破碎型頁巖陶粒瀝青混合料最佳摻量及路用性能研究

范 倩 解曉光

(哈爾濱工業大學交通科學與工程學院1) 哈爾濱 150006) (廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420) (廣東交科檢測有限公司3) 廣州 510550)

0 引 言

頁巖陶粒是以黏土質頁巖、板巖等為主要原料[1]，經過高溫燒脹處理后破碎而成的輕質材料，具有密度小、內部多孔、保溫隔熱性能好、耐磨損，以及無毒等特點[2-4]，可替代砂石集料，應用于路面工程.

劉啟華等[5]研究了采用5～20 mm粒徑頁巖陶粒等質量代替石料制備的陶粒瀝青混合料的性能，試驗結果表明：其高溫性能、水穩性能均滿足規范要求，混合料質量可降低20%.鄭彬等[6]研究了陶粒摻量為15%(質量比例)的環氧瀝青混合料的高溫性能、水穩性能、抗滑性能，制備了符合鋼橋面鋪裝要求的碎石型陶粒環氧瀝青混合料，混合料質量可降低10%.錢振東等[7]研究了采用不同質量替代率(0%～70%)的陶粒替代玄武巖石料對環氧瀝青混合料的使用性能的影響，經劈裂強度、高溫性能、水穩性能等試驗，推薦采用70%替代率的陶粒，混合料質量可降低30%.李博[8]以抗壓強度損失率為評價指標對比研究了高強頁巖陶粒瀝青混凝土在凍融循環作用下的性能變化情況，結果表明陶粒混凝土在硫酸鈉、氯化鈉溶液中耐久性更好，適宜在海洋工程、腐蝕環境下使用.鄭彬[9]研究了碎石型陶粒摻量(0%～20%)對排水型瀝青混合料性能的影響，經高溫性能、水穩性能、抗滑性能，以及排水性能等試驗，推薦最佳摻量為15%.吳正光等[10]研究了不同陶粒摻量(0%～40%)對透水瀝青混合料路用性能的影響，結果表明混合料馬歇爾穩定度、高溫性能，以及水穩性能均降低但尚滿足要求.鄒玲等[11]研究了不同陶粒體積替代率(0%～70%)的熱阻薄層罩面對瀝青混合料不同層位溫度的影響.結果表明：陶粒瀝青混合料熱阻薄層可有效降低路面結構內部溫度，但也可能引起路表溫度升高，推薦陶粒摻量為40%.車天凱[12]研究了不同摻量(0%～100%)的陶粒等體積替代細集料(0.6～4.75 mm)制備的瀝青混合料性能變化，綜合考慮混合料強度、高溫性能、低溫性能、水穩性能，以及阻熱性能，推薦陶粒細集料最佳替代率為60%.

陶粒瀝青混合料的研究主要集中減輕瀝青混合料自重、抵抗凍融循環能力、排水，以及阻熱等方面.一方面缺少對陶粒瀝青混合料抗滑性能的研究，另一方面陶粒瀝青混合料路用性能的提升幅度沒有明確的結論.鑒于此，本文采用體積質量轉換法進行不同陶粒摻量的瀝青混合料路用性能和抗滑性能研究，推薦破碎型頁巖陶粒的最佳摻量.

1 試驗部分

1.1 原材料與級配

1) 傳統集料選取哈爾濱某石場的安山巖石料，陶粒選取河南某公司生產的5～15 mm粒徑破碎型頁巖陶粒，其性能指標見表1.瀝青選取SBS改性瀝青，其性能指標見表2.礦粉選取石灰石磨細礦粉，纖維選取木質素纖維，其各項物理化學指標符合相關技術規范要求.

破碎型頁巖陶粒表觀相對密度較小、堅固性較好、磨光值較大，但其吸水率、壓碎值、磨耗值均較大，將其應用于路面工程可能會減輕路面自重、提高抵抗凍融破壞的能力、增大抗滑能力，但也可能導致水損害、抗壓能力及抗磨損能力下降.因此，破碎型頁巖陶粒在混合料中的摻入比例不宜太大，摻入比例需進一步的試驗確定.

2) 瀝青混合料級配類型采用SMA13，級配見表3.

表1 安山巖與陶粒技術指標

表2 瀝青主要技術指標

表3 SMA13混合料級配要求范圍及合成級配

1.2 試驗設計

1) 陶粒瀝青混合料的制備 由于陶粒的密度顯著低于安山巖，采用等質量替代粗集料的方式摻加陶粒會導致摻配后的級配嚴重偏離設計級配，因此本文采用陶粒等體積替代同等粒徑安山巖粗集料的方式進行混合料摻配，陶粒摻配比例分別為0%，20%，40%，60%.其中，摻加陶粒的SMA瀝青混合料最大理論密度采用計算法獲取.

2) 陶粒瀝青混合料路用性能試驗 高溫性能測試 采用60 ℃車轍試驗，進行不同陶粒摻量瀝青混合料的車轍深度及動穩定度測試，綜合分析陶粒瀝青混合料的高溫穩定性能.

水穩定性測試 采用凍融劈裂試驗，進行不同陶粒摻量瀝青混合料的凍融前后的劈裂抗拉強度及劈裂抗拉強度比，綜合分析陶粒瀝青混合料的水穩定性能.

低溫性能測試 采用小梁彎曲試驗，進行不同陶粒摻量瀝青混合料的極限抗彎拉強度、極限抗彎拉應變、極限彎拉勁度模量對比，綜合分析陶粒瀝青混合料的低溫抗裂性能.

3) 陶粒瀝青混合料抗滑性能試驗 瀝青路面通車初期，覆蓋在路表的瀝青膜與輪胎接觸，隨后瀝青膜被迅速磨光、集料裸露后與輪胎接觸并長期提供抗滑性能.因此，本文先采用自主研發的輪式加速磨光試驗機對成型的陶粒瀝青混合料試件表面進行磨光處理后再測試擺式摩擦系數和構造深度，綜合分析陶粒瀝青混合料的抗滑性能.

2 試驗結果與分析

2.1 陶粒瀝青混合料高溫性能

本文通過高溫車轍試驗進行陶粒瀝青混合料高溫穩定性的評價.不同陶粒摻量的瀝青混合料高溫性能測試結果見圖1.

圖1 不同陶粒摻量的瀝青混合料高溫性能試驗結果

由圖1可知：

1) 四種不同陶粒摻量的瀝青混合料的動穩定度均滿足規范規定DS≥3 000次/min的要求.

2) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的動穩定度呈增大趨勢.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的動穩定度分別提高了3.5%，9.1%，15.9%.

3) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料45 min車轍深度、60 min車轍深度呈減小趨勢.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的45 min車轍深度分別降低了18.5%，20.0%，22.3%，60 min車轍深度分別降低了17.0%，19.3%，21.5%.

4) 試驗結果表明，隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料高溫性能得到有效提高.主要是由于破碎型頁巖陶粒具有豐富的表面紋理構造，集料間的嵌擠作用更強、混合料的高溫性能更高.因此，從高溫穩定性能方面考慮，不同陶粒摻量的瀝青混合料高溫性能優劣排序為60%>40%>20%>0%.

2.2 陶粒瀝青混合料水穩定性能

本文通過凍融劈裂試驗進行陶粒瀝青混合料水穩定性的評價.不同陶粒摻量的瀝青混合料水穩定性測試結果見圖2.

圖2 不同陶粒摻量的瀝青混合料水穩定性能試驗結果

由圖2可知：

1) 四種不同陶粒摻量的瀝青混合料的劈裂抗拉強度比均滿足規范TSR≥80%的要求.

2) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的劈裂抗拉強度比呈現先上升后下降的趨勢，在陶粒摻量為20%時達到最大值94.0%.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的劈裂抗拉強度比變化率分別為7.8%，3.2%，0%.

3) 隨著陶粒摻量的增加，經凍融瀝青混合料和未經凍融瀝青混合料的劈裂抗拉強度均出現上下波動，但變化幅度不大.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的未經凍融循環的瀝青混合料劈裂抗拉強度變化率分別為-2.3%，-4.7%，0%；經凍融瀝青混合料的劈裂抗拉強度變化率分別為5.3%，-1.3%，0%.

4) 試驗結果表明，陶粒的部分摻加可以提高瀝青混合料的水穩定性，且陶粒摻量為20%時的劈裂抗拉強度比與經凍融瀝青混合料的劈裂抗拉強度均達到最優.這主要是由于陶粒堅固性較好、但吸水率較大，摻加少量陶粒瀝青混合料的水穩定性能比不摻或摻量較大的瀝青混合料更好.因此，從水穩定性能方面考慮，推薦陶粒摻量為20%.

2.3 陶粒瀝青混合料低溫性能

本文通過小梁彎曲試驗進行陶粒瀝青混合料低溫性能的評價.不同陶粒摻量的瀝青混合料低溫性能測試結果見圖3.

圖3 不同陶粒摻量的瀝青混合料低溫性能試驗結果

由圖3可知：

1) 四種不同陶粒摻量的瀝青混合料的極限彎拉應變均滿足規范SB≥3 000×10-6的要求.

2) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的極限彎拉應變呈現先下降后上升的趨勢，在陶粒摻量為40%時達到最小值3 186.8×10-6.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的極限彎拉應變變化率分別為-4.2%，-8.9%，2.7%.

3) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的極限彎拉強度和極限彎拉勁度模量均呈現先上升后下降的趨勢，在陶粒摻量為20%時達到最大值.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的極限彎拉強度變化率分別為2.8%，-13.1%，-14.0%；極限彎拉勁度模量變化率分別為7.6%，-5.9%，-14.6%.

4) 試驗結果表明:若單純極限彎拉應變指標，推薦的陶粒摻量排序為60%>0%>20%>40%；若從極限彎拉強度和極限彎拉勁度模量指標考慮，推薦的陶粒摻量排序為20%>0%>40%>60%；綜合分析三個指標，推薦的陶粒摻量為0%或20%.

2.4 陶粒瀝青混合料抗滑性能

室內成型瀝青混合料車轍試件，使用自主研發的輪式加速磨光試驗機對試件表面進行磨光，采用擺式摩擦系數測試儀和鋪砂法測試瀝青膜被磨光后(壓力0.7 MPa、磨光2 000次)的試件表面擺式摩擦系數和構造深度.不同陶粒摻量的瀝青混合料擺式摩擦系數、構造深度測試結果見圖4.

圖4 不同陶粒摻量的瀝青混合料低溫抗滑性能試驗結果

由圖4可知：

1) 四種不同陶粒摻量的瀝青混合料的擺式摩擦系數均滿足規范竣工驗收時BPN≥45,MTD≥0.55 mm的要求.

2) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的擺式摩擦系數呈增大趨勢.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的擺式摩擦系數分別增大了5.6%，7.4%，9.3%.

3) 隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料的構造深度呈下降趨勢.相比普通瀝青混合料，陶粒摻量為20%，40%，60%的瀝青混合料的構造深度分別減小了4.8%，6.3%，11.1%.

4) 試驗結果表明，陶粒的摻入可以提高瀝青混合料的擺式摩擦系數，但會降低其構造深度.這主要是由于陶粒表面的多孔構造可以提高混合料的擺式摩擦系數；但由于陶粒磨耗值較大、瀝青混合料表面易被磨平，導致陶粒瀝青混合料構造深度降低.綜合擺式摩擦系數和構造深度指標，推薦的陶粒摻量為20%或40%.綜上考慮路用性能指標，推薦最佳陶粒摻量為20%.

基于上述研究成果，對陶粒摻量為20%的SMA瀝青混合料進行謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡浸水飛散試驗，測試結果滿足施工技術規范規定的析漏損失≤0.1%、浸水飛散損失≤15%的要求[13-15].

3 結 論

1) 采用破碎型頁巖陶粒等體積替代傳統粗集料制備不同陶粒摻量的瀝青混合料.隨著陶粒摻量的增加，瀝青混合料高溫性能、擺式摩擦系數逐漸提高，但構造深度逐漸降低；陶粒的少量摻加可以改善瀝青混合料的水穩定性、低溫性能，但陶粒的大量摻加會導致水穩定性和低溫性能降低.

2) 綜合高溫性能、水穩定性能、低溫性能及抗滑性能，推薦的最佳陶粒摻量為20%.

3) 相比傳統瀝青混合料，陶粒摻量為20%的瀝青混合料的劈裂抗拉強度比提高了7.8%、擺式摩擦系數提高了5.6%，高溫動穩定度、低溫彎拉應變、構造深度指標變化幅度較小，均在5%以內.