粗集料復摻對瀝青穩定碎石性能影響研究*

林 豪 孔德智 汪福松 張 東 萬九鳴

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

區別于傳統瀝青混凝土制備中僅使用一種集料，集料復摻是通過組合兩種或多種類型的集料來制備瀝青混凝土[1-2].玄武巖和石灰石集料是瀝青路面中廣泛使用的集料，在應用中通常單獨進行瀝青混凝土級配設計，可達到瀝青與集料均勻混合和形成穩定的瀝青混凝土骨架結構的目的[3]. 安山巖是流紋巖和玄武巖的一種巖漿噴出巖中間體，與玄武巖類似，它可以在建筑和路面工業中用作骨料和填料，但由于其二氧化硅含量較高，超過40%，不是常用的瀝青混凝土用集料.其質地堅硬，強度高，壓碎值較小，其表面一般多孔粗糙，且其資源分布較廣泛.從技術上和經濟上來看，在施工應用中，使用安山巖集料也是可行的.

現有的集料復摻的研究主要集中在最大集料粒徑小于20 mm的瀝青混凝土中，對于大于20 mm的瀝青混凝土的相關研究較少.Afonso等[4-5]發現在瀝青混凝土中適當使用集料復摻，可以提高其機械特性.一方面，集料的化學成分對瀝青混凝土性能有很大的影響.在玄武巖瀝青混凝土中使用石灰石細集料可以提供更好的水分穩定性，以及變形和抗裂性[6]；另一方面，集料的形狀和質地也在瀝青混凝土中發揮重要作用，集料的棱角性能決定著熱拌瀝青混凝土(HMA)是否具有良好穩定的骨架結構，集料中過多的針片狀含量會破壞瀝青混凝土的結構[7].胡德明等[8]討論了石灰巖與片麻巖的復摻集料，研究表明堿性的石灰石細集料的摻入可以有效提高瀝青混凝土的水穩定性，在片麻巖集料的使用中應摻雜一定量的石灰巖細集料以提高其路用性能.凡孝均等[9]研究了在花崗巖瀝青混凝土復摻入石灰巖細集料對瀝青混凝土性能影響，其研究著重于瀝青混凝土的水穩定性和疲勞性能，同時對活性礦粉的影響規律亦進行了深入研究，以及如何通過石灰石優化細骨料的替代百分比來改善這些性能.結果表明，使用石灰石細集料和活性礦粉可有效提高瀝青混凝土的水穩定性.

瀝青穩定碎石ATB-25是在配碎石瀝青路面基礎上發展而來的，其為柔性基層，主要是解決瀝青路面的反射裂縫問題.其最大公稱粒徑青穩定碎石基層和一般的密級配瀝青混合料較為相似，一般都在25 mm以上.與瀝青混凝土面層對比，消耗更多的天然粗集料，同時粗集料對其性能影響更大.

文中分別從石灰巖、玄武巖和安山巖粗集料的力學、化學性能入手，對比不同集料的巖性特征和不同集料的復摻方法，引入有效密度概念對粗集料復摻方法進行改進，研究粗集料復摻對瀝青穩定碎石(ATB-25)的體積性能、抗水損害性能和抗疲勞性能的影響規律.

1 試驗原材料

使用90#道路石油瀝青、石灰巖礦粉填料和玄武巖細集料，用三種粗集料玄武巖、石灰巖和安山巖化學成分見表1.石灰巖集料屬于堿性集料，而玄武巖和安山巖屬于酸性集料.由于瀝青是一種弱酸性有機混合物，所以石灰巖的弱堿性更加有助于其與瀝青的粘附作用.

表1 三種集料的化學成分組成

玄武巖、石灰巖和安山巖屬于不同的礦物集料，它們化學組成和成巖環境的差異，導致其巖石表面成分和表面紋理有較大的區別.玄武巖具有斑狀結構，斑晶主要為斜長石和少量橄欖石；石灰石呈灰色，主要礦物為方解石和少量石英，方解石含量85%～90%，石英含量低于5%；安山巖具有斑狀結構，斑晶主要為斜長石、橄欖石和輝石，斑晶含量40%～50%.

2 試驗方案

2.1 配合比設計

ATB-25瀝青穩定碎石使用玄武巖集料進行級配設計，進行柔性基層ATB-25配合比設計，根據集料篩分試驗結果，設計的柔性基層ATB-25合成級配的各檔粒徑的集料質量分數見表2.

2.2 粗集料復摻方法

在瀝青混凝土結構中，粗集料起骨架作用，而細集料和礦粉起填料作用，而其級配設計中，一般不同粒徑尺寸的集料都存在.集料與瀝青拌合再加上集料間相互的嵌擠和支撐，使其共同承受反復的行車荷載.基于以上原理，集料粒徑的級配設計就對瀝青混合料的性能起到了很大的影響.在瀝青混合料領域，根據相關規范將集料分為粗集料和細集料，其粒徑區分界限為2.36 mm.主要使用分檔復摻和粗集料分檔復摻兩種復摻方法，見圖1.

表2 玄武巖瀝青穩定碎石ATB-25集料合成級配

圖1 集料復摻方法示意圖

分檔復摻和粗集料分檔復摻的試驗編號見表3.

表3 粗集料復摻試驗編號

3 試驗結果與分析

3.1 粗集料有效密度

在集料復摻中，不同種類粗集料的密度差距較大，在替換時需考慮集料的密度.表4為三種粗集料相對密度對比，圖2為三種粗集料吸水率隨粒徑變化對比.

由表4和圖2可知，三種粗集料的隨著集料的粒徑的減小，其表觀相對密度不斷增大，毛體積密度不斷減小，吸水率也不斷增大.隨著粒徑的減小，其單位體積的集料的表面積不斷增大，而在自然形成的石料中存在著各種縫隙，表面積不斷增大，其閉口縫隙則不斷減少，開口縫隙不斷增多，這有效增加了石料吸水的能力，故其吸水率不斷的增加，進而決定了其表觀相對密度和毛體積密度的規律性變化.三種集料的密度大小比較為：玄武巖>安山巖>石灰巖；三種集料吸水率大小比較為：安山巖>玄武巖>石灰巖.

表4 三種粗集料密度對比

圖2 玄武巖、安山巖、石灰巖集料吸水率對比

由于瀝青混凝土是由集料，瀝青和礦粉按照合成級配通過加熱拌合而形成的復雜混合物，所以拌合后的瀝青混凝土在集料與瀝青的結合過程中，集料表面的開口孔隙既吸收了一部分瀝青進入，又沒有完全充滿開口孔隙.因此，在計算粗集料的體積時既不能完全使用毛體積密度，也不能用粗集料的表觀密度.瀝青進入開口孔隙的多少由于受到集料的質地，瀝青材料以及拌合情況的影響，很難精確出來，所以在估算有效密度時常常使用表觀密度與毛體積密度的平均值，即

(1)

根據式(1)可知，三種粗集料的有效密度，結果見表5.可以在集料分檔替換時準確的替換每一檔粗集料，更有利于尋找粗集料復摻對瀝青混凝土性能影響的規律.

3.2 瀝青穩定碎石體積性能

與力學性能相比瀝青混凝土的體積性能檢測方便，且體積性能與瀝青混合料路用性能有密切的聯系.傳統上，瀝青混凝土的體積性能指標在配合比設計指標中占重要的地位.表6為粗集料復摻瀝青穩定碎石體積性能.

表5 三種粗集料有效相對密度

表6 粗集料復摻瀝青穩定碎石體積性能

由表6可知，使用安山巖粗集料時，瀝青混凝土的空隙率有小幅降低，使用石灰巖時則可有效的降低瀝青穩定碎石的空隙率.在粗集料分檔復摻中，可明顯看出規律：替換的集料粒徑越大，對復摻集料瀝青穩定碎石的孔隙率的影響越大.這一方面由于在瀝青穩定碎石ATB-25中，當集料越粗其用量也較多；另一方面越粗的集料比表面積約小，對瀝青的單位面積吸附量下降，自由瀝青相對更多，從而導致瀝青穩定碎石的孔隙率的下降.

3.3 瀝青穩定碎石抗水損害性能

3.3.1浸水馬歇爾試驗

瀝青混凝土的浸水馬歇爾試驗主要用于評價其在水損害過程中抵抗剝落的能力.粗集料復摻對瀝青穩定碎石的浸水馬歇爾試驗結果見表7.

表7 粗集料復摻瀝青穩定碎石浸水馬歇爾試驗結果

當使用安山巖粗集料時，初始馬歇爾穩定度和浸水后穩定度都有一定程度上升，這說明使用安山巖粗集料對瀝青穩定碎石的水穩定性能有一定的提升效果，其原因在于安山巖集料表面較玄武巖粗糙，有利于瀝青在其表面的粘附，增加了其抵抗剝落的能力.使用石灰巖粗集料可以有效提高瀝青穩定碎石的抵抗水損害的能力.其原因在于石灰巖集料屬于堿性礦料，其與瀝青的粘附等級較玄武巖更高.

在粗集料分檔復摻的三組數據對比可發現，石灰巖粗集料分檔替換玄武巖，對其水穩定性能的提高并不是無上限的，分別替換2.36～13.2 mm檔粗集料L1-B組、13.2～19 mm檔粗集料L2-B組、19～31.5 mm檔粗集料L3-B組，其無明顯區別.使用石灰巖替換玄武巖可以提高其水穩定性能這取決于其堿性的巖性，但對粗集料分檔替換時，發現替換不同粒徑的玄武巖其在穩定度、殘留穩定度數據方面無明顯差別.

3.3.2凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗是一種評價瀝青混合料在低溫水侵蝕情況下的水穩定性能的試驗方法，一般結果用凍融劈裂抗拉強度比TSR作為試驗結果，凍融劈裂抗拉強度比TSR越大，表明其水穩定性越好.

粗集料復摻對瀝青穩定碎石的凍融劈裂試驗結果見表8.由表8可知，凍融劈裂試驗結果與浸水馬歇爾試驗結果類似.使用石灰巖和安山巖粗集料都可以一定程度的提升瀝青穩定碎石的抗凍融劈裂強度，其中安山巖粗集料的提升程度較大，這由于在低溫條件下，安山巖表面粗糙的紋理對抗水損害性能的提升更為明顯.

表8 粗集料復摻瀝青穩定碎石凍融劈裂試驗結果

3.4 瀝青穩定碎石抗疲勞性能

使用四點彎曲疲勞試驗進行檢測粗集料分檔復摻對瀝青穩定碎石抗疲勞性能的影響.使用輪碾成型后進行切割制成的試件見圖3.

圖3 瀝青穩定碎石ATB-25試件

圖3a)中從左至右分別為BB，L1-B，L2-B，L3-B，LB組試驗試件，可從瀝青混凝土試件截面上觀察到不同粒徑的石灰巖粗集料在瀝青穩定碎石中的顆粒嵌擠情況.四點彎曲疲勞試驗結果見圖4.五組試驗中，抗疲勞性能最差的為BB組，即全玄武巖組瀝青穩定碎石的抗疲勞性能最差，抗疲勞性能最優的為LB組，即替換2.36～31.5 mm全部石灰巖粗集料實驗組其抗疲勞性能最優.而對比L1-B，L2-B，L3-B三組可知，其中L2-B和L3-B兩組的應變-疲勞次數曲線基本重合，而L1-B組其疲勞次數普遍高于以上兩組，這表明在ATB-25瀝青穩定碎石中，替換2.36～13.2 mm檔集料對瀝青穩定碎石ATB-25的疲勞性能的改善效果高于13.2～19 mm檔和19～31.5 mm檔.

圖4 粗集料復摻瀝青穩定碎石疲勞實驗結果

4 結 論

1) 不同種粗集料密度和吸水率不同，隨粗集料粒徑的增大，其表觀相對密度會逐漸變小，吸水率也會隨之變小.粗集料粒徑的增加會導致較小的表觀相對密度和較小的吸水率.有效密度可以估算瀝青穩定碎石中粗集料的有效體積，可提高瀝青混凝土粗集料復摻研究的準確性.

2) 粗集料的酸堿性、表面粗糙程度和密度差異都對瀝青穩定碎石的體積性能有一定程度的影響.使用安山巖粗集料對體積性能影響較小.石灰巖粗集料的摻入可有效降低瀝青穩定碎石的空隙率，隨著集料粒徑的增大，其對瀝青穩定碎石的體積性能影響越大.

3) 通過比較馬歇爾穩定性試驗、凍融劈裂試驗和四點彎曲試驗的結果，可以看出，堿性粗集料或表面粗糙度高(較高吸水性)粗集料的摻入可以改善瀝青穩定碎石的力學性能.使用安山巖粗集料可有效提高瀝青穩定碎石低溫條件下的抗水損害性能；使用石灰巖粗集料可以顯著提高抗水損害性能，但其提升效果有自身上限，進行粗集料部分置換也可達到相同的提升抗水損害性能的效果.

4)集料復摻方法應著重注意不同種類集料的密度，其對瀝青混凝土體積性能影響較大.在瀝青混凝土級配設計中，復摻入部分高堿度或表面粗糙度更高的粗集料可以有效提升瀝青混凝土的水穩定性能和使用壽命.

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