用于瀝青路面抗滑表層的石灰?guī)r碎石篩選技術

李菁若 ，譚巍 ，羅忠祥 ，馬瑾

（1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.云南龍瑞高速公路建設指揮部，云南 昆明 650200）

0 引言

集料作為瀝青路面抗滑表層混合料的主要材料，占混合料總質量的89%左右（AC級配）或者85%左右（SMA級配），其抗滑耐磨的技術性質直接影響了抗滑表層的功能作用[1-3]。相關研究[4]表明，集料特性對瀝青混合料抗滑耐磨性能存在影響，其中集料磨光值、磨耗值以及壓碎值對混合料抗滑耐磨性能的相關性以及權重較大，因此被稱之為抗滑表層集料選擇階段預測混合料抗滑性能的集料抗滑耐磨技術指標。徐宏[5]研究了江蘇省內石灰?guī)r集料的技術性質，并在磨耗值、壓碎值等技術指標合格的基礎上，根據(jù)集料磨光值的大小評判石灰?guī)r用于抗滑表層的可行性。研究表明，磨光值滿足要求的石灰?guī)r集料可用于干線公路瀝青抗滑表層，磨光值處于35～42的石灰?guī)r集料可用于中等或輕交通量等級公路的瀝青抗滑表層。吳大鴻[6]認為，硅質碳酸鹽巖具有較好的抗磨光性能，適宜用作高等級路面抗滑表層集料。張輝和張玉斌[7]在對安徽省瀝青路用粗集料技術標準研究中，主要將集料磨光值、磨耗值以及壓碎值作為抗滑表層粗集料選用的控制指標。

目前國內外尚無統(tǒng)一標準或技術手段表征集料的長期動態(tài)抗滑性能。本文采取自主研發(fā)的“集料/瀝青混合料摩擦特性測試儀”[8]，自動化測試集料的動態(tài)抗滑性能及其變化規(guī)律，通過測試不同地區(qū)、不同巖性的集料（包括玄武巖、花崗巖、輝綠巖、石灰?guī)r）及其互摻集料的壓碎值、磨耗值、磨光值、礦物組成、動態(tài)抗滑性能，給出抗滑表層用石灰?guī)r集料的篩選技術，為石灰?guī)r分布廣、儲量豐富地區(qū)的瀝青路面抗滑表層建設推薦出石灰?guī)r集料的甄選技術與應用技術。

1 石灰?guī)r碎石的力學性能

目前，在瀝青混合料集料選材階段，磨光值是評價其抗滑性能的主要指標，但抗滑性能實際上與集料的壓碎值、磨耗值、堅固性、沖擊值等指標也存在密切關系。而對瀝青路面抗滑性能影響權重較大的為集料磨光值、磨耗值與壓碎值[4，8]。不同巖性粗集料的磨光值、磨耗值與壓碎值如表1所示。

表1 不同巖性粗集料的抗滑耐磨性能

從表1可知，石灰?guī)r集料的抗滑耐磨性能弱于玄武巖、花崗巖與輝綠巖硬質集料。為了提高石灰?guī)r集料的利用率，研究其與硬質集料互摻后的抗滑耐磨性能。不同試驗條件下玄武巖與石灰?guī)r互摻粗集料的磨光值、磨耗值與壓碎值試驗結果如表2所示，現(xiàn)行規(guī)范JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》試驗狀態(tài)下，粗集料的抗滑耐磨性能實測值與計算值（按玄武巖與石灰?guī)r互摻比例計算）的差異如表3所示。

表2 玄武巖與石灰?guī)r互摻粗集料的抗滑耐磨性能

表3 粗集料的抗滑耐磨性能實測值與計算值的差異

從表2與表3可知，玄武巖與石灰?guī)r按比例互摻集料或者單一集料的抗壓碎性能與終壓荷載之間、耐磨耗性能與轉動次數(shù)之間均存在良好的線性相關性；互摻集料的壓碎值、磨耗值、磨光值均與其互摻比例之間存在良好的線性相關性，且偏于各自性能較弱的集料。在現(xiàn)行規(guī)范試驗狀態(tài)下，壓碎值的最大偏差為+1.6個百分點，磨耗值的最大偏差為+1.5個百分點，磨光值的最大偏差為-2.7，因此在已知石灰?guī)r、玄武巖單一集料的壓碎值、磨耗值與磨光值前提下，采用內插法能夠預測出不同比例下互摻集料的壓碎值、磨耗值與磨光值。石灰?guī)r中摻入少量的玄武巖，其抗滑耐磨性能有所提高，因此在玄武巖、花崗巖或者輝綠巖等硬質石料稀缺且單一石灰?guī)r技術不滿足要求時，可通過集料互摻技術提高集料抗滑耐磨性能，實現(xiàn)降低工程造價的目的。

2 石灰?guī)r碎石的礦物組成

采用X射線衍射定量檢測方法檢測石灰?guī)r粉末、玄武巖粉末的礦物組成。測試條件：Cu靶、Kα輻射，λ約為1.54×10-10m，電壓為 40 kV，電流為 40 mA；掃描角度 2θ為 3°～45°，掃描速率為2°/min，步長為0.02°；溫度為25.6℃、相對濕度為46%。測試結果如表4所示。

表4 不同巖石的礦物組成

從表4可知：

（1）石灰?guī)r中方解石與白云石含量總和占據(jù)優(yōu)勢，為74.2%～100%；除芒允石灰?guī)r主要含白云石外，其余均是方解石居多，白云石次之（含量61.7%～80.8%）；玄武巖中石英與斜長石含量之和為90.0%。

（2）石英、方解石、白云石的莫氏硬度分別為7、3、4，故方解石抵抗機械作用力的能力相對較弱。在石灰?guī)r中，戶勒石灰?guī)r的石英含量最大，其單軸抗壓強度也最高，說明石灰?guī)r中石英含量越大，巖石強度越高。同樣，白云石含量越大，其巖石強度也相應提高。

（3）TCCM是指黏土礦物含量，黏土礦物是一些含鋁、鎂等為主的含水硅酸鹽礦物，具有比表面積大、水化膨脹性、結構或晶格穩(wěn)定性差等特點。鍋蓋山石灰?guī)r的黏土礦物含量最大，為10.8%，且其石英、白云石含量也很少，故鍋蓋山石灰?guī)r巖石單軸抗壓強度低，且其集料具有較大的壓碎值、磨耗值、堅固性損失率、吸水率，較小的磨光值、密度。因此，石灰?guī)r中如含有大量的黏土物質，而石英、白云石含量較少者，其巖石單軸抗壓強度低，且集料一般具有較大的壓碎值、磨耗值、堅固性損失率、吸水率，較小的磨光值、密度。

綜上，確定了利用礦物組成篩選石灰?guī)r的原則：首先選擇白云石和石英含量較多的石灰?guī)r，其次選擇方解石含量相對較少的石灰?guī)r，再次選擇黏土礦物含量要少，甚至為0的石灰?guī)r。

3 石灰?guī)r碎石的動態(tài)抗滑性能

目前國內外尚無集料的長期動態(tài)抗滑性能表征測試儀器與評價方法，本文采用自主研發(fā)的“集料/瀝青混合料摩擦特性測試儀”[8]測試集料的長期動態(tài)抗滑性能。集料板試件（300 mm×150 mm×50 mm）如圖1所示，長期動態(tài)抗滑性能變化曲線如圖2所示。

圖1 抗滑集料板示意

圖2 各種巖性集料板的抗滑性能曲線

從圖2可知，各種巖性集料板在磨光磨耗5 h后，抗滑耐磨性能衰減均處于穩(wěn)定下降階段，均以勻速率線性下降的方式衰減。此時，集料的抗滑耐磨性能可以根據(jù)衰減速率△Dμ和Dμ試驗終進行定量評價。如果此時能夠提出一個Dμ集-臨，那么同等試驗條件下，動態(tài)摩擦系數(shù)Dμ試驗終＜Dμ集-臨時，則該集料不滿足抗滑性能的基本要求，不能用于瀝青路面抗滑表層。根據(jù)Dμ集-臨可以篩選出適用于高等級公路不同氣候分區(qū)瀝青路面抗滑表層的優(yōu)質集料。

集料的Dμ集-臨值可以通過將不同集料標準試驗條件下的Dμ試驗終與其磨光值進行相關性分析確定。表5給出了各種集料的Dμ試驗終（時間為5 h）及對應的磨光值，圖3給出了二者的線性回歸曲線。

表5 不同巖性集料的磨光值與衰減終值

圖3 不同巖性集料的磨光值與衰減終值線性回歸曲線

由表5可知，云南芒允石灰?guī)r、興磊石灰?guī)r、戶勒石灰?guī)r以及用于對比分析的玄武巖、花崗巖、輝綠巖等集料板的磨光值均大于42，抗滑性能滿足高等級抗滑表層用料要求。

根據(jù)圖3可知，當磨光值為42時，5 h衰減終值為0.46，當試驗5 h的Dμ試驗終＜0.46時，相當于集料的磨光值＜42。由此可以確定潮濕區(qū)的Dμ集-臨值為0.46。同理，其他氣候分區(qū)也可按該方法確定Dμ集-臨值。經計算，濕潤區(qū)、半干區(qū)、干旱區(qū)的 Dμ集-臨值分別為 0.42、0.37、0.32。

4 結 論

通過試驗研究提出了公路工程建設過程中甄選與推廣石灰?guī)r碎石的推薦方法與步驟：

（1）根據(jù)集料的礦物組成，按照以下3個標準初選石灰?guī)r：①石灰?guī)r中白云石、石英含量盡可能多；②方解石含量相對較少；③盡可能不含黏土礦物。

（2）根據(jù)集料磨光值、壓碎值、磨耗值及其集料互摻后的性能變化規(guī)律，優(yōu)選出抗滑耐磨性能優(yōu)異的集料或確定互摻集料種類及其相對比例。

（3）基于自研儀器“集料/瀝青混合料摩擦特性測試儀”測試不同巖性或互摻集料板的動態(tài)抗滑性能，分析長期動態(tài)抗滑性能衰減速率ΔDμ與衰減終值Dμ試驗終綜合指標，判斷Dμ試驗終與Dμ集-臨的關系，優(yōu)選出具有較好的長期動態(tài)抗滑性能的集料。

[1] 黃云涌，邵臘庚，劉朝暉.瀝青路面抗滑試驗研究[J].公路交通科技，2002，19（3）：5-8.

[2] 劉明文，丁作常，陳冠樺，等.瀝青路面表面層抗滑性能試驗研究[J].中外公路，2011，31（1）：62-65.

[3] 張偉光，楊軍.基于集料特性與級配的瀝青混合料抗滑性能預測方法[J].中外公路，2010，30（2）：230-235.

[4] 禤煒安.基于石灰?guī)r的瀝青混合料抗滑性能評價研究[D].重慶：重慶交通大學，2014.

[5] 徐宏.干線公路瀝青表面層采用石灰?guī)r集料的可行性[J].公路，2007（9）：164-167.

[6] 吳大鴻.硅質碳酸鹽巖在瀝青路面抗滑表層中的應用研究與展望[J].貴州科學，2007（5）：299-303.

[7] 張輝，張玉斌.安徽省瀝青面層粗集料技術標準研究[J].公路交通科技（技術應用版），2011（12）：177-180.

[8] 李菁若，張東長，譚巍.粗集料的抗滑耐磨性能評價新方法[J].公路交通科技，2016，33（12）：76-82.