石灰巖粗集料瀝青路面抗滑耐磨性能研究

段文超

（山西路橋集團試驗檢測中心有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

礦石材料作為瀝青路面中的關鍵骨架結構，承受路面行車荷載的直接作用，穩定的材料特性能夠減緩混合料服役過程中的收縮和開裂病害。此外，將礦石材料以不同的級配組合進行路面結構的設計，可適應特殊地區道路施工及復雜服役環境，滿足不同瀝青路面功能需求。礦石材料的類型、來源、破碎工藝、骨架形貌、強度等均直接影響到道路的使用性能[1-3]。現有的技術規范對礦料的壓碎值、磨耗值、吸水率、針片狀等有明確的設計等級要求，國內的礦石材料來源較廣，材料特性也存在很大迥異，其中石灰巖的產量和使用數量較多[4]。對石灰巖的常規物理指標進行檢測和限定，可在一定程度上增強路面材料的路用性能，但關于路面表層的抗滑、耐磨性能有待進一步研究[5]。邱志雄[6]對石灰巖的宏觀輪廓進行分析，并對AC-13瀝青混合料的抗滑性能進行試驗探究，揭示了集料輪廓和路面抗滑性能的內在關聯；張淑文[7]研究了集料與瀝青混合料的接觸面積、接觸角的關系，并提出了SMA-13抗滑耐磨瀝青混合料；田強春[8]以集料特性為基礎，對混合料的抗滑特性進行研究，并總結了抗滑特性的衰減規律；張小瑞[9]分別對不同類型的集料進行壓碎值、磨耗值檢測，并探究了不同集料瀝青混合料的磨耗特性。相關研究表明[10-11]，相較于玄武巖礦石材料，石灰巖的壓碎值、磨耗值均較低，但隨著國內大批高速公路的改擴建和養護，礦石材料尤其是石灰巖的需求量仍巨大，研究其在高等級道路中面層抗滑耐磨性能，有利于綜合提升高品質道路的服役壽命。

1 石灰巖粗集料性能研究

本研究重點考察不同石灰巖材料的物理特性與混合料的抗滑磨耗特性的關聯，分別從湖北、河南、安徽三地選取了不同石灰巖材料，為進行綜合考量對比，還選用了湖北產的玄武巖作為參照對比組，根據材料來源分別對其進行編號，如表1所示。

表1 不同礦石材料分組編號

對4種不同礦石材料在4.75 mm及13.2 mm粒徑下的相對密度和吸水率進行測試，如表2所示。

表2 4種礦石材料的相對密度及吸水率

圖1 4.75 mm粒徑集料密度及吸水率

圖2 13.2 mm粒徑集料密度及吸水率

由以上圖表可知，玄武巖集料的相對密度和吸水率要大于石灰巖，其主要原因是玄武巖是由巖漿噴發堆積形成，冷凝過程中吸收了空氣，形成多孔介質材料，但其質地卻較為堅硬。湖北、河南、安徽三地產的石灰巖密度和吸水率整體較為接近，均滿足瀝青混合料施工技術規范要求。

1.1 壓碎值

礦石材料的壓碎值是表征材料在抵抗外部荷載過程中開裂粉碎的重要力學指標，研究參照公路工程集料試驗規程對4種不同類型的集料進行壓碎值的測試，通過調整壓力值來獲取不同加載條件下集料的壓碎值特性，研究材料的壓碎值隨壓力變化的衰減規律，測試結果如表3所示。

表3 不同加載壓力下集料的壓碎值 %

由圖3、表3所示，相較于玄武巖集料，3種石灰巖集料的壓碎值偏高，且隨著加載壓力的增大，集料的壓碎值不斷提高。當施加壓力為400 kN時，3種石灰巖和湖北玄武巖的壓碎值分別為18.7%、23.8%、20.4%和9.9%，說明石灰巖的壓碎特性遠不如玄武巖且石灰巖壓碎值的增長速率大于玄武巖，其主要原因是石灰巖的主要成分為碳酸鹽巖，材料中的CaCO3受氧化和雨水侵蝕，強度等級直接受到損傷影響。

圖3 不同集料壓力-壓碎值變化曲線

1.2 沖擊值

車輛啟動和剎車制動環節會對路面產生一定沖擊性作用。為探討不同加載壓力對集料沖擊值的影響情況，以小于2.36 mm以下集料質量與原始質量的比值作為沖擊值進行分析，試驗結果如表4所示。

表4 不同加載壓力下集料的沖擊值 %

由圖4、表4所示，隨著沖擊次數的增加，集料的沖擊值也不斷增大。當沖擊次數達到40次時，湖北石灰巖、河南石灰巖、安徽石灰巖及湖北玄武巖的沖擊值分別為30.5%、36.1%、32.8%及16.4%，表明石灰巖的沖擊值相比玄武巖差。

圖4 不同集料沖擊次數-沖擊值變化曲線

1.3 磨耗值

洛杉磯磨耗值是表征材料磨耗特性的關鍵指標，而集料的磨耗值在一定程度與混合料的耐久性、耐磨性有關。對4種不同類型集料的磨耗值試驗進行研究，結果如表5所示。

表5 不同轉動次數下集料的磨耗值 %

圖5 不同集料轉動次數-磨耗值變化曲線

從集料的磨耗值隨轉動次數的變化曲線可知，無論是石灰巖還是玄武巖，集料的磨耗值增長速率較為接近。其中，石灰巖的磨耗值要大于玄武巖，其主要原因是石灰巖的表面質地較為疏松，強度較低。在多次旋轉磨耗下，表層的集料先受到破壞損傷，再逐漸引發內部結構失穩，直至完全開裂、粉碎。

2 瀝青混合料配合比設計

對上述4種不同類型的集料進行壓碎值、沖擊值及磨耗值研究，表明石灰巖受材料自身結構影響，質地及強度遠不及玄武巖。但石灰巖在瀝青混合料中的抗滑和耐磨特性仍需進一步研究。本文對4種不同類型的粗集料分別成型了AC-13和SMA-13兩種不同級配的瀝青混合料，并進行具體的性能分析。

AC-13和SMA-13瀝青混合料中的粗集料分別選用湖北石灰巖、河南石灰巖、安徽石灰巖及湖北玄武巖，細集料選用玄武巖，而瀝青選用SBS改性瀝青，填料選用石灰巖，兩種不同混合料的目標級配曲線如圖6、圖7所示。

圖6 AC-13級配曲線

圖7 SMA-13級配曲線

4種不同粗集料在兩種級配下瀝青混合料的最佳油石比、穩定度及流值結果如表6所示。

表6 不同級配混合料的油石比、穩定度及流值

兩種級配的瀝青混合料相比，AC-13級配的油石比在5%左右，SMA-13級配的油石比在6.6%～6.7%左右。其穩定度和流值均符合設計規范要求，SMA-13級配的穩定度要高于AC-13級配，二者的穩定度值相接近。

3 瀝青混合料抗滑性能試驗研究

瀝青混合料的抗滑耐磨性能直接影響路面的服役性能，研究常采用摩擦系數和構造深度試驗來表征混合料的抗滑性能。研究分別對4種不同集料兩種級配組合方案下瀝青混合料的摩擦系數和構造深度進行測試，試驗結果如圖8～圖11所示。

圖8 AC-13級配混合料摩擦系數

圖9 SMA-13級配混合料摩擦系數

圖10 AC-13級配混合料構造深度

圖11 SMA-13級配混合料構造深度

由上述兩種不同級配瀝青混合料的摩擦系數和構造深度可知，石灰巖瀝青混合料的摩擦系數低于玄武巖瀝青混合料，而構造系數較為接近。此外，相較于AC-13級配瀝青混合料，SMA-13級配瀝青混合料的摩擦系數和構造深度數值較大。對于3種不同的石灰巖瀝青混合料而言，隨著磨耗次數的增加，摩擦系數和構造深度的下降速率也較為接近。說明盡管石灰巖的產地不同，但其基本性能較為接近，進而在瀝青混合料中骨架支撐效果也較為接近。SMA-13級配抗滑耐磨性能優于AC-13級配，其主要原因是，AC-13級配為連續密實型級配，粗集料的含量要少于SMA-13大骨架結構粗集料含量。因此，將石灰巖用于SMA-13級配中，既達到了瀝青混合料抗滑耐磨的應用效果，又實現了礦石材料的綜合利用。

4 結語

本文對石灰巖和玄武巖分別進行礦石材料的性能檢測，主要考察了壓碎值、沖擊值、磨耗值等技術指標，玄武巖粗集料的性能要明顯優于石灰巖。將4類不同產地的粗集料按兩種不同級配（AC-13、SMA-13）進行瀝青混合料的成型，分別測試混合料在不同磨耗次數下的摩擦系數和構造深度，研究表明玄武巖的摩擦系數要優于石灰巖，但構造系數較為接近，且SMA-13級配瀝青混合料的抗滑耐磨性能要優于AC-13級配。