不同巖性機制砂對瀝青混合料路用性能的影響

丁蓬勃，鄭董成，陳 搏，揭繼興

（1.廣東潮惠高速公路有限公司粵東分公司，廣東 揭陽 516251；2.廣東省高速公路有限公司深汕西分公司擴建管理處，廣東 惠州 516200；3.廣州肖寧道路工程技術研究事務所有限公司，廣東 廣州 510641）

0 引 言

瀝青膠漿主要由瀝青、細集料、填料組成，于瀝青混合料內提供主要填充和膠結功能，并在很大程度上決定了混合料的路用性能[1-3]。為了提高提高細集料與瀝青的粘附性能，廣東省主要采用堿性巖石石灰巖碎石破碎制備的機制砂，而隨著多年的開采，很多區域已經發生石灰巖集料開采資源的枯竭情況，只能遠距離采購優質材料，額外加大了材料支出，同時也延誤工期。此外，近年來的重載交通道路發現，使用石灰巖機制砂的路面抗滑性能抗滑性能衰減較快，主要與石灰巖的抗磨耗性較差有關[4]。而反觀花崗巖、輝綠巖等材料，兼具有堅硬、致密、耐磨的材料特征，可以更好地展現顆粒的相互嵌擠功能[5-7]。尤其是輝綠巖機制砂，偏向于中性與基質巖類，質地堅硬，與瀝青粘附性良好，且局部地區儲量豐厚，因而具備較好的應用前景和研究意義[8]。

細集料包含天然砂、機制砂、石屑等，其中天然砂粘附瀝青的效果不佳，基本不用于瀝青路面，石屑的加工粒型不佳，且大部分為石場邊角料，強度低，也基本不在高等級瀝青路面中使用[9]。機制砂主要為0～2.36 mm規格，屬于石場的精加工材料，具有良好的加工特性與應用價值。國內外研究人員對機制砂做了豐富的研究，主要包括機制砂的加工工藝、規格級配、幾何特性等方面[10，11]。馬士賓等采用不同棱角的細集料制備了試件，分析了集料棱角對路面抗車轍能力的意義[12]。姚形傲等采用顯微鏡測量細集料形貌，構建了分維數表征模型，并系統開展了不同形貌細集料對瀝青路面的性能影響研究[13]。然而，關于細集料的研究中，分析細材料巖性和瀝青混合料路用性能影響的相關內容甚少。

因此，本文選取三種礦物組成相異的機制砂并開展瀝青混合料路用性能試驗研究，對各巖性機制砂成型試件的水穩定性、低溫抗裂性、高溫性能進行分析，并探索抗剝落措施對混合料性能的影響，為不同巖質機制砂的應用提供技術支撐。

1 原材料

1.1 機制砂

選擇花崗巖、石灰巖、輝綠巖三種機制砂（0～3 mm），測試指標匯總見表1。

表1 三種巖性機制砂技術指標

1.2 粗集料

粗集料采用廣西輝綠巖，粒徑分別是3～5 mm、5～10 mm、10～18 mm。具體技術指標見表2。

表2 粗集料性能指標

1.3 瀝青材料

瀝青膠結料選擇殼牌公司的SBS（I-D）改性瀝青。具體性能檢測情況匯總于表3。

表3 瀝青性能指標

2 機制砂巖性測試與評定

集料表面官能團與酸堿特性是影響瀝青粘附性的重要因素，采用X射線衍射儀對不同巖性機制砂礦物成分進行測試。X射線衍射儀主要通過發射短波電磁波穿透被測材料，X射線收到物體晶體原子的散射，產生的散射波又形成衍射，進而可獲得晶體結構。選擇三種機制砂（花崗巖、石灰巖、輝綠巖），篩分不同巖性機制砂，選取0.045 mm左右的粉體進行測試。使用型號XRD-6000衍射儀，采用2θ/θ連續掃描，采樣步寬0.02°，掃描速度2°/min。獲得巖樣衍射圖譜后，利用Jade 6數據處理軟件對集料的礦物開展成分對比。從表4數據可看出，所選取的花崗巖樣品主要成分為石英、鈉長石、綠錐石、云母、綠泥石，石灰巖樣品的主要成分為方解石、石英、白云石、云母，輝綠巖樣品的主要成分為輝石、霞石、拉長石、單斜硼鎂石、尖晶石。根據化學式與質量分數計算得SiO2含量，花崗巖的SiO2含量最高，輝綠巖次之，石灰巖最低。瀝青混合料關于石料酸堿性判別依據為：SiO2含量大于65%為酸性巖石，52%～65%為中性巖石，45%以下為基性（堿性）巖石。因此，所選花崗巖為酸性巖，石灰巖為堿性巖，輝綠巖為中性巖。

表4 不同巖石成分

3 瀝青混合料設計

3.1 級配設計

采用上述原材料，進行GAC-16型瀝青混合料目標配合比礦料級配曲線設計，并充分參考近年來的廣東省高速公路瀝青路面應用經驗，設計的礦料級配見表5。油石比為4.7%，礦粉摻量為4.0%。

表5 礦料合成級配組成

3.2 瀝青混合料體積指標

從混合料密度指標可以看出，相同的礦料級配設計下，僅改變機制砂細集料類型，計算出來的混合料最大理論密度大小依次為：花崗巖機制砂混合料＜石灰巖機制砂混合料＜輝綠巖機制砂混合料，與機制砂的密度排序一致。而經過標準擊實后，各試件毛體積密度大小依次為：花崗巖機制砂混合料＜輝綠巖機制砂混合料＜石灰巖機制砂混合料，此時石灰巖機制砂的混合料試件密度最高。不同機制砂混合料的密度見圖1。

圖1 不同機制砂混合料的密度

進一步，計算各機制砂混合料的空隙率指標（見圖2）。分析可得，石灰巖機制砂混合料試件的空隙率最低，花崗巖其次，輝綠巖最高。分析可得：花崗巖機制砂混合料試件內部空隙率居中，與設計目標空隙率較接近。石灰巖機制砂混合料計算的空隙率指標明顯小于其他組，說明該混合料試件過度密實。究其原因，石灰巖機制砂一方面壓碎值較低，在成型過程中容易被壓碎，導致混合料內部密實；另一方面，石灰巖顆粒在拌鍋中干拌過程容易研磨起粉，尤其是較粗顆粒的棱角被磨光，此時導致混合料中的粉量增大，而棱角磨光的粗顆粒也容易錘擊密實。輝綠巖機制砂混合料空隙率最大，一方面輝綠巖機制砂密度較大，相同質量下細料體積小；另一方面，輝綠巖機制砂顆粒堅硬，棱角豐富，與粗集料之間的摩擦阻力較大，相比石灰巖機制砂混合料更加難以壓實。因此，使用高密度輝綠巖機制砂作為填料時，可適當增加機制砂的摻配比例。

圖2 不同機制砂混合料的空隙率

4 機制砂巖性對瀝青混合料路用性能的影響

4.1 浸水馬歇爾試驗分析

參照試驗規程JTG E20制作馬歇爾試件，開展4 h的浸水養護，分析結果見圖3。從浸水前后的馬歇爾穩定度水平來看，石灰巖機制砂混合料和輝綠巖機制砂混合料的強度水平明顯高于花崗巖機制砂混合料，尤其是浸水后，花崗巖機制砂混合料的強度衰減衰減幅度最大。三種機制砂混合料的殘留穩定度比皆滿足高速公路的技術指標。進一步分析背后原因：粗集料由于使用了黏附性較好的輝綠巖，且瀝青為性能良好的SBS改性瀝青，一定程度上保證了混合料穩定度的水平均較高。摻加花崗巖機制砂的瀝青混合料，其浸水前的穩定度低于摻加石灰巖混合料約8.8%，低于輝綠巖機制砂混合料約4.4%；浸水后的穩定度低于石灰巖機制砂混合料約13.9%，低于輝綠巖機制砂混合料約8.5%；說明花崗巖機制砂填料與瀝青的黏附性相對石灰巖以及輝綠巖較弱。石灰巖機制砂混合料的穩定度和殘留穩定度比均略高于輝綠巖機制砂混合料，一方面與堿性材料的粘附性優良有關；另一方面與石灰巖機制砂有助于提高混合料密實性有關。

圖3 浸水馬歇爾試驗結果

4.2 凍融劈裂試驗分析

參照試驗規程JTG E20制作馬歇爾試件，開展循環凍融養護以及劈裂強度測試。首先將試件放置在25℃養護2 h，測試劈裂強度；然后將另一組試件放置于-18℃保溫箱養護16 h；隨后放置60℃水箱養護24 h；最后浸泡25℃水箱2 h，以此循環后測試試件劈裂強度。由圖4可看出，凍融前后的劈裂強度優劣依次為石灰巖＞輝綠巖＞花崗巖混合料，尤其是花崗巖機制砂摻加的混合料，凍融前后的劈裂強度明顯弱于石灰巖和輝綠巖機制砂混合料。殘留強度比的規律與劈裂強度水平規律一致，石灰巖機制砂和輝綠巖機制砂混合料的抗凍融性能均處于優良水平。

圖4 凍融劈裂試驗結果

4.3 高溫車轍試驗分析

由于廣東省常年溫度較高，尤其是夏季地面溫度高達60℃以上，對瀝青路面的高溫條件下的抵抗變形能力要求較高。國內外測試瀝青路面高溫性能的試驗種類繁多，比如足尺環道試驗、高溫蠕變試驗、加速加載試驗等。本研究按照試驗規程JTG E20，選用60℃的恒溫車轍儀開展膠輪往返碾壓測試，輪載設定為0.7 MPa，測定瀝青試件變形1 mm的輪碾作用次數，進而評價不同巖性機制砂混合料的高溫性能。試驗結果見圖5。

圖5 高溫動穩定度

由車轍試驗結果可以看出，在標準軸載作用下，花崗巖機制砂混合料、石灰巖機制砂混合料、輝綠巖機制砂混合料試件的穩定度都高于6 000次/mm，遠大于設計規定。而改變機制砂的巖性，瀝青混合料之間的高溫穩定性變化顯著，體現在：在其他條件不變的前提下，僅改變機制砂巖性，發現輝綠巖機制砂混合料的動穩定度最大，石灰巖機制砂動穩定度略低，究其原因，盡管石灰巖機制砂跟瀝青間黏附性更好，但是由于其硬度稍差，于車輪荷載作用下易于被壓碎，且細集料顆粒的棱角性較弱，難以限制輪跡帶混合料的遷移；而輝綠巖機制砂較堅硬，與粗集料可以形成較好的嵌擠，且輪碾作用下不容易被壓碎，因此其動穩定度更好。相比酸性巖質花崗巖機制砂，使用中性巖質輝綠巖機制砂的瀝青混合料，動穩定度可以提升52.6%，使用堿性巖質石灰巖機制砂的瀝青混合料，動穩定度可以提升45.2%，不僅與機制砂跟瀝青間黏附性有關，也和機制砂的硬度有關，使用硬質細集料利于增強瀝青混合料的高溫穩定性。

4.4 低溫彎曲試驗分析

廣東粵北地區冬季溫度較低，瀝青路面低溫開裂也是其早期典型病害之一。國內外對于瀝青路面的低溫抗裂性能測試試驗包括直接拉伸試驗、間接拉伸試驗、低溫劈裂蠕變試驗等。本研究參照試驗規程JTG E20，開展-10℃的小梁彎曲試驗，評價各巖性機制砂混合料的低溫抗裂性能。分析結果見圖6。

圖6 小梁彎曲試驗

分析可得：

（1）從抗彎拉強度指標來看，石灰巖機制砂混合料的抗彎拉強度最高，花崗巖機制砂混合料的抗彎拉強度最低，主要與細集料巖性跟瀝青間粘附力的差異有關，中性與堿性巖性細集料與瀝青的粘結強度更大，因此體現了更好的抗彎拉強度。

（2）最大彎拉應變指標可以看出，花崗巖機制砂混合料的破壞應變未能達到高速公路設計要求，其低溫抗裂性能較差；而石灰巖機制砂和輝綠巖機制砂混合料的破壞應變均達到設計要求，且二者的試驗結果較接近，因此可以認為，輝綠巖和石灰巖混合料均可以表現出較優的低溫抗變形性能。

5 機制砂與瀝青黏附性改善技術研究

機制砂巖性影響了跟瀝青的黏附性，進而影響瀝青混合料路用性能。并且，雖然中性巖質機制砂雖然質地堅硬，但是與瀝青的粘附性依然比石灰巖機制砂略弱，有必要改善中性巖質機制砂的黏附性。水泥材料可以降低集料表面能，增強其表面活性，在瀝青路面工程中作為抗剝落措施的一種有效方式。為此，在本研究里采用1.5%的水泥等質量代替礦粉，添加于瀝青混合料中，并對比采用摻加水泥措施前后的不同機制砂混合料高溫性能、水穩定性能的影響。

5.1 水穩定性的改善

圖7浸水馬歇爾試驗數據表明，采用水泥抗剝落材料后的三種機制砂混合料，其殘留穩定度比均有明顯改善，改善后殘留穩定度以輝綠巖機制砂混合料最優，石灰巖機制砂較為接近，花崗巖較低，但也處于較好水平。表面使用抗剝落材料對瀝青混合料的抗水損性能效果良好。進一步，計算不同機制砂混合料摻加水泥抗剝落材料前后的殘留穩定度比的增長率（以摻加水泥后的殘留穩定度比較摻加前的穩定度比數值之差，并以摻加水泥前的殘留穩定度比作為基準，計算其增長率百分數），花崗巖機制砂混合料摻加水泥后的殘留穩定度比增長率最高，達到6.8%；輝綠巖機制砂混合料次之，為5.0%；石灰巖機制砂最小，為2.3%。說明水泥抗剝落材料對酸性機制砂表面活性的提高效果最好，對堿性機制砂的提升效果較弱。

圖7 摻加抗剝落材料前后的浸水試驗結果

圖8凍融劈裂試驗結果表明，摻加水泥抗剝落材料后的瀝青混合料，經歷凍融循環作用后的殘留強度，也有顯著改善，殘留強度比基本達到95%以上。尤其是花崗巖機制砂混合料的試驗值，從摻加水泥前的82.3%提升至摻加水泥后的95%，增長率達16%，進一步驗證了水泥抗剝落材料對酸性機制砂表面活性的提高效果。因此，摻加水泥材料作為抗剝落措施，對機制砂黏附性的改善效果明顯，尤其是酸性花崗巖機制砂和中性輝綠巖機制砂，能夠顯著提升瀝青混合料的水穩定性。

圖8 摻加抗剝落材料前后的凍融劈裂試驗結果

5.2 高溫性能的改善

圖9車轍試驗結果表明，摻加水泥抗剝落材料后的瀝青混合料，在高溫狀態下經過標準輪碾作用，其高溫變形量也出現較大的減少。動穩定度指標的增加量達到6 000～9 000次/mm，增長率達50%以上。究其原因，一方面水泥材料的摻加可以削減機制砂的表面能，增強機制砂表面活性，提高與瀝青間的粘結力，有助于改善瀝青混合料的抵抗荷載作用下的變形；另一方面，水泥材料經過一定的養生后，裸露部分與空氣中水蒸氣接觸發生硬化，一定程度也能提高瀝青混合料的結構強度。

圖9 摻加抗剝落材料前后的車轍試驗結果

6 結 論

（1）在相同礦料級配設計下，不同機制砂混合料試件的毛體積密度與最大理論密度規律存在沖突，除了受到機制砂本身密度值影響，還與機制砂壓碎值、耐磨耗、內摩阻特性有關。

（2）石灰巖機制砂混合料的穩定度與殘留穩定度比皆略高于輝綠巖機制砂，遠高于花崗巖機制砂，凍融劈裂試驗也顯示出一致的規律。

（3）相比花崗巖機制砂，輝綠巖機制砂混合料動穩定度提升52.6%，石灰巖機制砂混合料動穩定度提升45.2%，主要受機制砂跟瀝青間黏附性、及機制砂的硬度影響。

（4）低溫狀態下，花崗巖機制砂混合料的破壞應變最低，抗裂性能較差；石灰巖機制砂和輝綠巖機制砂混合料的破壞應變試驗結果較接近，具有較優的低溫抗變形能力。

（5）使用水泥材料抗剝落改善措施，花崗巖機制砂與輝綠巖機制砂混合料水穩定性、高溫性能皆產生明顯改善，其中殘留穩定度比提升5%以上，殘留強度比提升16%以上，動穩定度提升50%以上。