□文/滕川 李源淵

集料性質(zhì)對(duì)瀝青混凝土路面性能的影響

□文/滕川 李源淵

將集料性質(zhì)分為物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及機(jī)械力學(xué)性質(zhì)3類并分析闡述了上述3種性質(zhì)對(duì)瀝青混凝土路面性能的影響。分析表明：永久變形主要由集料的級(jí)配、形狀、耐久性及韌性決定；疲勞性能主要受集料的耐久性、硬度及韌性的影響；低溫開裂性能似乎主要受結(jié)合料粘度的影響；水損害主要受集料的化學(xué)組成、可溶性及表面電荷的影響。

道路工程；集料性質(zhì)；路面性能

集料作為瀝青混合料的重要原材料組成部分，其品質(zhì)、性能、性質(zhì)等各方面的特性都會(huì)對(duì)瀝青混合料有或大或小的影響，從而影響瀝青混凝土路面整體性能。本文從物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及機(jī)械力學(xué)性質(zhì)3個(gè)方面對(duì)集料特性進(jìn)行分析并研究集料不同性質(zhì)與瀝青混合料性能之間的關(guān)系，從而探究集料性質(zhì)對(duì)瀝青混凝土路面性能的影響，指導(dǎo)集料科學(xué)控制和應(yīng)用。

1　集料性質(zhì)

集料的性質(zhì)有形狀、表面構(gòu)造、吸水性、密度、結(jié)晶構(gòu)造、級(jí)配、組成、溶解性、表面電荷、強(qiáng)度、耐久性、韌性、硬度等[1～2]。基于研究目的，將上述集料性質(zhì)分為3類：物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及機(jī)械力學(xué)性質(zhì)。物理性質(zhì)是指顯示與巖石實(shí)體體積有關(guān)的性質(zhì)?；瘜W(xué)性質(zhì)是指決定集料如何與其他材料相互作用的性質(zhì)。機(jī)械力學(xué)性質(zhì)是指決定巖石強(qiáng)度與韌性的一些性質(zhì)。

上述集料表征性質(zhì)有的受人工控制，有的受天然控制。其中吸水性、密度及強(qiáng)度既受人工控制，又受天然控制，這是因?yàn)樵谕粠r層中，巖石的性質(zhì)在成層時(shí)就已形成，當(dāng)?shù)貙佑邢喈?dāng)大的厚度時(shí)，采石工作只在此地層中進(jìn)行，集料性質(zhì)受天然控制；有時(shí)由于地層太薄，采石工作同時(shí)在幾個(gè)地層之中進(jìn)行，此時(shí)所采的巖石又集中不同的性質(zhì)。由此可以通過改變工藝來控制最終產(chǎn)品的性質(zhì)，但并不意味著巖石基本性質(zhì)的改變，只是在工作過程中，從采石場運(yùn)來的石料混在一起，通過最佳配比生產(chǎn)出符合要求的集料。另外在處理過程中要清除易風(fēng)化的巖石，以免影響產(chǎn)品質(zhì)量。集料的分類及性質(zhì)控制方式見表1。

表1　集料分類及性質(zhì)控制方式

2　物理性質(zhì)

集料的物理性質(zhì)是集料最常用的性質(zhì)，這些性質(zhì)中有人工控制，如級(jí)配；天然控制，如密度等[3～4]。

2.1集料形狀

形狀是指集料的棱角性，受巖石種類及集料加工方法所制約。粗粒花崗巖，細(xì)粒石灰?guī)r及白云巖可軋制成塊狀多棱角的集料。節(jié)理發(fā)育的巖石如片麻巖，可軋制出塊狀或扁平狀的集料。未經(jīng)處理的砂，卵石等通常情況下其顆粒是圓形的。

破碎的形式及速度也影響集料的形狀。像花崗巖等堅(jiān)硬巖石一般用顎式破碎機(jī)破碎。顎式破碎機(jī)一般用于將采石場的爆堆進(jìn)行粗碎，以消除特別大的塊石。旋回破碎機(jī)也用于粗碎，其產(chǎn)量高但生產(chǎn)的細(xì)集料太多，圓錐破碎機(jī)用于對(duì)集料進(jìn)行粗碎或細(xì)碎。在使用圓錐破碎機(jī)或回旋破碎機(jī)時(shí)，由于某些巖石的結(jié)晶構(gòu)造而使其破碎后扁平狀集料含量增加，對(duì)此集料可采用沖擊式破碎機(jī)，但它的產(chǎn)量比較小。

集料形狀對(duì)路面永久變形影響巨大，研究顯示在交通荷載作用下多棱角集料能夠極大減小路面的變形，研究也表明在最佳瀝青用量下，高溫時(shí)，用多棱角集料做成的混合料其變形是相當(dāng)少的[5]。

集料的形狀也影響到瀝青路面的疲勞性能，正如多棱角集料能提高瀝青混合料的硬度一樣，它也能提高混合料的抗疲勞性能。

集料的形狀也影響到瀝青路面的低溫抗裂性能，但實(shí)際上瀝青與集料的粘附性與低溫開裂的關(guān)系更為密切。圓形的礫石似乎能夠使瀝青混凝土更具塑性而減小低溫開裂。但試驗(yàn)路顯示對(duì)于密實(shí)型混合料，用全部軋制的石料具有更好的低溫抗裂性。

水損害與集料形狀的關(guān)系不如與集料表面化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系密切。由于瀝青混合料中使用多棱角集料可以提高其整體抗拉強(qiáng)度，因此抗水損害的能力也就能通過殘留抗拉強(qiáng)度來衡量。

2.2表面構(gòu)造

表面構(gòu)造對(duì)路用性能的影響不是很大，主要影響粘附性，粘附性主要影響疲勞、永久變形，它與水穩(wěn)性最為密切。

2.3吸水性

吸水性是指集料將水或?yàn)r青吸入集料空隙的能力。一般的講，吸附瀝青的數(shù)量是吸水量的40%～60%。

吸水性似乎不直接影響永久變形，研究顯示有4%～6%吸水率的集料與吸水率＜1%的集料對(duì)瀝青的敏感程度是不一樣的。用高吸水率的集料的危險(xiǎn)性在于不是按有效瀝青含量設(shè)計(jì)：一方面可能因?yàn)榛旌狭显谶\(yùn)輸和養(yǎng)生過程中要吸收瀝青導(dǎo)致設(shè)計(jì)瀝青含量過高而造成車轍；另一方面，因擔(dān)心瀝青用量過多而減少瀝青用量，又會(huì)造成混合料的松散。

疲勞與瀝青的吸水性也有一些關(guān)系，多孔集料有更多的表面給與瀝青結(jié)合，因此可以增加粘附性。

吸水率高的集料所生產(chǎn)的混合料其水穩(wěn)性較吸水率低的集料所作的混合料水穩(wěn)性似乎要好。這是由于多孔集料與瀝青的作用面積大，吸附能力強(qiáng)，因此更多的瀝青被嵌入集料空隙之中，完全占據(jù)了空隙。所以在真空飽水或其他條件下，水就不可能進(jìn)入瀝青與集料界面將瀝青膜剝離。吸水性影響瀝青含量，一個(gè)正確的瀝青混合料設(shè)計(jì)，吸水性對(duì)混合料的影響很小。

2.4密度

集料密度與路用性能的關(guān)系并不密切，但對(duì)路用性能的間接影響卻具有極重要的作用。大部分級(jí)配規(guī)范的單位是質(zhì)量，應(yīng)用不同密度的集料，如不考慮其體積不同，將影響到混合料中的瀝青含量，進(jìn)而影響到永久變形、疲勞壽命、高低溫穩(wěn)定性等性能。密度大的集料在一定質(zhì)量下所占的體積小，這就意味著將輕集料換成密度較大的集料，會(huì)形成一種類似于開級(jí)配的混合料，雖然其篩分結(jié)果符合要求。

密度有時(shí)也是評(píng)定集料質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，易風(fēng)化的巖石一般質(zhì)量較小，但對(duì)不同級(jí)別的巖石，對(duì)其性能的評(píng)價(jià)密度用的很少。

2.5結(jié)晶構(gòu)造

集料的結(jié)晶構(gòu)造也確認(rèn)與路面的變形關(guān)系不大，集料的結(jié)晶構(gòu)造或其晶體尺寸大小對(duì)其疲勞壽命和水穩(wěn)性影響最大。從材料科學(xué)可以知道，尺寸大的晶體其強(qiáng)度較尺寸小的晶體大。但如將其結(jié)合起來，由于晶體尺寸大，在兩個(gè)大顆粒之間的結(jié)合力不如小晶體之間的結(jié)合力，所以按照強(qiáng)度和疲勞性質(zhì)來說，有小顆粒晶體組成的集料，其疲勞性能和強(qiáng)度要好。晶體結(jié)構(gòu)與水損害似乎也有一定的關(guān)系，這是由于它可能影響到瀝青是如何被吸收到晶體表面上的，但確切的機(jī)理至今尚無定論。

2.6級(jí)配

在集料的物理性質(zhì)中，對(duì)路用性能起決定作用的是級(jí)配。級(jí)配對(duì)永久變形來說是一個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng)n次冪級(jí)配曲線中n取0.45時(shí)，專家們一致認(rèn)為此時(shí)混合料比較脆弱，容易在荷載作用下產(chǎn)生車轍。級(jí)配的另一個(gè)重要影響是疲勞壽命，密級(jí)配混合料強(qiáng)度較高且抗疲勞性能較好，此性能隨著礦粉的加入更加增強(qiáng)。礦粉用量由集料最大粒徑及空隙率決定?；旌狭现凶畲罅匠叽缭酱?，可容納的礦粉就越多。這是因?yàn)樵诘湫偷拿鎸踊旌狭现?，集料之間的空隙很小，作為礦物填料，礦粉一部分用作瀝青的添加劑，另一部分實(shí)際上分布在粗集料的表面上，對(duì)混合料起到了潤滑作用。用軋制的集料但不適當(dāng)?shù)募?jí)配組成的混合料與完全用砂類組成的混合料車轍是同樣容易形成的。修筑的多個(gè)試驗(yàn)路同樣也證實(shí)采石場用不同粒徑的石料修筑他們的運(yùn)輸?shù)缆肥敲髦侵e。很早以前在農(nóng)村時(shí)，大粒徑的石料就用來修筑灌漿碎石路，這樣容易抵抗剪切力。級(jí)配對(duì)混合料的影響首先與混合料的空隙率有關(guān)。低空隙率的密級(jí)配混合料其水穩(wěn)性比O GFC要好，但太低的空隙率將使混合料的高溫穩(wěn)定性變差。

3　化學(xué)性質(zhì)

本文討論的化學(xué)性質(zhì)包括集料的化學(xué)組成、溶解性及表面電荷。按照這些性質(zhì)與路用性能的關(guān)系，集料的化學(xué)組成對(duì)水損害影響最大。研究表明集料產(chǎn)地不同，其混合料的抗拉強(qiáng)度也不同。這是因?yàn)橥患?jí)配、同一瀝青、不同礦料組成的混合料，其l ottm an試驗(yàn)結(jié)果的差異其實(shí)可以解釋為由于集料的化學(xué)組成及礦物組成的差異所致。集料的不同礦物組成將導(dǎo)致集料與瀝青產(chǎn)生不同的物理化學(xué)反應(yīng)，同樣的結(jié)果在抗壓強(qiáng)度上也有表現(xiàn)。溶解性不是太大的問題，除非是在酸、堿環(huán)境中才要注意。

集料的表面電荷極為重要。乳膠工業(yè)的工作者造就認(rèn)識(shí)到表面電荷與結(jié)合料之間的關(guān)系；而且在認(rèn)識(shí)表面電荷時(shí)，要將新軋制的石料的表面電荷與舊石料的表面電荷加以比較。新軋制的碎石其表面雙電層比舊石料的表面雙電層要強(qiáng)且電荷性質(zhì)可能也不一樣，這對(duì)石灰?guī)r特別明顯。用舊石灰?guī)r制作的混合料憎水而用新軋制的石灰?guī)r制作的混合料親水。這種情況可在試驗(yàn)室水穩(wěn)性試驗(yàn)中觀察到。當(dāng)新軋制的石料過3～6月后作混合料，其水穩(wěn)性與舊集料制作的混合料區(qū)別不大。但用新軋制的石灰?guī)r鋪筑的道路取樣后在試驗(yàn)室做出的水穩(wěn)性結(jié)果卻不盡如人意。如此可以相信，集料的老化有助于消除其表面雙電層，而且消除這些濃密的雙電層可以在料堆上澆水來人工老化集料。

4　機(jī)械力學(xué)性質(zhì)

集料自身強(qiáng)度和硬度除可能與疲勞破壞有關(guān)外，與其他路面性能關(guān)系不大。而且測(cè)試耐久性的試驗(yàn)結(jié)果與路用性能關(guān)系不大。用來檢驗(yàn)集料質(zhì)量的廣泛使用的L.A摩擦試驗(yàn)并不是一種明確界定集料耐久性的理想方法。耐久性和硬度試驗(yàn)有時(shí)用于檢測(cè)集料的質(zhì)量。但用來檢測(cè)工程性能似乎更合適，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)疲勞等。

在試驗(yàn)室開展了一項(xiàng)研究，旨在解釋凍融循環(huán)對(duì)低磨損率和高磨損率集料的影響，試驗(yàn)顯示在凍融循環(huán)10次后，高磨損率集料與低磨損率集料所制成的混合料其殘留抗拉強(qiáng)度比區(qū)別并不大。按照抗拉強(qiáng)度比，最大的區(qū)別是加入熟石灰和液體抗剝落劑后混合料殘留強(qiáng)度比有區(qū)別。同樣的試驗(yàn)路段研究顯示L.A磨損率與路用性能無關(guān)。

5　結(jié)論

1）永久變形主要由集料的級(jí)配、形狀、耐久性及韌性決定。

2）路面疲勞性能主要受集料的耐久性、硬度及韌性的影響，非常堅(jiān)韌的集料其抗疲勞性能也好，路面壽命也長。

3）路面低溫裂縫似乎主要受結(jié)合料粘度的影響，所以在大部分的情況下，他受集料性質(zhì)影響很小。但結(jié)合料的粘度卻受集料中礦粉的影響，因此集料間接影響了低溫抗裂性能。由研究表明，如果混合料中的礦粉含量增加到10%，則混合料強(qiáng)度提高，開裂溫度降低，因此增加了抗低溫裂縫的能力。

4）路面的水損害主要受集料的化學(xué)組成、可溶性及表面電荷的影響；其次受級(jí)配、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)及吸水性所制約。

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[2]陳國明.瀝青混合料中粗集料表面物理特性的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

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□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.024

□李源淵/天津市市政工程研究院。

□U416.217

□1008-3197（2015）03-62-03

□2015-01-15

□滕川/女，1962年出生，高級(jí)工程師，天津市市政工程研究院，從事工程技術(shù)管理工作。