針片狀顆粒含量對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

■戴文斌

（福建省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，福州 350005）

集料在瀝青混合料中有著不可或缺的地位，為提升瀝青混合料的質(zhì)量，實(shí)踐中必須充分了解集料摻量和瀝青混合料路用性能相關(guān)關(guān)系。 由材質(zhì)所決定的材料實(shí)際特征和反映集料中針片狀顆粒含量、粗糙度以及顆粒級(jí)配等重要指標(biāo)的加工特征是集料性能的技術(shù)要點(diǎn)。 針片狀顆粒含量作為其中的關(guān)鍵性分項(xiàng)，不僅會(huì)影響施工順暢度，還會(huì)改變路面的抗車轍性能以及耐疲勞性能，有必要對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行深入探究[1]。

1 針片狀顆粒特征及定義

針片狀顆粒是指粗集料中細(xì)長(zhǎng)的針狀顆粒與扁平的片狀顆粒，是顆粒形狀的諸方向中的最小厚度（或直徑）與最大長(zhǎng)度（或?qū)挾龋┑某叽缰刃∮谝?guī)定比例的顆粒。 由于針片狀顆粒的外形是扁平型且過于細(xì)長(zhǎng)，因此瀝青混合料路施工和投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程中，很容易在外部載荷作用下出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料的強(qiáng)度下降，從而對(duì)整體的路面質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響[2]。

2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中使用的原材料共包含以下幾種：（1）集料，由龍巖適中豐田南霞碎石場(chǎng)提供，規(guī)格為9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm 以及0～2.36 mm，檢測(cè)結(jié)果見表1。 （2）礦粉，由龍巖宇聯(lián)重鈣有限公司提供，樣品狀態(tài)良好，不存在團(tuán)粒結(jié)塊。（3）SBS 改性瀝青， 由福建中物振華瀝青科技有限公司提供，形態(tài)為黑色固體。 （4）抗剝落劑，樣品型號(hào)為AR-II，樣品取樣狀態(tài)為棕褐色液態(tài)。

表1 瀝青混合料用集料檢測(cè)結(jié)果

3 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 最佳瀝青用量分析

為充分考察針片狀顆粒含量對(duì)瀝青混合料性能的影響，最大限度規(guī)避無關(guān)變量的干擾，進(jìn)行了最佳瀝青用量試驗(yàn)，集料篩分結(jié)果見表2。

表2 集料篩分?jǐn)?shù)據(jù)

依據(jù)篩分結(jié)果調(diào)出級(jí)配1、級(jí)配2 以及級(jí)配3這3 種級(jí)配，各檔采用了不同的集料礦粉摻配比例見表3，其合成級(jí)配見表4，最終的級(jí)配曲線見圖1。

圖1 瀝青混合料級(jí)配曲線圖

表3 各礦料比例

表4 混合料礦料合成級(jí)配

通過目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，最終結(jié)果是最佳瀝青用量為4.6%。

3.2 水穩(wěn)性能分析

為明確針片狀顆粒含量對(duì)混合料水穩(wěn)性能的影響，本試驗(yàn)以9.5～16 mm 粒徑碎石的不同針片狀含量為唯一自變量， 針對(duì)9.5～16 mm 粒徑碎石，根據(jù)軋石場(chǎng)不同的碎石破碎工藝，破碎出3 種不同的針片狀顆粒含量的碎石， 針片狀顆粒含量分別為10.3%、15.6%、19.1%（其單檔篩分結(jié)果見表5），再與其他檔碎石和礦粉合成對(duì)應(yīng)合成級(jí)配曲線見圖2，AC-16C 瀝青用量遵照3.1 節(jié)所述統(tǒng)一控制， 試驗(yàn)結(jié)果見表6。

圖2 合成級(jí)配曲線

表5 9.5～16 mm 粒徑碎石不同針片狀含量的篩分結(jié)果

表6 針片狀顆粒對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響

由表6 可知，當(dāng)針片狀顆粒的含量高于15.6%時(shí)，瀝青混合料路用性能中的水穩(wěn)定性就會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，其針片狀顆粒的含量越高，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比就會(huì)變得越小，殘留穩(wěn)定系數(shù)MS0也會(huì)出現(xiàn)小幅度的下降。 當(dāng)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度以及馬歇爾穩(wěn)定度在逐漸變小時(shí)，其自身的水穩(wěn)定性也就會(huì)隨之下降。 其次，與含量為10.3%的針片狀顆粒相比較而言，顆粒含量為15.6%的針片狀顆粒， 其瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比要有所增加，但是殘留穩(wěn)定度卻有所降低，當(dāng)針片狀顆粒的含量到達(dá)19.1%時(shí)，其瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度已經(jīng)臨近限值。 分析后認(rèn)為，這可能是因?yàn)獒樒瑺铑w粒的含量不斷增加，導(dǎo)致當(dāng)前瀝青混合料中的空隙變得越來越大， 從而使得地表水滲漏進(jìn)空隙之中，進(jìn)而對(duì)瀝青混合料的質(zhì)量造成不良的影響。 并且，隨著針片狀顆粒含量的不斷增加，集料的破碎概率也會(huì)隨之增加，集料與瀝青連接的部位缺少瀝青的覆蓋，使得其連接處會(huì)直接暴露在外部，在地表水的侵蝕下，其瀝青膜就會(huì)出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)定性下降。 同時(shí)對(duì)其凍融劈裂強(qiáng)度造成一定的影響。 由上可知，顆粒含量為15.6%的針片狀顆粒是影響瀝青混合料路用性能的重要拐點(diǎn)[3]。

3.3 高溫性能分析

設(shè)置車轍試驗(yàn)評(píng)估瀝青混合料高溫性能，處理方式與3.2 節(jié)一致，不同組別進(jìn)行了3 次重復(fù)試驗(yàn)，最后依次記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值，具體的測(cè)試結(jié)果可見表7。

表7 針片狀顆粒含量對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響

從表7 可知，針片狀顆粒含量與瀝青混合料高溫性能之間的相關(guān)性表現(xiàn)是較為明顯的，一定溫度條件下針片狀顆粒含量的增加會(huì)導(dǎo)致混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降。 當(dāng)針片狀顆粒含量從10.3%上升到15.6%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定測(cè)試平均值從8 170 次/mm 下降到了6 238 次/mm， 較好地印證了二者之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。 此時(shí)混合料的動(dòng)穩(wěn)定性衰減趨勢(shì)是較為明顯的，下降系數(shù)約為23.5%。 當(dāng)其含量上升到19.1%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定性能下降幅度會(huì)更加可觀，下降系數(shù)可以達(dá)到33%。 分析后認(rèn)為，這主要是因?yàn)獒樒瑺铑w粒的自身外形呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)形狀，且自身的厚度相對(duì)較低，導(dǎo)致其自身的強(qiáng)度也是相對(duì)較低的，在試驗(yàn)人員對(duì)其進(jìn)行車轍試驗(yàn)時(shí)，針片狀顆粒都會(huì)在試驗(yàn)中受到不同程度的損傷，導(dǎo)致集料嵌擠結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，荷載能力降低。 針片狀顆粒會(huì)在混合料中平躺分布， 這種分布效果對(duì)其質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生一定的影響，從而使得混合料的抗車轍性能降低。

3.4 低溫性能分析

設(shè)置低溫小梁彎曲試驗(yàn)探究針片狀顆粒含量的影響，采用雙點(diǎn)加載模式展開試驗(yàn)，該種模式下小梁為純彎曲狀態(tài)， 應(yīng)力加載點(diǎn)沿中心點(diǎn)對(duì)稱分布，破壞出現(xiàn)在加載點(diǎn)之間，可以較為客觀地反映組織較弱區(qū)段情況。 不同的組別處理方式同上，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見表8。

表8 針片狀顆粒含量對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響

由表8 可知，針片狀顆粒含量對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響是較為復(fù)雜的， 其中最大載荷指標(biāo)、勁度模量指標(biāo)均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，當(dāng)見針片顆粒含量達(dá)到19.1%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均降至最低值，說明針片狀顆粒的增加對(duì)瀝青混合料的低溫性能存在不利影響。 而“跨中撓度”和“破壞應(yīng)力”兩項(xiàng)中，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯波動(dòng)，當(dāng)針片狀顆粒的含量由10.3%上升到15.3%時(shí)， 破壞應(yīng)力從2597.6 με 提升到了2601.3 με，但針片狀顆粒含量繼續(xù)上升到19.1%后，這種上升趨勢(shì)并未延續(xù)，而是由高點(diǎn)2601.3 με 一路下降到2314.8 με，下降系數(shù)約為10.7%。 分析后認(rèn)為，這可能與雙點(diǎn)加載試驗(yàn)?zāi)Ｊ接嘘P(guān)，雙點(diǎn)加載下應(yīng)力，施加更為均勻，針片狀顆粒為10.3%的試件中結(jié)構(gòu)更加緊湊，瀝青飽和度更高，因此結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力更強(qiáng)。 當(dāng)針片狀顆粒含量上升到15.6%后，雖然空隙率增加、剛度強(qiáng)度指標(biāo)下降，但跨中撓度有所上升， 對(duì)應(yīng)力的吸收能力稍有加強(qiáng)，相應(yīng)的破壞應(yīng)力也會(huì)小幅度上升。 但綜合來看這種正面作用的力度十分有限，當(dāng)針片狀顆粒持續(xù)上漲到19.1%后，結(jié)構(gòu)空隙率增大，針片狀顆粒在低溫條件下的脆度也會(huì)上升，破壞應(yīng)力將會(huì)迎來大幅度下跌，瀝青混合料路面質(zhì)量也會(huì)受到較大影響。

3.5 疲勞性能分析

疲勞性能試驗(yàn)環(huán)節(jié)， 主要使用了MTS-810 試驗(yàn)機(jī)輔助操作， 借助疲勞方程lgN=k-nlgσ 計(jì)算疲勞強(qiáng)度，不同組別載荷次數(shù)相當(dāng)，均為106。 當(dāng)路面受到重力負(fù)載時(shí)， 路面所表現(xiàn)出來的疲勞系數(shù)越高，則說明其抗疲勞性能越強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。 分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)針片狀顆粒含量在10.3%和15.6%時(shí)，混合料試件的疲勞強(qiáng)度是一致的，均為0.80%，當(dāng)針片狀顆粒含量高于15.6%時(shí)，混合料的抗疲勞性能就會(huì)出現(xiàn)明顯衰減，在設(shè)定試驗(yàn)范圍內(nèi)會(huì)下降到0.67%。分析后認(rèn)為，這是由于針片狀顆粒含量上升時(shí)，混合料的空隙會(huì)隨之增大，在集料級(jí)配和瀝青用量一定的情況下，抗疲勞壽命自然會(huì)隨著空隙率的提升而降低，二者整體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。 且抗疲勞試驗(yàn)中應(yīng)力載荷不斷作用于路面，質(zhì)地較薄且形狀細(xì)長(zhǎng)的針片狀顆粒很容易被壓碎，最終導(dǎo)致瀝青混合料的內(nèi)部出現(xiàn)大量微型裂縫， 當(dāng)載荷持續(xù)發(fā)揮效用時(shí)，這些微型裂縫還可能擴(kuò)大，進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)空隙率，從而造成瀝青混合料抗疲勞性的下降[4]。

表9 針片狀顆粒含量對(duì)混合料疲勞強(qiáng)度的影響

4 結(jié)論

綜上所述，本研究重點(diǎn)探究了針片狀顆粒含量與瀝青混合料路用性能之間的關(guān)系，結(jié)合研究需求設(shè)置了馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)等組試驗(yàn)類型，分析結(jié)果表明：（1）在級(jí)配一定且瀝青用量均為4.6%的前提條件下，針片狀顆粒含量與瀝青水穩(wěn)性能之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，伴隨針片狀顆粒含量的提升，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度均會(huì)明顯下降。 （2）針片狀顆粒含量與瀝青混合料高溫性能之間同樣存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，含量指標(biāo)的提升，會(huì)導(dǎo)致混合料動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)下降，在設(shè)定試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)衰減系數(shù)甚至可達(dá)30%。 （3）針片狀顆粒含量對(duì)瀝青低溫性能的影響較為復(fù)雜，分析時(shí)需要結(jié)合結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度指標(biāo)， 以及柔性吸收能力等全方位分析，但總體來說不利影響更為明顯。 （4）當(dāng)疲勞試驗(yàn)載荷作用次數(shù)為106次時(shí)， 針片狀顆粒含量的提升同樣不利于瀝青混合料疲勞強(qiáng)度的優(yōu)化，其中15.6%是一個(gè)重要拐點(diǎn)， 針片狀顆粒含量超過該限值時(shí)，試件疲勞強(qiáng)度會(huì)明顯下降。 針片狀顆粒含量對(duì)瀝青混凝土路面路用性能影響較大，而不同的碎石破碎技術(shù)得到的針片狀顆粒含量也不同， 在實(shí)際施工過程中，要根據(jù)石料需求的不同，來選擇更有針對(duì)性的破碎方式， 從而有效的降低針片狀顆粒含量，切實(shí)提升瀝青混合料的路用性能。