白云巖瀝青混合料性能及其改善方法研究

摘要：文章對比了白云巖與石灰?guī)r的基本性能及微觀形貌，分析了拌和時間、瀝青、礦粉、細(xì)集料等因素對白云巖瀝青混合料力學(xué)性能和水穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：白云巖相對于石灰?guī)r，其抗壓碎能力、抵抗撞擊、摩擦的能力更強(qiáng)，硬度更高，含有的針片狀顆粒更少，但與瀝青的粘附能力更差，微觀表面紋理不夠粗糙；延長拌和時間和替換礦粉能改善瀝青混合料的力學(xué)性能，但對水穩(wěn)定性的改善作用不明顯；替換瀝青能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但力學(xué)性能輕微下降；將石灰?guī)r細(xì)集料替換白云巖細(xì)集料能明顯改善白云巖瀝青混合料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定度，并滿足高速公路的技術(shù)要求，為最佳改善方案。

關(guān)鍵詞：白云巖瀝青混合料；巖性分析；微觀形貌；水穩(wěn)定性

U414.1A220703

0 引言

高速公路的建設(shè)需要大量的石灰?guī)r、輝綠巖等優(yōu)質(zhì)砂石材料（瀝青混合料中的集料占混合料總質(zhì)量的95%左右）。我國的石料儲量和種類雖然非常豐富，但在各地區(qū)的分布卻不均勻。如廣西境內(nèi)部分新建高速公路沿線石灰?guī)r匱乏，需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，而周邊豐富的白云巖卻很少被建設(shè)單位考慮。這是因?yàn)榘自茙r表面紋理不夠粗糙，含有石英等雜質(zhì)，與瀝青的粘附能力不足，導(dǎo)致白云巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性不足［1］。若能將白云巖瀝青混合料性能改善，將白云巖替代石灰?guī)r應(yīng)用在瀝青路面上，能節(jié)省大量的瀝青路面材料成本和運(yùn)輸成本。

目前，基于白云巖瀝青混合料的研究較少，研究人員一般在分析和測試巖石的物化組成和性能的基礎(chǔ)上，通過水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性以及疲勞性能等試驗(yàn)論證其在瀝青路面中應(yīng)用的可行性。Haritonovs V等［2］使用拉脫維亞境內(nèi)所產(chǎn)鋼渣集料與白云巖集料通過不同摻比制備瀝青混合料進(jìn)行路用性能研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的瀝青混合料相比，鋼渣-白云巖瀝青混合料抗疲勞性和高溫穩(wěn)定性更優(yōu)，并且抗水損害性能滿足規(guī)范要求。Gu F等［3］通過將不同摻量的白云巖集料摻入石灰?guī)r等瀝青混合料中研究其抗滑衰變性能特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻入白云巖的瀝青混合料早期抗滑衰變速率更快，當(dāng)白云巖摻量＞50%之后其抗滑性能難以滿足規(guī)范要求，同時驗(yàn)證了美國西弗吉尼亞州公路管理局規(guī)定（如果預(yù)估交通量大于300萬等效單軸荷載（ESALs），白云石不得超過瀝青面層混合料中粗集料的50%。）ernas O等［4］對高質(zhì)量白云巖瀝青磨耗層進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明：通過合理的設(shè)計(jì)，瀝青與白云巖集料具有良好的粘結(jié)性能，而且對設(shè)計(jì)的瀝青混合料進(jìn)行了以性能為基礎(chǔ)的試驗(yàn)表明，高質(zhì)量白云巖骨料構(gòu)成的瀝青混合料有良好的試驗(yàn)結(jié)果。萬路等［5］采用XRD和XRF研究了湖北和廣西等地4種不同含白云石的石灰?guī)r的主要礦物組成和化學(xué)組成，通過采用車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)測試4種不同石灰?guī)r瀝青混合料（AC-20、AH-70#瀝青）的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能，結(jié)果表明，石灰?guī)r中過多的白云石含量會使石料與瀝青粘附性降低，同時也使其混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性變差。高宏新［6］對撫順地區(qū)白云巖粗集料的性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明，白云巖的粘附性和洛杉磯磨耗損失不及石灰?guī)r，其他性能指標(biāo)相當(dāng)。為改善瀝青與集料之間的粘附性，在混合料中添加2%的石灰或水泥，研究表明，當(dāng)采用普通瀝青時，建議在瀝青混合料中添加石灰或水泥，以提高混合料抗水損害的能力。

綜上，針對白云巖瀝青混合料的研究局限于室內(nèi)試驗(yàn)探索，白云巖作為瀝青路面集料的報(bào)道較少。白云巖在瀝青混合料中應(yīng)用主要存在與瀝青的粘附性稍差，水穩(wěn)定性不足的問題。為了改善白云巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性，本文進(jìn)行白云巖與石灰?guī)r的性能對比，通過對白云巖瀝青混合料中的瀝青、礦粉、細(xì)集料等組成進(jìn)行單一變量調(diào)整，分析各組成對混合料力學(xué)性能和水穩(wěn)定性的影響，并提出最佳改善方法。

1 原材料

1.1 瀝青

采用的基質(zhì)瀝青為兩種品牌的70#石油瀝青（記為瀝青一和瀝青二），其基本性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 集料

采用的粗集料和細(xì)集料均為廣西某新建高速公路附近生產(chǎn)的白云巖和石灰?guī)r，粗集料基本性能指標(biāo)見表2，細(xì)集料基本性能見表3。

從表2和表3中可以看出，白云巖的壓碎值、洛杉磯磨耗值、針片狀含量均小于石灰?guī)r，說明白云巖相對于石灰?guī)r，其抗壓碎能力、抵抗撞擊、摩擦的能力更強(qiáng)，含有的針片狀顆粒相對較少。白云巖的表觀相對密度大于石灰?guī)r的表觀相對密度，說明白云巖更密實(shí)，硬度更高。但白云巖的粘附等級較小，說明白云巖與瀝青的粘附能力比石灰?guī)r與瀝青的粘附能力差。

白云巖與石灰?guī)r細(xì)集料宏觀形貌如圖1所示。為了更直觀地分析兩種巖石的表面，采用掃描電子顯微鏡以2 000×的倍數(shù)觀測白云巖和石灰?guī)r的微觀形貌，其微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2中可以看出，白云巖表面紋理不夠粗糙，而石灰?guī)r表面紋明顯更加粗糙，具有更大的比表面積，因此與瀝青的接觸面積更大。這可能是石灰?guī)r與瀝青粘附能力優(yōu)于白云巖與瀝青粘附能力的原因之一。

1.3 填料

填料采用兩種不同的礦粉（記為礦粉一和礦粉二）和C32.5水泥，基本性能指標(biāo)如表4和表5所示。

2 配合比設(shè)計(jì)及性能改善方案

2.1 配合比設(shè)計(jì)

級配類型選擇AC-25，對白云巖的合成級配如表6和圖3所示。

2.2 混合料性能

參照組的白云巖瀝青混合料采用的材料為瀝青一、礦粉一和白云巖粗細(xì)集料。采用的最佳油石比為3.8%。采用擊實(shí)法成型馬歇爾試件。拌和時間為常規(guī)的3 min，即在熱集料中加入瀝青后拌和90 s和加入礦粉后再拌和90 s。將成型好的試模在室溫下橫向放置12 h后脫膜，然后進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下頁表7所示。

從表7中可以看出，白云巖瀝青混合料在最佳油石比為3.8%時，空隙率、飽和度和礦料間隙率滿足高速公路的技術(shù)要求。白云巖瀝青混合料的穩(wěn)定度僅為6.86 kN，能達(dá)到二級公路及以下公路的技術(shù)要求（≥5 kN），但達(dá)不到高速公路的要求（≥8 kN）。此外，在浸水48 h后的馬歇爾試件均松散，白云巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性不足。因此，為了能將白云巖瀝青混合料應(yīng)用在高速公路上，需要對其力學(xué)性能和水穩(wěn)定性進(jìn)行改善。

2.3 改善方案

為了改善白云巖瀝青混合料力學(xué)性能和水穩(wěn)定性，用控制變量法對瀝青混合料的瀝青、礦粉、集料等組成進(jìn)行單一變量替換，具體如表8所示。

3 白云巖瀝青混合料性能改善效果分析

經(jīng)過5種改善方法后，白云巖瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表9所示。

從表9可以看出，經(jīng)過調(diào)整改善后的白云巖瀝青混合料的穩(wěn)定度從6.86 kN提高到7.15（延長90 s拌和時間）、7.17 kN（礦粉二全部替換礦粉一）。延長拌和時間和替換另一種礦粉后，瀝青混合料的穩(wěn)定度提高不明顯。摻加水泥后和替換細(xì)集料后的瀝青混合料穩(wěn)定度達(dá)到8.31 kN（1%水泥替換1%礦粉一）、8.49（石灰?guī)r細(xì)集料替換白云巖細(xì)集料），穩(wěn)定度得到明顯提高，并滿足高速公路的技術(shù)要求。這是因?yàn)樗嘀写嬖谳^多堿性物質(zhì)，與瀝青的酸性物質(zhì)反應(yīng)，使瀝青與集料粘結(jié)得更好，從而顯著提高了瀝青混合料的穩(wěn)定度。石灰?guī)r細(xì)集料表面擁有更粗糙的紋理，與瀝青的可粘結(jié)面積更大，能吸收更多的瀝青，從而提高了瀝青與集料的粘結(jié)力，使瀝青混合料的穩(wěn)定度明顯提高。

5種方案的馬歇爾試件在60 ℃水溫下浸泡48 h后，除了方案1和方案4，其他方案成型馬歇爾試件均已松散。說明替換瀝青和替換細(xì)集料對白云巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的改善作用。雖然替換瀝青后，馬歇爾試件沒有發(fā)生松散現(xiàn)象，但殘留穩(wěn)定度僅為67.46%，達(dá)不到高速公路所需的技術(shù)要求（＞80%）。替換成石灰?guī)r細(xì)集料后，殘留穩(wěn)定度達(dá)到92.22%，能滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

綜上，延長拌和時間和替換礦粉能改善瀝青混合料的力學(xué)性能，但對水穩(wěn)定性的改善作用不明顯。替換瀝青能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但力學(xué)性能輕微下降。將石灰?guī)r細(xì)集料替換白云巖細(xì)集料能明顯改善白云巖瀝青混合料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定度，并滿足高速公路的技術(shù)要求，該方案改善效果最佳。

4 結(jié)語

本文將白云巖與石灰?guī)r宏微觀性能進(jìn)行對比，然后通過控制變量法分析了拌和時間、瀝青、礦粉、細(xì)集料等因素對白云巖瀝青混合料力學(xué)性能和水穩(wěn)定性的影響，并提出最佳改善方案。主要得出結(jié)論如下。

（1）白云巖相對于石灰?guī)r，其抗壓碎能力、抵抗撞擊、摩擦的能力更強(qiáng)，硬度更高，含有的針片狀顆粒相對較少，但與瀝青的粘附能力更差，微觀表面紋理不夠粗糙。

（2）白云巖瀝青混合料的穩(wěn)定度能達(dá)到二級公路及以下公路的技術(shù)要求，但達(dá)不到高速公路的技術(shù)要求。若將白云巖瀝青混合料應(yīng)用在高速公路上，需要對其力學(xué)性能和水穩(wěn)定性進(jìn)行改善。

（3）延長拌和時間和替換礦粉能改善瀝青混合料的力學(xué)性能，但對水穩(wěn)定性的改善作用不明顯。替換瀝青能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但力學(xué)性能輕微下降。將石灰?guī)r細(xì)集料替換白云巖細(xì)集料能明顯改善白云巖瀝青混合料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定度，并滿足高速公路的技術(shù)要求，該方案改善效果最佳。

參考文獻(xiàn)：

［1］鄧平安.白云巖在廣東省瀝青路面中的應(yīng)用研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2022.

［2］Haritonovs V，Brencis G，Zaumanis M，et al.Use of Unconventional Aggregates in Hot Mix Asphalt Concrete［J］.Construction Science，2013，14（1）：44-49.

［3］Gu F，Presti D L，Heitzman M，et al.Feasibility of using more polishable aggregates in dense-graded asphalt surface mixture：Case study of dolomite［J］.Construction and Building Materials，2022，342（8）：1-12.

［4］ernas O，Vorobjovas V，neideraitien L，et al.Evaluation of Asphalt Mix with Dolomite Aggregates for Wearing Layer［J］.Transportation Research Procedia，2016（14）：732-737.

［5］萬 路，吉永海，李謀玉，等.石灰?guī)r中白云石對瀝青混合料性能影響研究［J］.交通科技，2020（5）：136-138.

［6］高宏新.白云巖作為粗集料用于瀝青混合料的研究［J］.北方交通，2012，11（11）：62-64.