花崗巖與石灰?guī)r瀝青混合料路用性能對(duì)比研究

譚繼宗

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

目前我國(guó)大部分的瀝青路面原材料選用石灰?guī)r集料，主要是由于石灰?guī)r性能穩(wěn)定，且分布廣泛，而花崗巖中SiO2含量超過(guò)65%，屬于酸性集料，與同樣呈酸性的瀝青粘結(jié)性不佳，從而限制了花崗巖的使用。除此之外，花崗巖混合料的級(jí)配類型對(duì)混合料的性能影響也不容忽視。高暢等人提出了幾種提高花崗巖瀝青混合料粘附性的方法，并比對(duì)了其混合料路用性能的差異，為花崗巖瀝青混合料的設(shè)計(jì)施工提供參考。鄭小龍等人分析了花崗巖瀝青混合料與石灰?guī)r瀝青混合料的差異，就花崗巖碎石混合料的適用性進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)[1-6]?，F(xiàn)有研究尚未充分分析不同集料自身指標(biāo)的差異性，以及集料與級(jí)配的差異造成的混合料路用性能的影響。對(duì)于盛產(chǎn)花崗巖集料的地區(qū)，石灰石使用成本較高，為充分利用當(dāng)?shù)厥馁Y源，減少材料的運(yùn)輸成本和工程造價(jià)，宜充分論證花崗巖與石灰?guī)r的差異，并探討作為瀝青路面集料的可行性。

1 原材料性能對(duì)比

原材料質(zhì)量控制是瀝青混合料質(zhì)量控制的源頭，原材料的技術(shù)性能對(duì)混合料的路用性能影響較大。因此，應(yīng)針對(duì)集料的關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行技術(shù)性能比較分析[7]。

1.1 壓碎值

石灰?guī)r和花崗巖的壓碎值試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由試驗(yàn)結(jié)果可知，花崗巖和石灰?guī)r的壓碎值均滿足規(guī)范要求，但是花崗巖的壓碎值大于石灰?guī)r，這主要是因?yàn)榛◢弾r母材較脆、集料針片狀含量偏高，壓實(shí)過(guò)程中容易發(fā)生折斷、壓碎等破壞，集料的壓碎、折斷等造成混合料級(jí)配發(fā)生變化，同時(shí)斷裂面沒(méi)有瀝青膠結(jié)料，導(dǎo)致混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、疲勞性能等均大幅下降。因此，從壓碎值的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，石灰?guī)r的技術(shù)性能優(yōu)于花崗巖。

1.2 相對(duì)密度

對(duì)石灰?guī)r和花崗巖的相對(duì)密度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，石灰?guī)r和花崗巖的表觀相對(duì)密度和毛體積相對(duì)密度均滿足規(guī)范要求，但是石灰?guī)r的密度明顯大于花崗巖，石灰?guī)r的吸水率也明顯小于花崗巖。通常密度大，強(qiáng)度越大；吸水率越高，則空隙率越大，集料吸收的瀝青越多，有效瀝青越少。因此，從相對(duì)密度的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，石灰?guī)r的技術(shù)性能優(yōu)于花崗巖。

1.3 粘附性

按照規(guī)范，進(jìn)行石灰?guī)r和花崗巖的瀝青粘附性試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果，石灰?guī)r和花崗巖的粘附性等級(jí)均滿足瀝青中下面層的規(guī)范要求，但是石灰?guī)r的粘附性要優(yōu)于花崗巖，這是由于花崗巖是一種酸性巖石，與瀝青的粘附效果沒(méi)有堿性巖石石灰?guī)r好，粘附性較差的集料易遭受外界水分的入侵而降低瀝青與集料之間的粘附，削弱了集料之間瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)作用，無(wú)法很好地穩(wěn)定集料，從而會(huì)造成瀝青路面耐久性變差，容易出現(xiàn)早期水損害、疲勞開(kāi)裂等病害。

1.4 針片狀含量

選取常見(jiàn)的石灰?guī)r和花崗巖碎石進(jìn)行針片狀試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4試驗(yàn)結(jié)果可知，花崗巖的針片狀含量高于石灰?guī)r，大約是其2倍左右。由于花崗巖母巖較脆，且一般石場(chǎng)破碎工藝簡(jiǎn)單，破碎后的集料形狀不理想，針片狀含量偏高。花崗巖針片狀含量高一方面在混合料施工碾壓過(guò)程中容易被壓碎，導(dǎo)致混合料級(jí)配發(fā)生混亂，同時(shí)斷裂面由于沒(méi)有瀝青裹覆而形成混合料的薄弱面，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，發(fā)生早期開(kāi)裂和水損害；另一方面針片狀含量高，集料的顆粒形狀差，使得混合料成型后空隙率偏大，粗集料形成的骨架穩(wěn)定性差，容易發(fā)生早期車(chē)轍破壞。因此，從針片狀含量試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，石灰?guī)r的技術(shù)性能優(yōu)于花崗巖，若使用花崗巖作為下面層集料，必須采取整形措施，減少其針片狀含量，如多次回籠、加整形機(jī)等。

2 瀝青混合料性能對(duì)比

2.1 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)礦料的篩分結(jié)果，對(duì)石灰?guī)r集料+石灰?guī)r細(xì)集料、花崗巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料等礦料組合，選擇合格的同種70#A級(jí)道路石油瀝青，結(jié)合工程實(shí)際及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選擇三組級(jí)配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，瀝青混合料AC-25的礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)表

2.2 馬歇爾試驗(yàn)

基于以上不同材料組合和礦料合成級(jí)配，采用馬歇爾試驗(yàn)方法，確定最佳油石比及其相應(yīng)的體積力學(xué)指標(biāo)，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，1#石灰?guī)r混合料在最佳油石比為3.8%時(shí)，馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求；2#花崗巖瀝青混合料的空隙率偏大，穩(wěn)定度偏小，這主要是由于該花崗巖針片狀含量過(guò)高、顆粒形狀差導(dǎo)致粗集料形成的礦料間隙率大，擊實(shí)后的混合料性能不佳；3#花崗巖瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范要求[8]。

2.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)，包括浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，本次試驗(yàn)選取馬歇爾試驗(yàn)中滿足技術(shù)要求的礦料級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，即全部采用石灰?guī)r集料的礦料級(jí)配(油石比3.8%)和采用石灰?guī)r細(xì)集料、花崗巖粗集料的礦料級(jí)配(油石比4.0%)，水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由試驗(yàn)結(jié)果可知，1#石灰?guī)r和3#花崗巖的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求，而2#花崗巖混合料級(jí)配不佳導(dǎo)致水穩(wěn)定性不足。

2.4 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，試驗(yàn)溫度為：(60±0.5)℃，試驗(yàn)輪接地壓強(qiáng)為：(0.7±0.05)MPa，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。石灰?guī)r和花崗巖的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范的技術(shù)要求，3#混合料剛剛滿足規(guī)范要求。說(shuō)明采用以上設(shè)計(jì)的石灰?guī)r和花崗巖集料的下面層瀝青混合料滿足高溫穩(wěn)定性的要求。其中石灰?guī)r的動(dòng)穩(wěn)定度較花崗巖略高。

3 摻加抗剝落劑的混合料性能驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，花崗巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性雖滿足規(guī)范要求，但較石灰?guī)r瀝青混合料偏低，且在實(shí)際工程中施工控制不嚴(yán)時(shí)，可能會(huì)進(jìn)一步降低花崗巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性。因此為充分保證花崗巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性滿足路用要求，另外在上述3#混合料級(jí)配中摻加抗剝落劑，進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表9和表10所示。

根據(jù)表9和表10的試驗(yàn)結(jié)果，摻加抗剝落劑后，瀝青與集料之間的裹覆更加緊密，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的水浸泡或者經(jīng)歷凍融循環(huán)后，其水穩(wěn)定性基本與石灰?guī)r持平。同時(shí)高溫抗車(chē)轍能力也有提高。因此抗剝落劑的摻入對(duì)提高花崗巖瀝青混合料路用性能具有顯著影響。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)花崗巖壓碎值偏大，相對(duì)密度偏小，粘附性稍差，針片狀含量偏多，整體地集料關(guān)鍵性指標(biāo)均劣于石灰?guī)r，但指標(biāo)值均符合規(guī)范要求，仍可以用于瀝青路面中。

(2)石灰?guī)r瀝青混合料性能比較容易滿足規(guī)范要求，花崗巖瀝青混合料通過(guò)合理的級(jí)配設(shè)計(jì)各項(xiàng)性能也能滿足規(guī)范要求，當(dāng)摻加一定量的抗剝落劑后，花崗巖瀝青混合料的路用性能接近或達(dá)到了傳統(tǒng)石灰?guī)r瀝青混合料性能。

(3)與石灰?guī)r相比，花崗巖雖然在先天上存在一些缺陷，但經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)與外加劑的輔助，其構(gòu)成的瀝青混合料性能完全滿足規(guī)范和施工要求，在一些花崗巖富余的地方，完全可以嘗試?yán)没◢弾r修筑瀝青面層，在滿足路用性能的前提下合理利用資源并降低工程造價(jià)。