针片状颗粒含量对沥青混合料路用性能的影响

■戴文斌

（福建省路桥建设集团有限公司，福州 350005）

集料在沥青混合料中有着不可或缺的地位，为提升沥青混合料的质量，实践中必须充分了解集料掺量和沥青混合料路用性能相关关系。 由材质所决定的材料实际特征和反映集料中针片状颗粒含量、粗糙度以及颗粒级配等重要指标的加工特征是集料性能的技术要点。 针片状颗粒含量作为其中的关键性分项，不仅会影响施工顺畅度，还会改变路面的抗车辙性能以及耐疲劳性能，有必要对其作用机理进行深入探究[1]。

1 针片状颗粒特征及定义

针片状颗粒是指粗集料中细长的针状颗粒与扁平的片状颗粒，是颗粒形状的诸方向中的最小厚度（或直径）与最大长度（或宽度）的尺寸之比小于规定比例的颗粒。 由于针片状颗粒的外形是扁平型且过于细长，因此沥青混合料路施工和投产运营过程中，很容易在外部载荷作用下出现断裂，进而导致沥青混合料的强度下降，从而对整体的路面质量产生一定的影响[2]。

2 试验材料

本试验中使用的原材料共包含以下几种：（1）集料，由龙岩适中丰田南霞碎石场提供，规格为9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm 以及0～2.36 mm，检测结果见表1。 （2）矿粉，由龙岩宇联重钙有限公司提供，样品状态良好，不存在团粒结块。（3）SBS 改性沥青， 由福建中物振华沥青科技有限公司提供，形态为黑色固体。 （4）抗剥落剂，样品型号为AR-II，样品取样状态为棕褐色液态。

表1 沥青混合料用集料检测结果

3 沥青混合料路用性能试验结果与分析

3.1 最佳沥青用量分析

为充分考察针片状颗粒含量对沥青混合料性能的影响，最大限度规避无关变量的干扰，进行了最佳沥青用量试验，集料筛分结果见表2。

表2 集料筛分数据

依据筛分结果调出级配1、级配2 以及级配3这3 种级配，各档采用了不同的集料矿粉掺配比例见表3，其合成级配见表4，最终的级配曲线见图1。

图1 沥青混合料级配曲线图

表3 各矿料比例

表4 混合料矿料合成级配

通过目标配合比设计，最终结果是最佳沥青用量为4.6%。

3.2 水稳性能分析

为明确针片状颗粒含量对混合料水稳性能的影响，本试验以9.5～16 mm 粒径碎石的不同针片状含量为唯一自变量， 针对9.5～16 mm 粒径碎石，根据轧石场不同的碎石破碎工艺，破碎出3 种不同的针片状颗粒含量的碎石， 针片状颗粒含量分别为10.3%、15.6%、19.1%（其单档筛分结果见表5），再与其他档碎石和矿粉合成对应合成级配曲线见图2，AC-16C 沥青用量遵照3.1 节所述统一控制， 试验结果见表6。

图2 合成级配曲线

表5 9.5～16 mm 粒径碎石不同针片状含量的筛分结果

表6 针片状颗粒对沥青混合料水稳定性能的影响

由表6 可知，当针片状颗粒的含量高于15.6%时，沥青混合料路用性能中的水稳定性就会出现明显的下降，其针片状颗粒的含量越高，沥青混合料的劈裂强度比就会变得越小，残留稳定系数MS0也会出现小幅度的下降。 当沥青混合料的冻融劈裂强度以及马歇尔稳定度在逐渐变小时，其自身的水稳定性也就会随之下降。 其次，与含量为10.3%的针片状颗粒相比较而言，颗粒含量为15.6%的针片状颗粒， 其沥青混合料的冻融劈裂强度比要有所增加，但是残留稳定度却有所降低，当针片状颗粒的含量到达19.1%时，其沥青混合料的残留稳定度已经临近限值。 分析后认为，这可能是因为针片状颗粒的含量不断增加，导致当前沥青混合料中的空隙变得越来越大， 从而使得地表水渗漏进空隙之中，进而对沥青混合料的质量造成不良的影响。 并且，随着针片状颗粒含量的不断增加，集料的破碎概率也会随之增加，集料与沥青连接的部位缺少沥青的覆盖，使得其连接处会直接暴露在外部，在地表水的侵蚀下，其沥青膜就会出现脱落，导致沥青混合料的水稳定性下降。 同时对其冻融劈裂强度造成一定的影响。 由上可知，颗粒含量为15.6%的针片状颗粒是影响沥青混合料路用性能的重要拐点[3]。

3.3 高温性能分析

设置车辙试验评估沥青混合料高温性能，处理方式与3.2 节一致，不同组别进行了3 次重复试验，最后依次记录试验数据并计算平均值，具体的测试结果可见表7。

表7 针片状颗粒含量对沥青混合料高温性能的影响

从表7 可知，针片状颗粒含量与沥青混合料高温性能之间的相关性表现是较为明显的，一定温度条件下针片状颗粒含量的增加会导致混合料动稳定度下降。 当针片状颗粒含量从10.3%上升到15.6%时，动稳定测试平均值从8 170 次/mm 下降到了6 238 次/mm， 较好地印证了二者之间的负相关关系。 此时混合料的动稳定性衰减趋势是较为明显的，下降系数约为23.5%。 当其含量上升到19.1%时，动稳定性能下降幅度会更加可观，下降系数可以达到33%。 分析后认为，这主要是因为针片状颗粒的自身外形呈现细长形状，且自身的厚度相对较低，导致其自身的强度也是相对较低的，在试验人员对其进行车辙试验时，针片状颗粒都会在试验中受到不同程度的损伤，导致集料嵌挤结构出现破坏，荷载能力降低。 针片状颗粒会在混合料中平躺分布， 这种分布效果对其质量会产生一定的影响，从而使得混合料的抗车辙性能降低。

3.4 低温性能分析

设置低温小梁弯曲试验探究针片状颗粒含量的影响，采用双点加载模式展开试验，该种模式下小梁为纯弯曲状态， 应力加载点沿中心点对称分布，破坏出现在加载点之间，可以较为客观地反映组织较弱区段情况。 不同的组别处理方式同上，试验数据可见表8。

表8 针片状颗粒含量对沥青混合料低温性能的影响

由表8 可知，针片状颗粒含量对沥青混合料低温性能的影响是较为复杂的， 其中最大载荷指标、劲度模量指标均呈现出下降趋势，当见针片颗粒含量达到19.1%时，各项指标均降至最低值，说明针片状颗粒的增加对沥青混合料的低温性能存在不利影响。 而“跨中挠度”和“破坏应力”两项中，数据出现了明显波动，当针片状颗粒的含量由10.3%上升到15.3%时， 破坏应力从2597.6 με 提升到了2601.3 με，但针片状颗粒含量继续上升到19.1%后，这种上升趋势并未延续，而是由高点2601.3 με 一路下降到2314.8 με，下降系数约为10.7%。 分析后认为，这可能与双点加载试验模式有关，双点加载下应力，施加更为均匀，针片状颗粒为10.3%的试件中结构更加紧凑，沥青饱和度更高，因此结构的刚度和承载能力更强。 当针片状颗粒含量上升到15.6%后，虽然空隙率增加、刚度强度指标下降，但跨中挠度有所上升， 对应力的吸收能力稍有加强，相应的破坏应力也会小幅度上升。 但综合来看这种正面作用的力度十分有限，当针片状颗粒持续上涨到19.1%后，结构空隙率增大，针片状颗粒在低温条件下的脆度也会上升，破坏应力将会迎来大幅度下跌，沥青混合料路面质量也会受到较大影响。

3.5 疲劳性能分析

疲劳性能试验环节， 主要使用了MTS-810 试验机辅助操作， 借助疲劳方程lgN=k-nlgσ 计算疲劳强度，不同组别载荷次数相当，均为106。 当路面受到重力负载时， 路面所表现出来的疲劳系数越高，则说明其抗疲劳性能越强，试验结果见表9。 分析后发现，当针片状颗粒含量在10.3%和15.6%时，混合料试件的疲劳强度是一致的，均为0.80%，当针片状颗粒含量高于15.6%时，混合料的抗疲劳性能就会出现明显衰减，在设定试验范围内会下降到0.67%。分析后认为，这是由于针片状颗粒含量上升时，混合料的空隙会随之增大，在集料级配和沥青用量一定的情况下，抗疲劳寿命自然会随着空隙率的提升而降低，二者整体上呈现负相关关系。 且抗疲劳试验中应力载荷不断作用于路面，质地较薄且形状细长的针片状颗粒很容易被压碎，最终导致沥青混合料的内部出现大量微型裂缝， 当载荷持续发挥效用时，这些微型裂缝还可能扩大，进一步提升结构空隙率，从而造成沥青混合料抗疲劳性的下降[4]。

表9 针片状颗粒含量对混合料疲劳强度的影响

4 结论

综上所述，本研究重点探究了针片状颗粒含量与沥青混合料路用性能之间的关系，结合研究需求设置了马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验等组试验类型，分析结果表明：（1）在级配一定且沥青用量均为4.6%的前提条件下，针片状颗粒含量与沥青水稳性能之间为负相关关系，伴随针片状颗粒含量的提升，沥青混合料的劈裂强度比、残留稳定度均会明显下降。 （2）针片状颗粒含量与沥青混合料高温性能之间同样存在负相关关系，含量指标的提升，会导致混合料动稳定系数下降，在设定试验区间内衰减系数甚至可达30%。 （3）针片状颗粒含量对沥青低温性能的影响较为复杂，分析时需要结合结构刚度强度指标， 以及柔性吸收能力等全方位分析，但总体来说不利影响更为明显。 （4）当疲劳试验载荷作用次数为106次时， 针片状颗粒含量的提升同样不利于沥青混合料疲劳强度的优化，其中15.6%是一个重要拐点， 针片状颗粒含量超过该限值时，试件疲劳强度会明显下降。 针片状颗粒含量对沥青混凝土路面路用性能影响较大，而不同的碎石破碎技术得到的针片状颗粒含量也不同， 在实际施工过程中，要根据石料需求的不同，来选择更有针对性的破碎方式， 从而有效的降低针片状颗粒含量，切实提升沥青混合料的路用性能。