个试件先放置在恒温水槽中保温1.5 h以上，再将试件置于压力机上分别以5 mm/min、50 mm/min的加载速率均匀加载直至试件破坏。

无侧限抗压强度为σ1，劈裂强度为σ3。以σ1和σ3为两个莫尔应力圆的直径绘制出莫尔应力圆图，利用几何关系可求出沥青混合料的粘结力c和内摩擦角φ，从而分别评价精品机制砂沥青混合料和普通机制砂沥青混合料的力学性能。

(2)

(3)

3.3 试验结果及分析

考虑到沥青种类可能对精品机制砂、普通机制砂沥青混合料的抗压强度、劈裂强度有影响，AC-25、AC-20均采用了基质沥青、SBS改性沥青做对比，AC-25的抗压强度试验和劈裂强度试验结果如图1所示，AC-25w(SBS)表示普通机制砂SBS改性沥青混合料，括号内代表使用沥青种类，其他类推。

图1(a)和图1(b)看出，AC-25的抗压强度和劈裂强度随着温度的升高而减小，温度敏感性较大。对比15 ℃时的抗压强度、劈裂强度，60 ℃时AC-25w(70)、AC-25b(70)、AC-25w(SBS)、AC-25b(SBS)的抗压强度分别为15 ℃时的34.5%、36.6%、38.0%、40.5%，劈裂强度分别为15 ℃时的5.0%、5.2%、10.4%、11.1%；相对于普通机制砂AC-25的抗压强度和劈裂强度，精品机制砂AC-25的抗压强度和劈裂强度较高，这是因为精品机制砂0.15～1.18 mm颗粒含量较多，细集料与沥青接触面增多，沥青混合料密实度增加，沥青混合料粘结力增大；当试验温度20 ℃及以上时，相较于基质沥青混合料AC-25，SBS改性沥青混合料AC-25的抗压强度和劈裂强度均得到提升，这与70号基质沥青黏度小于SBS改性沥青的黏度相关；但15 ℃时SBS改性沥青的韧性相对更好，SBS改性沥青混合料AC-25的抗压强度比基质沥青混合料AC-25的抗压强度大，劈裂强度则相反。

由图1(c)得出，AC-25的粘结力随着温度的升高而降低。在15～40 ℃时AC-25粘结力下降幅度大，40 ℃后下降幅度变小，这与沥青在高温时软化和粘度下降相关；相对于基质沥青，SBS改性沥青能提供较大的粘结力；在30～60 ℃时，精品机制砂AC-25的粘结力比普通机制砂AC-25的粘结力大。

图1(d)可看出，AC-25的内摩擦角随着温度升高而增大。沥青混合料内摩擦角变化规律主要取决于粗集料之间的嵌挤咬锁能力；相对于普通机制砂AC-25，精品机制砂AC-25的内摩擦角较大，表明精品机制砂AC-25具有较高的高温稳定性。

AC-20的抗压强度和劈裂强度试验结果如图2所示，AC-20w(70)表示普通机制砂基质沥青混合料AC-20，括号内代表使用沥青种类，其他类推。结合图2可知，随着温度升高AC-20的抗压强度和劈裂强度减少。相对于AC-20w(70)，AC-20b(70)的抗压强度和劈裂强度更高；当试验温度大于30 ℃时，AC-20b(SBS)的抗压强度和劈裂强度大于AC-20w(SBS)的抗压强度和劈裂强度，小于30 ℃则反之，这可能与SBS改性沥青混合料AC-20在30 ℃的黏度相关。通过分析图2(c)得出，AC-20的粘结力变化规律与AC-25的粘结力变化规律一致，随着温度的升高而降低。在15～40 ℃时，AC-20的粘结力大幅度下降，40 ℃后下降幅度变小；且大于40 ℃时，精品机制砂AC-20粘结力大于普通机制砂AC-20粘结力；相对于基质沥青混合料AC-20，SBS改性沥青AC-20的粘结力更有优势。由图2(d)可得，AC-20的内摩擦角随着温度升高而增大。不同细集料的AC-20内摩擦角变化差距不大，内摩擦角可能与混合料的最大粒径相关，取决于粗集料之间嵌挤咬锁能力，受机制砂的影响相对较小；但相比普通机制砂AC-20，精品机制砂AC-20内摩擦角较大。