粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土性能的影響研究

劉曼曼，王 磊，劉亞濤

（葛洲壩集團(tuán)試驗檢測有限公司，湖北 宜昌 443002）

瀝青混凝土路面具有行車舒適、耐久性好、低噪音等一系列的優(yōu)勢，這一路面形式在我國等級公路的建設(shè)中被廣泛使用[1]。集料是瀝青混凝土路面的主要構(gòu)成，其占到路面體積的90%以上[2]。因此，集料質(zhì)量的好壞將直接影響到瀝青混凝土路面的性能。針片狀顆粒含量是評價粗集料質(zhì)量好壞的重要技術(shù)指標(biāo)之一。根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的定義，粗集料中針片狀顆粒指最大長度（或?qū)挾龋┓较蚺c最小厚度（或直徑）方向的尺寸之比大于3倍的顆粒[3]。

粗集料在瀝青混凝土中主要起形成骨架的作用，從而為路面提供承載力[4]。因而粗集料的形態(tài)關(guān)乎顆粒間接觸的有效性以及骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，最終將產(chǎn)生的影響反饋至瀝青混凝土的路用性能上，這就要求制備粗集料時應(yīng)有效控制其針片狀顆粒的含量。在JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中，對于粒徑連續(xù)變化的混合態(tài)粗集料應(yīng)用于高速公路及一級公路表面層時，要求針片狀顆粒含量不超過15%；當(dāng)其應(yīng)用于其他層時，要求針片狀顆粒含量不超過18%[5]。而在實際工程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗集料針片狀顆粒含量較高時，即使其仍然滿足技術(shù)規(guī)范的要求，瀝青混凝土的壓實性、強(qiáng)度、抗變形性能等指標(biāo)均表現(xiàn)不佳。一方面，部分指標(biāo)數(shù)值上波動顯著；另一方面，某些指標(biāo)存在不滿足路面設(shè)計要求的情況。

考慮到粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土的性能影響顯著，且目前技術(shù)規(guī)范對粗集料針片狀顆粒含量的限定可能存在不恰當(dāng)?shù)那樾危狙芯恳猿Ｓ玫男鋷r粗集料為研究對象，重點考察了常用玄武巖粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土壓實性、強(qiáng)度以及抗變形性能的影響。基于試驗結(jié)果，推薦粗集料針片狀顆粒含量的適宜控制值，為日后相關(guān)技術(shù)規(guī)范的修訂提供一定的參考。

1 原材料

為使相關(guān)研究能與實際工程相適應(yīng)，本研究采用高等級公路上面層建設(shè)常用的原材料類型。粗集料和細(xì)集料均采用玄武巖，通過調(diào)整粗集料中針片狀顆粒的含量，準(zhǔn)備針片狀顆粒含量分別為0、5%、10%、15%和20%的5種玄武巖粗集料；填料采用石灰石磨制而成的礦粉；膠結(jié)料采用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SBS）改性瀝青。

2 試驗方法

基于馬歇爾方法設(shè)計瀝青混凝土：設(shè)計級配類型為AC-13的瀝青混凝土，由于本研究涉及5種不同針片狀顆粒含量的玄武巖粗集料，則共需設(shè)計5種瀝青混凝土。除了粗集料，每種瀝青混凝土所用其他原材料類型均一致，見表1。瀝青混凝土設(shè)計空隙率為4%~5%。

表1 瀝青混凝土的原材料構(gòu)成

基于馬歇爾擊實試驗分析瀝青混凝土的壓實特性：對于每一種瀝青混凝土，采用馬歇爾擊實儀成型瀝青混凝土試件多個，試件尺寸為φ101.6 mm×（63.5±1.3）mm，測試試件的空隙率。通過分析瀝青混凝土試件空隙率的變化特點確定粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土壓實狀態(tài)的影響。

基于劈裂試驗分析瀝青混凝土的強(qiáng)度：同上，對于每一種瀝青混凝土，采用馬歇爾擊實儀成型尺寸為φ101.6 mm×（63.5±1.3）mm的瀝青混凝土試件多個，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[6]測試試件在常溫下的劈裂強(qiáng)度。分析粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土強(qiáng)度的影響。

基于車轍試驗分析瀝青混凝土的抗變形性能：對于每一種瀝青混凝土，采用輪碾儀成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的瀝青混凝土試件多個。按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[6]，在60℃環(huán)境下，采用胎壓為0.7 MPa的鋼輪往復(fù)碾壓瀝青混凝土試件，記錄試件的實時變形量（車轍深度），按照式（1）計算瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度。基于動穩(wěn)定度結(jié)果分析粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土抗變形性能的影響。

式中，DS為動穩(wěn)定度，單位為次/mm；S為鋼輪往復(fù)運動的速度；l45和l60分別是測試時間為45 min和60 min時，試件的車轍深度，單位為mm。

3 結(jié)果與討論

馬歇爾擊實儀成型的瀝青混凝土試件空隙率測試結(jié)果如圖1所示，可見不同瀝青混凝土的壓實特性存在明顯區(qū)別。對于M0、M5和M10，每種瀝青混凝土對應(yīng)的5個平行試件，空隙率均在4%~5%范圍內(nèi)波動；而對于M15和M20，情況則大為不同，這兩種瀝青混凝土均出現(xiàn)了空隙率介于2.5%~3.5%之間的試件。表面上看，隨著玄武巖粗集料針片狀顆粒含量的提高，瀝青混凝土變得更易于壓實，但這并非瀝青混凝土的真實壓實狀態(tài)。將這些空隙率明顯小于平均水平的擊實試件進(jìn)行二次加熱，使其松散變成粒狀混合料，通過觀察粗集料顆粒的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，這些試件空隙率過小主要是由于部分粗集料顆粒在瀝青混凝土試件成型過程中被擊碎，而這些粗集料顆粒絕大多數(shù)又都屬于針片狀顆粒。因此，空隙率的減小并非意味著瀝青混凝土更易壓實，并不能反映瀝青混凝土的真實壓實狀態(tài)。針片狀顆粒含量的提高實則破壞了粗集料顆粒間的嵌擠作用和骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在設(shè)計瀝青混凝土?xí)r，同樣發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，為保證設(shè)計的正確性，將空隙率明顯異于同類型平均水平的試件剔除。

圖1 馬歇爾試件的空隙率

瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度測試結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出玄武巖粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土的強(qiáng)度影響顯著。具體來看，當(dāng)針片狀顆粒含量處于5%的較低水平時，瀝青混凝土的強(qiáng)度沒有受到明顯影響，相反強(qiáng)度有所提高，這說明瀝青混凝土的強(qiáng)度是多方面因素復(fù)合作用的結(jié)果。隨著玄武巖粗集料針片狀顆粒含量的進(jìn)一步提高，瀝青混凝土的強(qiáng)度表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。尤其當(dāng)針片狀顆粒含量超過10%時，瀝青混凝土強(qiáng)度的下降尤為明顯；當(dāng)針片狀顆粒含量達(dá)到20%時，瀝青混凝土的強(qiáng)度衰減了20%以上。因此，從強(qiáng)度方面考慮，建議將粗集料針片狀顆粒控制在10%以內(nèi)。

圖2 馬歇爾試件的劈裂強(qiáng)度

瀝青混凝土板狀試件的動穩(wěn)定度結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出，玄武巖粗集料針片狀顆粒含量同樣顯著影響瀝青混凝土的抗變形性能。隨著針片狀顆粒含量的增加，雖然瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度未表現(xiàn)出持續(xù)下降的特征，但相比于不含針片狀顆粒的瀝青混凝土，含針片狀顆粒的瀝青混凝土動穩(wěn)定度均不同程度的下降，說明針片狀顆粒使瀝青混凝土的抗變形性能變差。但當(dāng)針片狀顆粒含量從15%提高到20%時，瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度不降反升，這一特殊情況的出現(xiàn)同樣和針片狀顆粒的碎裂有關(guān)。車轍試驗結(jié)束后，再次加熱針片狀顆粒含量為20%的瀝青混凝土試件（M20），使其軟化為粒狀混合料，同樣觀察到較多在瀝青混凝土試件成型過程中被壓碎的針片狀顆粒，而在針片狀顆粒含量為15%的粒狀混合料（M15）中則較少觀察到被壓碎的針片狀顆粒。這一方面說明在制備瀝青混凝土試件時，輪碾儀施加給瀝青混凝土的作用相比馬歇爾擊實儀更加柔和；另一方面也說明M20動穩(wěn)定度的提高主要是因為針片狀顆粒的碎裂使瀝青混凝土試件在車轍試驗前期變得更加“密實”而引起的，這一點從瀝青混凝土車轍深度的變化也可得到印證。

圖3 瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度

瀝青混凝土試件經(jīng)歷30 min輪碾作用后產(chǎn)生的車轍變形情況如圖4所示，可見當(dāng)針片狀顆粒含量由0%增加到15%，瀝青混凝土試件的車轍深度增加了1.2 mm；而當(dāng)針片狀顆粒含量由15%增加到20%，瀝青混凝土試件的車轍深度就增加了2 mm，說明M20在車轍試驗前期變形量非常大。而試驗后期（45 min~60 min）產(chǎn)生變形則變得相對困難，階段性變形量變小，因而動穩(wěn)定度表現(xiàn)出一定程度的上升。但實則瀝青混凝土骨架已經(jīng)遭到破壞，穩(wěn)定性在車轍試驗前期就已經(jīng)喪失。根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，我國夏炎熱區(qū)、夏熱區(qū)和夏涼區(qū)用改性瀝青混凝土動穩(wěn)定度的最低要求分別是不小于2 400次/mm、2 000次/mm和1 800次/mm[5]，可見M15的適用范圍較窄。因此，從瀝青混凝土的抗變形性能方面考慮，同樣建議將粗集料針片狀顆粒控制在10%以內(nèi)。

圖4 車轍試驗30 min時瀝青混凝土試件的車轍深度

4 結(jié)論

通過馬歇爾擊實試驗、劈裂試驗和車轍試驗研究了玄武巖粗集料針片狀顆粒含量對瀝青混凝土壓實性、強(qiáng)度、抗變形性能的影響。結(jié)果表明，隨著玄武巖粗集料針片狀顆粒含量的增加，針片狀顆粒易在瀝青混凝土試件的成型過程中發(fā)生碎裂，從而影響瀝青混凝土的性能。從壓實狀態(tài)、強(qiáng)度及抗變形性能方面綜合考慮，建議將粗集料針片狀顆粒控制在10%以內(nèi)。