巖溶地貌集料特性對瀝青混合料性能的影響

葉 舟，閻寶寶，劉文昌，周 瓊，張柏泉，周良宇

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430074；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430074；3.中交二航武漢港灣新材料有限公司，武漢 430074；4.陜西正誠路橋工程研究院有限公司，西安 710086)

瀝青混合料是一種由瀝青、粗集料、細集料以及礦粉按一定比例配制而成的復合材料，其中集料的占比高達80%～90%，是影響混合料性能的主要因素。常見瀝青混合料礦料級配中，由粗集料顆粒間相互嵌擠形成骨架，再由細集料和瀝青填充骨架間空隙形成密實結構。粗集料的巖性、級配、物理力學性質、形態和表面紋理狀況會直接影響瀝青混合料的性能[1]。然而，現階段對瀝青混合料用粗集料的研究多集中在級配、粒型的優化方面；但是，粗集料的物理力學性質是由其母巖性質決定，母巖的性質則受制于產地所處地質環境。喀斯特地貌是一種典型的巖溶地貌，在溶蝕作用下山體表面和內部會產生溶蝕槽、裂隙和空腔，其中較小的裂隙逐漸被重結晶的方解石填充，較大的空腔、溝槽則被水流帶入的泥土填充[2]。同時，在溶蝕、風化的不斷作用下，還會產生一些延伸至巖石內部的裂紋；隨著雨水日積月累的沖刷，山體表層的紅黏土和覆土滲入裂紋中，其中富含的鐵、鋁氧化物在裂隙界面上形成紅色的銹染層[3]。因此，從巖溶地質山體處開采的母巖中經常伴隨著大量的泥土、重結晶方解石顆粒和銹染顆粒，從而嚴重影響了粗集料的最終質量。

基于此，該文重點研究了特殊顆粒的特點及其對瀝青混合料性能的影響，制定了粗集料的質量控制方法和標準，以保證路面的施工質量。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

1)瀝青：中海瀝青公司生產的SBS(I-D)聚合物改性瀝青，軟化點(環球法)73 ℃，針入度(25 ℃，5 s，100 g)55(0.1 mm)，延度(5 ℃)44 cm。

2)粗集料：粗集料為石灰巖2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～16 mm粗骨料。研究所使用的重結晶方解石顆粒和銹染顆粒從三檔骨料中人工分揀得到。

3)細集料：0～2.36 mm石灰巖細骨料，表觀相對密度2.737，砂當量80%。

4)礦粉：表觀相對密度2.738，含水量0.3%。

5)混合料級配類型為AC-13C。

1.2 試驗方法

特殊顆粒集料的性能試驗及混合料試驗的根據為《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011。

2 特殊粗骨料性能研究

將成品碎石中的銹染顆粒、重結晶方解石顆粒進行分揀，研究其軟弱顆粒含量及其與瀝青的粘附性。

2.1 軟石顆粒含量

在4.75～9.5 mm、5～16 mm和16 mm以上的三檔中各取風干的銹染顆粒、重結晶方解石顆粒和普通的石灰巖顆粒2 kg，并按顆粒大小分別加以0.15 kN、0.25 kN、0.34 kN荷載，破碎的即為軟石顆粒[4]，試驗結果見表1。銹染顆粒和普通石灰巖的軟石顆粒測試結果較為接近，且均能滿足規范中對粗集料軟石含量的規定，而重結晶方解石受壓后，易沿著解離面破碎，軟石顆粒比例高于其他兩種顆粒；三種石料的軟石含量均隨著顆粒粒徑的增大而減小。

表1 特殊骨料軟石顆粒含量

2.2 骨料顆粒與瀝青的粘附性

瀝青-集料的粘附性能是選取集料的關鍵指標之一，一般選擇基性和中性材料。研究表明，集料的形狀、棱角性和表面紋理是影響瀝青和集料粘附性能的主要因素[5,6]。因此，論文選取含銹染顆粒、方解石顆粒及普通石灰巖顆粒作為研究對象，使用水煮法(浸煮時間為10 min和20 min)檢測瀝青與粗集料的粘附性，評價特殊表觀特性的粗集料抗水剝離能力，測試結果見表2。

表2 特殊顆粒骨料與瀝青粘附性

由表2可以看出，當浸煮時間為10 min時，三種集料顆粒的瀝青膜均有不同程度的脫落，石灰巖顆粒情況稍好于銹染顆粒和重結晶方解石顆粒。當浸煮時間增至20 min時，重結晶方解石顆粒表面瀝青膜已完全為水所移動，集料基本裸露，瀝青全浮于水面上；銹染顆粒大部分表面裸露，石灰巖顆粒瀝青膜保存情況較好。因此，與普通石灰巖顆粒相比，銹染顆粒、重結晶方解石顆粒與瀝青的粘附性更差。

3 特殊骨料組合因素對瀝青混合料性能的影響

在上述對特殊顆粒性能的研究及前期碎石生產調研所收集數據的基礎上，進行粗集料組合因素對瀝青混合料性能的影響研究，各工況的組成比例見表3。

表3 瀝青混合料特殊顆粒骨料組合工況

1)不同特殊顆粒含量對瀝青混合料高溫性能的影響

車轍試驗能模擬實際路面車轍的形成過程，很好地反應瀝青混合料的高溫穩定性，因此可將動穩定度作為評價瀝青混合料抗永久變形的指標。一般而言，動穩定度越大，表示其在高溫條件下收到持續荷載作用后的變形量越小，瀝青混合料具有越強的抗永久變形能力，高溫性能越佳[7]。圖1為添加不同含量特殊顆粒的瀝青混合料的動穩定度試驗結果，從圖1中可以看出，幾種工況下動穩定度均能滿足規范要求。

對比工況2和工況3測試結果可知，隨銹染顆粒含量的提高，動穩定度小幅度下降，說明銹染顆粒含量對瀝青混合料高溫性能影響較小。而工況4、工況5和工況6的動穩定度分別下降了12%、17%和13%，下降幅度較大，說明重結晶方解石顆粒對瀝青混合料的高溫抗變形能力不利，這是由于其自身強度較低且與瀝青粘附性較差的原因導致的。

2)不同特殊顆粒含量對瀝青混合料低溫性能的影響

瀝青路面在低溫下的開裂主要原因在于低溫增加了瀝青混合料的勁度與脆性，使得其柔韌性變差，造成其變形能力的不足[8]。該研究采用低溫彎曲試驗研究幾種特殊顆粒含量對瀝青混合料低溫性能的影響。

不同特殊顆粒含量的低溫彎拉破壞應變結果如圖2所示。從圖2中可以看出，摻加了銹染顆粒的瀝青混合料，其低溫彎拉破壞應變與普通石灰巖基本一致，而摻加了重結晶方解石顆粒的瀝青混合料，其低溫彎拉破壞應變有小幅度的下降，說明集料種類對瀝青混合料的低溫性能影響較小。因此，影響瀝青混合料低溫性能的主要因素還是瀝青質量和用量以及集料的級配類型。

3)不同特殊顆粒含量對瀝青混合料水穩定性能的影響

影響瀝青混合料水穩定性的主要因素包括瀝青與集料的粘附性、礦料空隙率及瀝青膜厚度。采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，來評價不同特殊顆粒比例的瀝青混合料的抗水損害性能。

圖3和圖4分別為不同特殊顆粒含量的瀝青混合料的殘留穩定度及劈裂強度比試驗結果。從圖中可以看出，當瀝青混合料中銹染顆粒摻量分別為5%和10%時，其殘留穩定度分別降低了5.3%、13.6%，劈裂強度比分別降低了3.7%、8.1%。而重結晶方解石顆粒摻量分別為5%和10%的瀝青混合料，其殘留穩定度分別降低了3.9%和10.2%，劈裂強度比分別降低了6.0%和13.3%，即兩種顆粒均會對瀝青混合料的抗水損害性能產生不利影響。此外，當銹染顆粒和重結晶方解石顆粒單摻或復摻比例達到10%時，殘留穩定度和劈裂強度比已劣化至逼近或超過規范限值，這表明顆粒表面的附著物和粗糙度對瀝青混合料的抗水損害能力有重要的影響。因此，兩種特殊顆粒的含量不宜高于5%。

4 結 論

a.在粗集料中，重結晶方解石軟石顆粒含量最高，銹染顆粒與普通灰巖顆粒軟石含量的比例接近；銹染顆粒、重結晶方解石顆粒與瀝青的粘附性較差，均弱于普通灰巖顆粒。

b.銹染顆粒及重結晶方解石顆粒的加入降低了瀝青混合料的高溫抗變形性能及抗水損害性能，但對其低溫抗開裂性能影響較小。

c.在集料的生產過程中，銹染顆粒、重結晶方解石顆粒的含量不宜高于5%。