細集料性質(zhì)對瀝青混合料體積特性的影響

葛逸羚

摘要：細集料是瀝青混合料的重要組分，對瀝青混合料的路用性能有重要影響。首先比較3種細集料（機制砂、石屑、天然砂）的棱角性及表面粗糙程度等物理性質(zhì)，然后探討不同細集料對SMA-13、AC-13兩種瀝青混合料體積特性的影響。

關(guān)鍵詞：細集料;棱角性;瀝青混合料;體積特性;最佳瀝青用量

根據(jù)最大密實原則確定礦質(zhì)混合料級配，嚴格控制礦料間隙率VMA、混合料空隙率VV、瀝青飽和度VFA等瀝青混合料體積參數(shù)，以適宜的方法確定最佳瀝青用量，是近百年來密級配瀝青混合料組成設(shè)計的核心與精髓。由于控制VMA的是細集料，而不是粗集料，故而應(yīng)由細集料的級配確定混合料的VMA值，而不是由粗集料的級配或粒徑來確定。因此為分析細集料對瀝青混合料性能的影響，首先必須明確其對混合料體積特性的影響規(guī)律，從而明確機制砂、石屑與天然砂的主要差異。

由于骨架-密實型的SMA當中細集料含量較小，因此結(jié)合AC-13這種典型的懸浮密實混合料，綜合分析細集料在不同混合料結(jié)構(gòu)中的作用與影響規(guī)律。同時以馬歇爾試驗設(shè)計方法為主，分析不同細集料對瀝青混合料最佳瀝青用量的影響。

1 細集料棱角性試驗

3種細集料原材料、1.18mm單一粒徑、合成級配（級配為表3中AC-13的級配）下的間隙率測試結(jié)果見表1。

從間隙率的試驗結(jié)果來看，3種細集料棱角性大小順序：石屑≈機制砂>天然砂，石屑與機制砂差異不明顯。由于石屑中含有的扁平細長顆粒在下落后平臥，并在堆積時被架空，其下方就留有較大的空隙，使得所測的空隙率增大;機制砂棱角性好，顆粒規(guī)整，表面粗糙不易滑動，顆粒間空隙均勻，同樣可以獲得大的間隙率;天然砂顆粒圓潤、表面光滑，棱角性很差，堆積時顆粒間易于滑動，間隙會被最大程度地填充，因此測得的間隙率較小。

2 細集料對瀝青混合料體積特性的影響

試驗所用各種石料都符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。所使用的瀝青為普通道路石油瀝青，基本性能指標見表2。

2.1 瀝青混合料類型選擇

根據(jù)實際情況總結(jié)提出了SMA的級配范圍。試驗時所用級配見表3。

2.2 細集料對SMA體積特性的影響

3種細集料以相同比例加入到SMA-13中，在不同瀝青用量下的各項體積指標見圖1。

可以看出，在瀝青用量增多之后，石屑SMA的VV迅速下降，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為機制砂有良好的棱角性，良好的棱角性使得集料間的嵌鎖能力更好，集料的流動能力弱，形成的骨架不會輕易地在瀝青用量增大時就破壞。同時，瀝青用量增大時，石屑SMA的VMA 減小、VFA增大說明石屑中組分未能有效同瀝青結(jié)合而形成結(jié)構(gòu)瀝青，使得混合料中自由瀝青迅速增多。

對于機制砂，混合料在油石比較小的時候，提高瀝青用量，有效地提高了瀝青的飽和度，而且此時粗骨架承受主要的壓實功，所以VMA減小，同時瀝青膠漿與瑪蹄脂填充空隙，VV降低，提高瀝青用量效果明顯。繼續(xù)增加瀝青用量，SMA的體積組成保持穩(wěn)定，說明細集料能同瀝青有效結(jié)合，原因從力學(xué)理論角度分析，礦料與瀝青的粘附發(fā)生在兩種材料的界面上，所以礦料表面越粗糙，形成的瀝青膜就會越厚;從化學(xué)角度分析，因為機制砂表面有很多良好的破碎面，當瀝青進入集料表面時，會發(fā)生強烈的反應(yīng)，這也使得機制砂與瀝青結(jié)合得更好。

采用天然砂的SMA，油石比較小時，空隙率大、飽和度未能明顯提高，這與常規(guī)的天然砂的瀝青混合料空隙率一定小是不一樣的，說明這種細集料對SMA體積特性的影響同樣是有條件的。在瀝青用量較小的情況下，天然砂由于棱角性較差，混合料在壓實功作用下容易發(fā)生變形，但未能促使混合料逐步密實。正是因為這種易于變形，加上天然砂與瀝青結(jié)合能力較弱，瀝青瑪蹄脂雖然體積增加，但整體的粘結(jié)力不大，碾壓時天然砂中相對大的顆粒未能與瀝青有效結(jié)合，而發(fā)生轉(zhuǎn)動、移動等變形，從而干涉了粗集料形成的骨架，導(dǎo)致VMA、VV的提高。

本文所用的粗集料，其松散骨架間隙率VCADRC=39.6%。從圖1中可以看出，3種瀝青混合料中的粗集料骨架間隙率VCAmin都稍大于VCADRC，說明3種瀝青混合料不是嚴格的骨架-密實型。從整體來看，石屑、天然砂瀝青混合料的VCAmix普遍比機制砂瀝青混合料的高，這對形成骨架密實結(jié)構(gòu)是不利的。

2.3 細集料對AC體積特性的影響

試驗選用的級配為AC-13，以4.3%的油石比，測試機制砂、石屑與天然砂瀝青混合料的體積參數(shù)，其結(jié)果見表4。

從表4數(shù)據(jù)來看，細集料對混合料的VV有較大影響，石屑與機制砂的值基本相同，天然砂VV最大。此時說明天然砂與瀝青的結(jié)合起著主導(dǎo)作用，其流動能力對碾壓的貢獻未能充分體現(xiàn)出來，這與前一節(jié)得出的結(jié)論相同。

體積參數(shù)VMA、VCAmix在AC-13中相差很小，因此在相同級配的AC-13中VMA、VCAmix受細集料影響較小，這與SMA-13所得的結(jié)論不同。其原因在于AC-13是懸浮密實型，粗骨料之間并沒有形成骨架結(jié)構(gòu)，細集料棱角性等差異對粗集料的結(jié)構(gòu)不形成太大干擾。比較3種細集料的VFA可知，機制砂和石屑因為堿性與瀝青結(jié)合良好，形成的瀝青膜厚度大，因而VFA比天然砂瀝青混合料的大。

2.4 細集料對瀝青混合料最佳瀝青用量的影響

選擇上述3種細集料，以SMA-13級配為典型混合料，試驗確定每種混合料的最佳瀝青用量。馬歇爾試驗結(jié)果見表5與圖2。

根據(jù)3種混合料的體積指標，確定各材料的容許油石比范圍，根據(jù)這些范圍就可以確定出3種瀝青混合料各自的最佳油石比。

從表5中數(shù)據(jù)可知，機制砂瀝青混合料最佳瀝青用量最大，石屑瀝青混合料居中，而天然砂瀝青混合料的最佳瀝青用量最小。原因是機制砂顆粒規(guī)整、破碎面多、潔凈，所以表面與瀝青粘附性好、結(jié)構(gòu)瀝青層厚、吸附瀝青多;石屑雖然也有良好的破碎面，但其含泥量

大，導(dǎo)致其與瀝青粘附較機制砂差、吸附瀝青較少;天然砂顆粒接近球形、比表面積小、無破碎面，與瀝青粘附性更差、吸附瀝青更少。

3 結(jié)論

（1）棱角性好、破碎面多、潔凈等優(yōu)越性能使得機制砂能與瀝青更好地結(jié)合，因此機制砂SMA 對提高瀝青用量而保持強度穩(wěn)定的能力優(yōu)于石屑和天然砂。這樣混合料的強度保持穩(wěn)定，但變形能力自然提高，說明其低溫抗裂性能改善的同時可保證高溫穩(wěn)定性。在SMA中，建議使用機制砂，少用或不用石屑和天然砂。

（2）天然砂對瀝青混合料體積特性的影響是有條件的。天然砂的易流動性，一方面有利于混合料碾壓密實，但如果瀝青用量不足，或天然砂粒徑過大，反而會不利于混合料的壓實與結(jié)構(gòu)強度的形成。

（3）在同一級配下，最佳瀝青用量的大小順序為：機制砂>石屑>天然砂。這與細集料顆粒規(guī)整與否、破碎面多少、潔凈程度等性能正相關(guān)。

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