李菁若 ，譚巍 ，羅忠祥 ，馬瑾

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.云南龍瑞高速公路建設(shè)指揮部，云南 昆明 650200）

0 引言

集料作為瀝青路面抗滑表層混合料的主要材料，占混合料總質(zhì)量的89%左右（AC級(jí)配）或者85%左右（SMA級(jí)配），其抗滑耐磨的技術(shù)性質(zhì)直接影響了抗滑表層的功能作用[1-3]。相關(guān)研究[4]表明，集料特性對(duì)瀝青混合料抗滑耐磨性能存在影響，其中集料磨光值、磨耗值以及壓碎值對(duì)混合料抗滑耐磨性能的相關(guān)性以及權(quán)重較大，因此被稱之為抗滑表層集料選擇階段預(yù)測(cè)混合料抗滑性能的集料抗滑耐磨技術(shù)指標(biāo)。徐宏[5]研究了江蘇省內(nèi)石灰?guī)r集料的技術(shù)性質(zhì)，并在磨耗值、壓碎值等技術(shù)指標(biāo)合格的基礎(chǔ)上，根據(jù)集料磨光值的大小評(píng)判石灰?guī)r用于抗滑表層的可行性。研究表明，磨光值滿足要求的石灰?guī)r集料可用于干線公路瀝青抗滑表層，磨光值處于35～42的石灰?guī)r集料可用于中等或輕交通量等級(jí)公路的瀝青抗滑表層。吳大鴻[6]認(rèn)為，硅質(zhì)碳酸鹽巖具有較好的抗磨光性能，適宜用作高等級(jí)路面抗滑表層集料。張輝和張玉斌[7]在對(duì)安徽省瀝青路用粗集料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究中，主要將集料磨光值、磨耗值以及壓碎值作為抗滑表層粗集料選用的控制指標(biāo)。

目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)手段表征集料的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)抗滑性能。本文采取自主研發(fā)的“集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀”[8]，自動(dòng)化測(cè)試集料的動(dòng)態(tài)抗滑性能及其變化規(guī)律，通過測(cè)試不同地區(qū)、不同巖性的集料（包括玄武巖、花崗巖、輝綠巖、石灰?guī)r）及其互摻集料的壓碎值、磨耗值、磨光值、礦物組成、動(dòng)態(tài)抗滑性能，給出抗滑表層用石灰?guī)r集料的篩選技術(shù)，為石灰?guī)r分布廣、儲(chǔ)量豐富地區(qū)的瀝青路面抗滑表層建設(shè)推薦出石灰?guī)r集料的甄選技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)。

1 石灰?guī)r碎石的力學(xué)性能

目前，在瀝青混合料集料選材階段，磨光值是評(píng)價(jià)其抗滑性能的主要指標(biāo)，但抗滑性能實(shí)際上與集料的壓碎值、磨耗值、堅(jiān)固性、沖擊值等指標(biāo)也存在密切關(guān)系。而對(duì)瀝青路面抗滑性能影響權(quán)重較大的為集料磨光值、磨耗值與壓碎值[4，8]。不同巖性粗集料的磨光值、磨耗值與壓碎值如表1所示。

表1 不同巖性粗集料的抗滑耐磨性能

從表1可知，石灰?guī)r集料的抗滑耐磨性能弱于玄武巖、花崗巖與輝綠巖硬質(zhì)集料。為了提高石灰?guī)r集料的利用率，研究其與硬質(zhì)集料互摻后的抗滑耐磨性能。不同試驗(yàn)條件下玄武巖與石灰?guī)r互摻粗集料的磨光值、磨耗值與壓碎值試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，現(xiàn)行規(guī)范JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)狀態(tài)下，粗集料的抗滑耐磨性能實(shí)測(cè)值與計(jì)算值（按玄武巖與石灰?guī)r互摻比例計(jì)算）的差異如表3所示。

表2 玄武巖與石灰?guī)r互摻粗集料的抗滑耐磨性能

表3 粗集料的抗滑耐磨性能實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的差異

從表2與表3可知，玄武巖與石灰?guī)r按比例互摻集料或者單一集料的抗壓碎性能與終壓荷載之間、耐磨耗性能與轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)之間均存在良好的線性相關(guān)性；互摻集料的壓碎值、磨耗值、磨光值均與其互摻比例之間存在良好的線性相關(guān)性，且偏于各自性能較弱的集料。在現(xiàn)行規(guī)范試驗(yàn)狀態(tài)下，壓碎值的最大偏差為+1.6個(gè)百分點(diǎn)，磨耗值的最大偏差為+1.5個(gè)百分點(diǎn)，磨光值的最大偏差為-2.7，因此在已知石灰?guī)r、玄武巖單一集料的壓碎值、磨耗值與磨光值前提下，采用內(nèi)插法能夠預(yù)測(cè)出不同比例下互摻集料的壓碎值、磨耗值與磨光值。石灰?guī)r中摻入少量的玄武巖，其抗滑耐磨性能有所提高，因此在玄武巖、花崗巖或者輝綠巖等硬質(zhì)石料稀缺且單一石灰?guī)r技術(shù)不滿足要求時(shí)，可通過集料互摻技術(shù)提高集料抗滑耐磨性能，實(shí)現(xiàn)降低工程造價(jià)的目的。

2 石灰?guī)r碎石的礦物組成

采用X射線衍射定量檢測(cè)方法檢測(cè)石灰?guī)r粉末、玄武巖粉末的礦物組成。測(cè)試條件：Cu靶、Kα輻射，λ約為1.54×10-10m，電壓為 40 kV，電流為 40 mA；掃描角度 2θ為 3°～45°，掃描速率為2°/min，步長(zhǎng)為0.02°；溫度為25.6℃、相對(duì)濕度為46%。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同巖石的礦物組成

從表4可知：

（1）石灰?guī)r中方解石與白云石含量總和占據(jù)優(yōu)勢(shì)，為74.2%～100%；除芒允石灰?guī)r主要含白云石外，其余均是方解石居多，白云石次之（含量61.7%～80.8%）；玄武巖中石英與斜長(zhǎng)石含量之和為90.0%。

（2）石英、方解石、白云石的莫氏硬度分別為7、3、4，故方解石抵抗機(jī)械作用力的能力相對(duì)較弱。在石灰?guī)r中，戶勒石灰?guī)r的石英含量最大，其單軸抗壓強(qiáng)度也最高，說明石灰?guī)r中石英含量越大，巖石強(qiáng)度越高。同樣，白云石含量越大，其巖石強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

（3）TCCM是指黏土礦物含量，黏土礦物是一些含鋁、鎂等為主的含水硅酸鹽礦物，具有比表面積大、水化膨脹性、結(jié)構(gòu)或晶格穩(wěn)定性差等特點(diǎn)。鍋蓋山石灰?guī)r的黏土礦物含量最大，為10.8%，且其石英、白云石含量也很少，故鍋蓋山石灰?guī)r巖石單軸抗壓強(qiáng)度低，且其集料具有較大的壓碎值、磨耗值、堅(jiān)固性損失率、吸水率，較小的磨光值、密度。因此，石灰?guī)r中如含有大量的黏土物質(zhì)，而石英、白云石含量較少者，其巖石單軸抗壓強(qiáng)度低，且集料一般具有較大的壓碎值、磨耗值、堅(jiān)固性損失率、吸水率，較小的磨光值、密度。

綜上，確定了利用礦物組成篩選石灰?guī)r的原則：首先選擇白云石和石英含量較多的石灰?guī)r，其次選擇方解石含量相對(duì)較少的石灰?guī)r，再次選擇黏土礦物含量要少，甚至為0的石灰?guī)r。

3 石灰?guī)r碎石的動(dòng)態(tài)抗滑性能

目前國內(nèi)外尚無集料的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)抗滑性能表征測(cè)試儀器與評(píng)價(jià)方法，本文采用自主研發(fā)的“集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀”[8]測(cè)試集料的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)抗滑性能。集料板試件（300 mm×150 mm×50 mm）如圖1所示，長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)抗滑性能變化曲線如圖2所示。

圖1 抗滑集料板示意

圖2 各種巖性集料板的抗滑性能曲線

從圖2可知，各種巖性集料板在磨光磨耗5 h后，抗滑耐磨性能衰減均處于穩(wěn)定下降階段，均以勻速率線性下降的方式衰減。此時(shí)，集料的抗滑耐磨性能可以根據(jù)衰減速率△Dμ和Dμ試驗(yàn)終進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。如果此時(shí)能夠提出一個(gè)Dμ集-臨，那么同等試驗(yàn)條件下，動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ試驗(yàn)終＜Dμ集-臨時(shí)，則該集料不滿足抗滑性能的基本要求，不能用于瀝青路面抗滑表層。根據(jù)Dμ集-臨可以篩選出適用于高等級(jí)公路不同氣候分區(qū)瀝青路面抗滑表層的優(yōu)質(zhì)集料。

集料的Dμ集-臨值可以通過將不同集料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的Dμ試驗(yàn)終與其磨光值進(jìn)行相關(guān)性分析確定。表5給出了各種集料的Dμ試驗(yàn)終（時(shí)間為5 h）及對(duì)應(yīng)的磨光值，圖3給出了二者的線性回歸曲線。

表5 不同巖性集料的磨光值與衰減終值

圖3 不同巖性集料的磨光值與衰減終值線性回歸曲線

由表5可知，云南芒允石灰?guī)r、興磊石灰?guī)r、戶勒石灰?guī)r以及用于對(duì)比分析的玄武巖、花崗巖、輝綠巖等集料板的磨光值均大于42，抗滑性能滿足高等級(jí)抗滑表層用料要求。

根據(jù)圖3可知，當(dāng)磨光值為42時(shí)，5 h衰減終值為0.46，當(dāng)試驗(yàn)5 h的Dμ試驗(yàn)終＜0.46時(shí)，相當(dāng)于集料的磨光值＜42。由此可以確定潮濕區(qū)的Dμ集-臨值為0.46。同理，其他氣候分區(qū)也可按該方法確定Dμ集-臨值。經(jīng)計(jì)算，濕潤區(qū)、半干區(qū)、干旱區(qū)的 Dμ集-臨值分別為 0.42、0.37、0.32。

4 結(jié) 論

通過試驗(yàn)研究提出了公路工程建設(shè)過程中甄選與推廣石灰?guī)r碎石的推薦方法與步驟：

（1）根據(jù)集料的礦物組成，按照以下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)初選石灰?guī)r：①石灰?guī)r中白云石、石英含量盡可能多；②方解石含量相對(duì)較少；③盡可能不含黏土礦物。

（2）根據(jù)集料磨光值、壓碎值、磨耗值及其集料互摻后的性能變化規(guī)律，優(yōu)選出抗滑耐磨性能優(yōu)異的集料或確定互摻集料種類及其相對(duì)比例。

（3）基于自研儀器“集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀”測(cè)試不同巖性或互摻集料板的動(dòng)態(tài)抗滑性能，分析長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)抗滑性能衰減速率ΔDμ與衰減終值Dμ試驗(yàn)終綜合指標(biāo)，判斷Dμ試驗(yàn)終與Dμ集-臨的關(guān)系，優(yōu)選出具有較好的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)抗滑性能的集料。

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