礦渣砂/玄武巖纖維MS-3微表處混合料級配設計優化

關鍵詞：礦渣砂；玄武巖纖維；礦料級配；微表處混合料；路用性能

中圖分類號：TQ340.79；U416.217 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0061-04

隨著交通量增大、使用年限增加及后期管養不到位，路面服務水平會持續惡化，增加后期大中修養護成本，縮短路面使用年限[1]。預防性養護屬于路面出現早期輕微病害時，結合路面實際狀況選擇適宜的養護措施，以保證路面良好服務水平，減緩病害惡化而采用的工藝措施[2]。微表處作為高速公路、一、二級公路瀝青路面最常用的預防性養護措施，近年被廣泛應用[3]。如何將鐵尾礦經過篩分得到的礦渣砂科學的應用到公路工程當中，不僅可以解決大量堆積帶來的環境難題，同時能夠緩解石料緊缺的問題，符合我國綠色交通發展的理念。將不同類型及摻量的纖維應用到微表處混合料中并開展SCB低溫抗開裂性能試驗，合理的纖維摻量，可使微表處混合料低溫抗開裂性能得到顯著改善[4-5]。將鐵尾礦應用到微表處混合料當中并開展相關性能試驗發現，鐵尾礦摻量為15%時，鐵尾礦微表處混合料高低溫、水穩定性及耐磨性能均得到改善[6]。基于此，本文將不同摻配比例的礦渣砂作為細集料等質量替代石灰巖機制砂，并對礦渣砂-玄武巖纖維MS-3微表處混合料開展耐磨性、水穩定性、抗車轍及高溫性能試驗，探究礦渣砂的合理摻量，為礦渣砂-玄武巖纖維MS-3微表處混合料在瀝青路面預養護工程中的應用提供理論支撐。

1試驗材料與方法

1.1改性乳化瀝青

改性乳化瀝青作為微表處混合料的膠結材料，其質量對微表處混合料的耐久性能起著關鍵性作用。本文選用山東宏固防水材料有限公司生產的BCR改性乳化瀝青展開研究，其主要技術指標試驗結果見表1。

1.2粗、細集料

粗集料選用粒徑為3～5mm、5～10mm玄武巖碎石，細集料為0～3mm的石灰巖機制砂，粗細集料主要技術指標試驗結果見表2。

1.3礦渣砂

本文選用的礦渣砂由鞍鋼集團有限公司提供，礦渣砂與本研究所用石灰巖機制砂篩分結果見表3，礦物成分組成見表4。

由表3、表4可知，石灰巖機制砂與礦渣砂均具有良好的級配，能夠滿足《公路瀝青路面施工技術規范》中S16的級配要求；礦渣砂中無鉛、砷、汞等有毒物質，使用過程中不會對人體健康及環境造成危害，表明礦渣砂具有作為細集料應用到微表處混合料中的潛質。

1.4水泥

水泥作為微表處混合料的填料，能夠調節混合料的拌和狀態，與水結合硬化后能夠提高瀝青路面的力學性能，其摻量一般小于2%。本文選用河南同力水泥股份有限公司生產的P·O42.5硅酸鹽水泥開展研究，其性能指標見表5。

1.5玄武巖纖維

本研究選用的短切玄武巖纖維（BF）由鄭州登電集團生產，其規格型號為3～17mm，主要性能指標試驗結果見表6。

2微表處配合比設計

本文選用的微表處混合料型號為MS-3，粗集料為玄武巖碎石，粒徑分別為3～5mm、5～10mm；細集料為0～3mm的石灰巖機制砂。為實現礦料級配的精細化設計，增加7.2mm篩孔，礦渣砂分別以10%、20%、30%、40%、50%的摻量等質量替代機制砂，礦料級配設計結果見表7。玄武巖纖維摻量為0.3%（占混合料質量），礦渣砂摻量為0%時；MS-3混合料設計結果為礦料∶改性乳化瀝青∶水∶水泥=100∶7.9∶6.5∶1.5；混合料相關技術指標：最佳油石比7.9%、可拌和時間247s、30min粘聚力1.8N/m、60min粘聚力3.6N/m、負荷車輪粘附砂量407g/m²、浸水1h濕輪磨耗損失354g/m²。

3路用性能

3.1耐磨性能

本文選用浸水1h濕輪磨耗試驗對不同礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂的玄武巖纖維微表處混合料開展耐磨性試驗，試驗結果見圖1。

由圖1可知，隨著礦渣砂摻量的增加，MS-3玄武巖纖維微表處混合料浸水1h濕輪磨耗值呈現先降低后升高的趨勢，當礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂摻量為10%時，試驗結果最小；當礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂摻量超過20%時，MS-3微表處混合料的耐磨性能降幅增加。究其原因，礦渣砂整體篩分結果較石灰巖機制砂偏粗，適當礦渣砂的摻入，MS-3微表處混合料級配得到優化，粗細集料之間的搭配更為合理，且礦渣砂表面孔隙較多能夠吸附更過的乳化瀝青，礦料之間的粘附能力更強；當礦渣砂摻量超過20%后，混合料0～2.36mm篩孔之間的通過百分率逐漸降低，混合料礦料級配逐漸偏粗，細料占比降低，導致混合料中礦料之間的孔隙增大，粘附能力降低，且試件表面粗糙程度增加，耐磨性能降低。

3.2水穩定性

本文選用浸水6d濕輪磨耗試驗對不同礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂的玄武巖纖維微表處混合料開展水穩定性試驗，試驗結果見圖2。

由圖2可知，隨著礦渣砂摻量的增加，MS-3玄武巖纖維微表處混合料浸水6d濕輪磨耗值呈現先降低后升高的趨勢，當礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂摻量為10%時，試驗結果最小，當礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂摻量超過20%時，MS-3微表處混合料的水穩定性能降幅增加。究其原因，除浸水時間存在差異，水穩定性能與耐磨性能試驗方法相同，因此2種性能試驗結果的變化趨勢相吻合。

3.3抗車轍性能

本文選用負重56.7kg的負荷輪試驗儀對不同礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂的玄武巖纖維微表處混合料開展抗車轍能力試驗，試驗環境保持（25±2）℃，計算碾壓1000次后試件的寬度變形率及車轍深度率，計算公式分別見式（1）和式（2），試驗結果見圖4。

由圖3可知，隨著礦渣砂摻量的增加，MS-3玄武巖纖維微表處混合料寬度變形率及車轍深度率均呈現先降低后升高的趨勢，且變化趨勢相吻合，當礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂摻量小于20%時，混合料抗車轍能力優于未摻礦渣砂的混合料，當摻量為10%時，試驗結果均最小，表明此時混合料的抗車轍變形能力最優，且當摻量超過20%時，混合料抗車轍能力顯著降低。

3.4高溫穩定性

隨著高溫天氣逐年增多，瀝青混合料韌性降低，塑性增強，在車輛軸載作用下，微表處混合料會因抗塑性變形能力不足而產生車轍[7-9]。現行規范中尚未對微表處混合料的高溫抗車轍能力做出規定，本文借鑒《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20—2011）中熱拌熱鋪瀝青混合料車轍試驗來評價玄武巖纖維微表處混合料的抗車轍能力。車轍板試件制作步驟如下：①制作300mm×300mm×50mm的AC-13C改性瀝青混合料車轍板來模擬現場實際路面；②在AC-13C改性瀝青混合料車轍板上噴撒粘層油，然后再鋪筑10mm的礦渣砂玄武巖纖維微表處混合料并用橡膠錘夯實；③將夯實后的試件放入60℃烘箱內靜置12h制得復合車轍試件。不同礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂的玄武巖纖維微表處混合料復合車轍板動穩定度試驗結果見圖4。

由圖4可知，隨著礦渣砂摻量的增加，MS-3玄武巖纖維微表處混合料動穩定度試驗結果呈現先升高后降低的趨勢，且礦渣砂的摻入，混合料試驗結果均優于未摻礦渣砂的，當礦渣砂摻量為30%時，試驗結果最優，達到7329次/mm，表明礦渣砂的摻入，玄武巖纖維微表處混合料的高溫抗車轍能力得到了增強，但隨著礦渣砂摻量超過30%時后，小于2.36mm篩孔的混合料級配趨于下限，存在級配不良的現象，礦料之間的嵌擠能力降低，抗車轍能力出現下降的現象。

4結語

（1）隨著礦渣砂摻量的增加，MS-3玄武巖纖維微表處混合料浸水1h和6d濕輪磨耗值、寬度變形率及車轍深度變形率均呈現先降低后升高的趨勢，從耐磨性、水穩定性及抗車轍能力等路用性能角度考慮，推薦礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂的合理摻量為20%；

（2）隨著礦渣砂摻量的增加，MS-3玄武巖纖維微表處混合料動穩定度試驗結果呈現先升高后降低的趨勢，且不同摻配比例礦渣砂的摻入，混合料試驗結果均優于未摻礦渣砂的，從高溫穩定性能角度考慮，礦渣砂等質量替代石灰巖機制砂的最佳摻量為30%。