石灰巖集料在SMA-13瀝青混合料中的應用

陳家焓

(廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

作為一種路用性能良好的瀝青混合料，近年來瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)在我國高等級公路中的應用日益普遍。玄武巖具備優良的綜合性能，因此目前我國SMA粗集料主要采用玄武巖。但我國大片區域缺乏玄武巖集料，應用石灰巖等其他類型的集料，可有效降低運費成本，提高經濟效益[1-2]。研究表明[3-4]，若完全使用石灰巖代替玄武巖集料，所制備的SMA-13瀝青混合料基本能滿足相關規范要求，但由于石灰巖力學性能較差，混合料的力學相關性能相比于玄武巖混合料偏弱較多，一定程度限制了純石灰巖SMA-13混合料的工程應用。

為研究石灰巖粗集料在SMA-13瀝青混合料中的應用特性，本文設計三組不同集料類型的混合料，包括完全使用石灰巖、完全使用玄武巖和共同使用石灰巖與玄武巖集料等三種類型，研究對比了三組混合料中集料的壓碎特性與混合料的路用與力學性能。

1 原材料與混合料制備

1.1 集料

本設計三組合成集料，其中1#中粗細集料均采用石灰巖;2#中9.5mm以下粒徑采用石灰巖，9.5～13.2mm粒徑采用玄武巖；3#中粗細集料均采用玄武巖。所用石灰巖與玄武巖集料的相關性能指標見表1，表中括號外為石灰巖集料數據，括號內為玄武巖集料數據。

表1 石灰巖與玄武巖相關性能指標

1.2 瀝青

本試驗所用的SBS改性瀝青符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)對I-C類SBS改性瀝青的要求[5]，各項指標見表2。

表2 SBS改性瀝青性能指標

1.3 纖維

本試驗采用玄武巖纖維，其摻量占集料總質量的0.2%，相關指標見表3。

表3 玄武巖纖維相關性能指標

1.4 級配

本試驗所用的級配為《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中SMA-13所推薦范圍的中值級配，不同粒徑各檔集料質量分數見表4。

表4 各粒徑集料級配

1.5 油石比

通過馬歇爾試驗，為便于比較1#、2#、3#集料所制備SMA-13混合料的性能，對三種集料統一采用6.5%的油石比，分別拌和得到1#、2#、3#SMA-13瀝青混合料。

2 集料抗壓特性

2.1 壓碎值

壓碎值反映集料在壓力作用下的破碎特性，石灰巖與玄武巖各檔粗集料的壓碎值見表5。

表5 各檔粗集料的壓碎值 (單位：%)

(1)對不同粒徑的各檔粗集料和2.36～13.2mm之間粒徑的合成粗集料，石灰巖粗集料的壓碎值均明顯高于玄武巖集料，說明各檔石灰巖粗集料的力學性能相對偏弱。

(2)三組合成粗集料的壓碎值大小依次為：全石灰巖(1#)>2.36～9.5mm石灰巖+9.5～13.2mm玄武巖(2#)>全玄武巖(3#)。將9.5～13.2mm粒徑的集料更換為玄武巖后，合成集料的壓碎值明顯降低并接近全玄武巖集料，而此時粗集料中玄武巖用量僅占37.5%，說明在合成粗集料中搭配使用9.5～13.2mm粒徑的玄武巖和2.36～9.5mm粒徑的石灰巖，可有效改善粗集料單一使用石灰巖時不利的力學性能。

2.2 旋轉壓實

相比于工程中常用的馬歇爾擊實試驗，旋轉壓實試驗的荷載更符合實際道路上的車輛荷載。參考工程經驗，應用旋轉壓實儀壓實100次[6]，成型1#、2#、3#混合料。對成型的試件進行抽提，對比壓實前后1#、2#、3#混合料試件中集料的級配，如圖1所示，用以分析在荷載下集料的抗壓碎性能。

圖1 旋轉壓實后各混合料級配變化

由圖1可知：

(1)旋轉壓實后，1#、2#、3#混合料均出現一定程度的級配細化現象，細化程度1#>2#>3#。其中，集料完全為石灰巖的1#混合料中集料壓碎現象較為嚴重，4.75～9.5mm和9.5～13.2mm兩檔集料被大量壓碎至4.75mm以下，此時集料級配整體偏細，與SMA混合料“三多一少”規則中粗集料與礦粉多、細集料少的要求偏離較為嚴重，不利于SMA混合料的綜合性能。

(2)2#混合料壓實后的級配曲線與3#混合料及初始級配曲線相近，且與1#混合料壓實后的級配曲線較遠，說明當9.5～13.2mm粒徑的集料采用玄武巖、其他集料采用石灰巖時，SMA-13瀝青混合料中集料的抗壓碎性能相比于完全使用石灰巖的集料明顯提升，更接近于完全使用玄武巖的集料。

3 混合料路用與力學性能

3.1 高溫穩定性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的試驗方法[7]，對1#、2#、3#SMA-13瀝青混合料進行車轍試驗，結果見表6。

表6 SMA-13車轍試驗結果

由表6可見：

(1)三組 SMA-13瀝青混合料的高溫抗車轍性能均滿足規范要求。

(2)車轍板最終變形量滿足1#>2#>3#，動穩定度滿足1#<2#<3#，即在高溫抗車轍性能方面，純石灰巖集料SMA-13最差，純玄武巖集料SMA-13最好，石灰巖玄武巖混合集料SMA-13介于兩者之間。結合圖1推測其原因在于，石灰巖SMA-13車轍板經過壓實成型后其實際級配偏細，粗骨架較少，在車轍試驗中輪載作用下變形量更大，動穩定度更低。

(3)若9.5～13.2mm粒徑使用玄武巖集料，則SMA-13的粗骨架完整性相對得到保證，使混合料的高溫抗車轍性能更好。由表6可見，2#SMA-13瀝青混合料的動穩定度相比于1#更接近于3#，說明在2#混合料中9.5～13.2mm粒徑玄武巖集料的使用，有效改善了其他粒徑使用石灰巖集料對SMA-13混合料高溫抗車轍性能的不利影響。

3.2 水穩定性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的試驗方法[7]，對三組 SMA-13混合料進行凍融劈裂試驗，得到其水穩定性指標(表7)。

表7 SMA-13凍融劈裂試驗結果

由表7可見：

(1)三組 SMA-13瀝青混合料的水穩定性均滿足規范要求。

(2)1#、2#、3#SMA-13瀝青混合料的劈裂強度比無明顯差異，說明三者的水穩定性近似。無論是否經過凍融循環，全玄武巖集料混合料試件的劈裂強度均大于全石灰巖集料混合料試件，原因在于玄武巖具有更好的力學性能。對于9.5～13.2mm粒徑使用玄武巖集料、其他粒徑采用石灰巖集料的2#試件，其劈裂強度更接近全玄武巖的3#混合料，說明其抗劈裂性能得到明顯的改善。

3.3 低溫抗裂性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的試驗方法[7]，對三組 SMA-13瀝青混合料進行低溫彎曲試驗，得到其低溫抗裂性能指標(表8)。

表8 SMA-13低溫彎曲試驗結果

由表8可見：

(1)1#SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性滿足冬寒區的要求，2#和3#SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性進一步滿足冬嚴寒區的要求。

(2)已有研究表明，分別采用低溫彎曲試驗中所測得瀝青混合料小梁的抗彎拉強度與最大彎拉應變評價混合料的低溫抗裂性能，通常會得到相反的結論[8]，表8的相關數據證實了上述結論。《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)以最大彎拉應變衡量混合料的低溫抗裂性能[5]，分析其原因，實際瀝青路面在低溫環境中產生回縮傾向，但由于受路緣石與基層的限制難以發生形變，路面開裂的臨界狀態為內部應變達到最大容許應變，因此規范中的上述規定符合道路低溫狀態下的實際工況。

(3)三組SMA-13瀝青混合料的最大彎拉應變滿足1#>2#>3#，表明純石灰巖集料SMA-13的低溫抗裂性最好(1#)，純玄武巖集料SMA-13的低溫抗裂性最差(3#)，石灰巖玄武巖混合集料SMA-13(2#)的低溫抗裂性介于兩者之間。結合已有研究[9]，推測其可能原因在于，雖然1#、2#、3#SMA-13瀝青混合料的油石比相同，但石灰巖集料表面與瀝青粘附力更強，瀝青與碎石整體性更好，從而增強了瀝青混合料的低溫抗裂性。而抗彎拉強度滿足1#<2#<3#，其原因應當與石灰巖偏弱的力學性能有關。

3.4 抗滲水性能

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的試驗方法[7]，對三組 SMA-13混合料進行滲水試驗，得到其抗滲水性能指標，并根據規范測定三組混合料的空隙率[7]，結果見表9。

表9 SMA-13空隙率與滲水試驗結果

由表9可見：

(1)三組 SMA-13瀝青混合料的滲水性能均滿足規范要求。

(2)空隙率與滲水系數均滿足1#<2#<3#，原因在于，石灰巖混合料整體級配偏細，空隙率與連通空隙率較小，其抗滲水能力更好。

3.5 動態模量

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的試驗方法[7]，對三組 SMA-13混合料進行動態模量試驗，得到20℃下三種混合料試樣不同加載頻率(0.1Hz，0.2Hz，0.5Hz， 1Hz，2Hz，5Hz，10Hz，25Hz)下的動態模量[10]，如圖2所示。

圖2 SMA-13動態模量試驗結果

由圖2可見，0.1～25.0Hz的動態模量始終滿足1#<2#<3#，說明純石灰巖SMA-13的力學性能偏弱，若將9.5～13.2mm粒徑的集料改用玄武巖，可有效提高混合料的力學性能。

4 結論

(1)完全采用石灰巖作為SMA-13的集料時，石灰巖集料在荷載作用下破碎較為嚴重，級配細化現象明顯。當9.5～13.2mm粒徑的集料采用玄武巖，其他集料采用石灰巖時，合成集料在荷載下的抗破碎性能明顯提升，其抗壓碎性能相比于完全使用石灰巖的合成集料，更接近于完全使用玄武巖的合成集料。

(2)純石灰巖SMA-13的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性、水穩定性、滲水性等路用性能滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)的要求。與純玄武巖SMA-13的路用性能相比，純石灰巖SMA-13混合料在低溫抗裂性、抗滲水性能方面較好，水穩定性相近，高溫穩定性偏弱。

(3)當9.5～13.2mm粒徑的集料采用玄武巖，其他集料采用石灰巖時，所制備的SMA-13混合料性能相對折中，減弱了石灰巖集料較弱的力學性能對混合料路用性能的影響，且發揮了石灰巖SMA-13的低溫抗裂性、抗滲水性能。

(4)純石灰巖SMA-13的動態模量較低，若將9.5～13.2mm粒徑集料改用玄武巖，可有效提高混合料的力學性能。