杜順成，陳里加

(西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021)

玄武巖作為瀝青路面的理想選擇，在SMA瀝青路面的鋪筑中能很好滿足各項性能指標的要求，但是其成本相較其他集料高出很多，加之一些地區(qū)的限制因素，故有很多地區(qū)在實際施工過程中會選擇將部分的玄武巖用黏附性更好的石灰?guī)r來代替，以在確保施工質(zhì)量的基礎上，提高經(jīng)濟利用率。

關(guān)于瀝青混合料宜采用何種巖性集料，國內(nèi)外已經(jīng)展開了相關(guān)研究。文獻[1]通過對比實驗，表明石灰?guī)r與瀝青的黏附功比花崗巖與瀝青的小，同時石灰?guī)r混合料劈裂強度較大。文獻[2]通過石灰?guī)r和玄武巖料場的集料性能對比試驗，認為進行上面層石料選擇時，若無優(yōu)質(zhì)石料可以選用符合規(guī)范要求的石灰?guī)r集料進行替代。文獻[3]研究了不同地區(qū)玄武巖品質(zhì)，并對其路用性能進行了評價，研究結(jié)果表明不同地區(qū)的玄武巖雖然化學成分接近，但是由于礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，特別是受熱浸、蝕變的作用在巖石裂隙表面產(chǎn)生次生礦物，使瀝青膜很容易從骨料表面脫落，給瀝青路面帶來較大的質(zhì)量隱患。文獻[4]認為隨玄武巖碎石摻配比例的增加,石灰?guī)r與玄武巖混合粗集料的密度線性增長，吸水率、壓碎值、磨耗值線性下降，磨光值以摻入量50%為分界點分區(qū)間線性提高。文獻[5]利用鋼渣做粗集料，石灰?guī)r做細集料，試驗證明了鋼渣瀝青混合料有良好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。文獻[6]通過實驗分析，認為采用石灰?guī)r做粗集料較砂巖做粗集料時，SMA混合料的水穩(wěn)性和黏附性較好，高溫穩(wěn)定性和抗滑性能稍低。

考慮到堿性集料SMA規(guī)范中提到在沒有專用的細料破碎機生產(chǎn)的機制砂的情況下可用普通石灰?guī)r石屑代替石灰?guī)r，在SMA-13中2.36～4.75 mm檔石料用量較少，然而AC-13C在2.36～4.75 mm檔石料用量大于SMA-13，故選用更具代表性的AC-13C的上面層配合比進行試驗論證。

1 試驗巖性集料

對石灰?guī)r和玄武巖進行性能分析，各項指標見表1和表2。玄武巖的石料壓碎值、洛杉磯磨耗損失和細集料棱角性基本是石灰?guī)r的50%；玄武巖視密度略大于石灰?guī)r；石灰?guī)r的針片狀顆粒含量略大于玄武巖；石灰?guī)r的吸水率高出玄武巖約40%；粗集料骨架間隙率兩者近似相等。

表1 巖性集料檢測指標

表2 巖性集料檢測指標

據(jù)此可以得出玄武巖特性強于石灰?guī)r，在實踐過程中將玄武巖全部用石灰?guī)r代替顯然不合理，故而江浙地區(qū)只是將2.36～4.75 mm檔石料用石灰?guī)r替換，起骨架作用的大粒徑石料仍然選用玄武巖，其各方面指標還需進一步驗證。

2 AC-13C配合比設計

以杭新景高速實際所用配合比為主，依據(jù)實際集料篩分結(jié)果和規(guī)范要求(JTG F40-2004)，考慮試驗路段所在地區(qū)的實際氣候條件和地理環(huán)境，選取符合當?shù)靥卣鞯挠褪?，按不同標準級配制作馬歇爾試件，進行體積指標的檢測，從中選取最符合設計要求的級配作為本次設計所用級配。

2.1 AC-13C配合比設計

原材料中改性瀝青是由寧波愛思開寶盈瀝青倉儲有限公司生產(chǎn)的A級70號道路石油瀝青，上面層使用SBS改性瀝青，粗集料選用玄武巖，細集料選用經(jīng)過人工軋制而成的石灰?guī)r，礦粉選用石灰?guī)r，其性能指標均符合規(guī)范技術(shù)要求。依據(jù)石料篩分結(jié)果和規(guī)范要求(JTG F40-2004)，初選級配礦料配合比組成1#倉29%、2#倉29%、3#倉9%、4#倉31%、礦粉2%。因為AC-13配合比設計在此不是重點內(nèi)容，故不做過多介紹。重點在兩種米砂的混合料性能對比分析。對施工單位送樣的原材料進行各項試驗檢驗后，得到各種礦料所占比例為1#倉29%、2#倉29%、3#倉9%、4#倉31%、礦粉2%。所選用礦料油石比4.9%，毛體積相對密度2.526 g·cm-3，孔隙率4.4%，最大理論相對密度2.632 g·cm-3，結(jié)果符合試驗要求，同時經(jīng)過驗證各項指標也均滿足規(guī)范要求。

2.2 生產(chǎn)配比

依據(jù)目標配合比設計，結(jié)合送檢樣品的篩分實驗結(jié)果，進行生產(chǎn)配合比組合設計，經(jīng)過室內(nèi)馬歇爾成型試驗，最終確定每一個熱倉料以及同該熱倉料相對應的礦粉質(zhì)量比為1#倉∶2#倉∶3#倉∶4#倉∶礦粉=30.0%∶9.0%∶31.0%∶27.0%∶3.0%。依據(jù)確定礦料級配類型，確定礦料級配。其試驗所得結(jié)果如圖1所示。

目前按照我國規(guī)范，關(guān)于生產(chǎn)級配配合比的設計與施工過程的要求，以目標配合比為依據(jù)，選擇三種不同比值的油石比進行調(diào)試，進而得到最佳油石比。即分別采用三個不同的油石比(4.6%、4.9%、5.2%)進行試驗，其結(jié)果見表3。

圖1 生產(chǎn)配合比礦料級配組合設計

表3 不同油石比馬歇爾試驗分析

注：*要求空隙率 3～6 所對應的瀝青混合料試件的礦料間隙率最小值分別為 13～16，當空隙率不是整數(shù)時，由內(nèi)插確定要求的瀝青混合料試件的礦料間隙率最小值。

依據(jù)表3進行分析，選定油石比為4.9%，礦料比例為1#倉∶2#倉∶3#倉∶4#倉∶礦粉=30.0%∶9.0%∶31.0%∶27.0%∶3.0%，相對應的瀝青混合料性質(zhì)為瀝青混合料中有效瀝青用量(Pbe)是4.052%、有效瀝青的體積百分率(Vbe)是9.928%、礦料的體積百分率(Vg)是86.073%、瀝青膜有效厚度(DA)是7.300 μm、粉膠比(FB)是1.481、試件毛體積相對密度是2.521 g·cm-3、計算理論最大相對密度是2.626 g·cm-3、空隙率(VV)是4.0%，在3.5%～5.5%范圍中，礦料間隙率(VMA)是14.0%≥14.0%，飽和度(VFA)是71.4%在65%～75%范圍中，穩(wěn)定度(MS)是13.76 kN≥8 kN，流值(FL)是33.5在20～40范圍中。滿足試驗要求。

2.3 瀝青混合料的性能試驗

瀝青混合料使用性能指標主要通過浸水馬歇爾試驗、動穩(wěn)定度試驗和滲水試驗三項試驗進行檢驗，且應在選定的最佳石油比為條件下進行。試驗結(jié)果為AC-13C殘留穩(wěn)定度為87.1，動穩(wěn)定度為3 525 次·mm-1，滲水系數(shù)為45.0 mL·min-1，均在要求范圍內(nèi)。因此，該瀝青混合料的性能指標符合試驗要求，據(jù)此確定配比科學合理。

2.4 設計結(jié)果

AC-13C生產(chǎn)配合比設計結(jié)果：礦料配合比組成1#倉29%、2#倉29%、3#倉9%、4#倉30%、礦粉3%，油石比4.9%。由試驗和計算所得其毛體積密度2.521 g·cm-3；最大理論密度2.626 g·cm-3；孔隙率4%。與此同時，對混合料級配進行調(diào)試，經(jīng)過試驗驗證，證明選擇SBS改性瀝青所設計的AC-13C瀝青混合料抗水損能力以及高溫穩(wěn)定性等性能均滿足要求。

3 AC-13C對比驗證組試驗分析

3.1 對比組的選用

A組為杭新景高速實際采用材料增加對比組(粒徑2.36～4.75 mm的石灰?guī)r代替玄武巖)；B組為試驗組(所有粒徑石料均為玄武巖)。研究兩組集料的特性對壓實瀝青混合料體積參數(shù)的影響，因此兩組試驗要保證近似的體積指標。考慮到玄武巖和石灰?guī)r的特性，在實驗室里進行多次驗證，根據(jù)試驗結(jié)果A組礦料配合比組成1#倉29%、2#倉29%、3#倉9%、4#倉30%、礦粉3%，油石比4.9%。根據(jù)試驗結(jié)果B組采用級配礦料配合比組成1#倉29%、2#倉29%、3#倉9%、4#倉31%、礦粉2%。油石比采用4.8%。

3.2 對比組的體積指標對比

研究兩組集料的特性對壓實瀝青混合料體積參數(shù)的影響，因此這里兩組試驗為保證近似的體積指標均是在相同級配、且考慮到石灰?guī)r吸水性略大，根據(jù)試驗結(jié)果A組采用4.9油石比B組采用5.0油石比。瀝青混合料體積性質(zhì)指標見表4。

表4 瀝青混合料體積性質(zhì)指標

A、B兩組瀝青混合料的各項指標均滿足其對應的性能技術(shù)指標要求，其試件毛體積相對密度與計算理論最大相對密度較為接近，其余體積指標也十分接近，可以認為他們有近似的體積指標。

在確保其初始狀態(tài)近似的情況下，通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、高溫穩(wěn)定性檢驗和低溫抗裂性能檢驗反映出A、B兩組在各方面性能的差異，即反映出替換石料的不同性能和替換的可行性。

從浸水馬歇爾試驗數(shù)據(jù)得出，A組殘留穩(wěn)定度指標為87.5%，而B組為86.5%，在近似的體積指標的前提下，A組(替換組)相較于B組有更好的殘留動穩(wěn)定度；從凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)得出，在體積指標相似的前提下，A組殘留劈裂強度比為83.2%，而B組為81.7%，A組略優(yōu)于B組；從高溫穩(wěn)定性檢驗數(shù)據(jù)得出，A組平均動穩(wěn)定度為3 214次·mm-1，B組平均動穩(wěn)定度為3 361次·mm-1，B組僅優(yōu)于A組4.6%，兩組數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求且相差不大；從低溫抗裂性能檢驗數(shù)據(jù)得出，A組破壞應變?yōu)? 648.3，B組破壞應變?yōu)? 672.5，B組僅比A組高0.9%，兩組數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求且相差不大。

在水穩(wěn)定性試驗及浸水馬歇爾試驗中，A組(替換組)相較于B組展現(xiàn)了良好的性能。在高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性試驗中，A組(替換組)雖不及B組，但試驗結(jié)果均達到規(guī)范要求。故認為替換是可行的。

圖2 A、B組馬歇爾試件對比

由圖2可以看出，左圖為石灰?guī)r替換組。其白色石粒明顯多于右圖(B組)，這是取決于石灰?guī)r的特性。從骨料壓碎和骨架形成情況來看，兩組均具有較合理的截面。

4 試驗段檢測指標對比結(jié)果及分析

在杭新景高速的AC-13C試驗段中采用石灰?guī)r替換玄武巖(2.36～4.75 mm)，利用合理的施工機具，遵守施工流程，滿足各項要求指標，具體采用米砂相對使用比例較高的AC-13C級配進行試驗段(2.36～4.75 mm石灰?guī)r)鋪設，在攤鋪結(jié)束后對試驗段路面各項性能進行檢驗，具體實驗數(shù)據(jù)如下：

1) 從現(xiàn)場實際攤鋪情況來看，前4車混合料攤鋪為生產(chǎn)級配1，抽提油石比4.92%；后2車混合料攤鋪為生產(chǎn)級配2，抽提結(jié)果4.88%。試驗段抽提篩分結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明：兩種配比所得的油石比和最大理論密度相同。兩種抽提級配的篩孔通過率和原級配關(guān)鍵篩孔的通過率(100.0、95.4、71.7、47.0、29.9、21.8、14.6、11.3、8.5、6.0)相差不大。證明從配料攤鋪到整個施工過程中的合理性和替換的可行性。之后將兩者進行級配調(diào)整，油石比調(diào)整為4.9%與最大理論密度為2.626 g·cm-3，兩種配比所得的油石比和最大理論密度相同，符合要求。

圖3 試驗段抽提篩分結(jié)果

2) 對試驗路段現(xiàn)場取料進行馬歇爾試驗，兩種生產(chǎn)級配試鋪段試驗結(jié)果見表5。結(jié)果表明：在控制油石比4.9%，兩組最大理論相對密度一致，其余指標差別不大且均符合要求。對兩段試驗路段的壓實度數(shù)據(jù)進行對比見表6。結(jié)果表明：兩組最大理論相對密度一致，而且毛體積相對密度、壓實度和孔隙率差別不大。

3) 對試驗路段進行滲水試驗，取樣路段滿足規(guī)范的要求，且芯樣的滲水系數(shù)符合技術(shù)指標,從K158+810 左6 m到K158+890左4 m范圍內(nèi)，只在K158+850左1 m處出現(xiàn)60 mL·min-1的滲水，其余基本不滲。從K158+920左8 m到K159+000左9 m范圍內(nèi)，只在K158+940左1 m處出現(xiàn)75 mL·min-1的滲水，其余基本不滲。故可表明路面滲水合格。

施工級配允許波動范圍：瀝青混合料的礦料級配必須符合設計規(guī)范所規(guī)定的級配的范圍；瀝青混合料的級配和生產(chǎn)級配的標準應該在一定的波動范圍內(nèi)。該被允許的誤差在0.075 mm時誤差范圍為2%；在小于等于2.36 mm時誤差范圍為4%；在4.75 mm時誤差范圍為5%。

考慮到取料的代表性與均勻性，設計生產(chǎn)級配1和2并非完全符合上述兩點要求。建議施工過程中(尤其是生產(chǎn)不穩(wěn)時)，定期放熱料復核級配；同時應排查拌和設備。

綜上所述，選用2.36～4.75 mm石灰?guī)r代替的AC-13C試驗段各項指標均能達到規(guī)范要求，并且以前也有專家論證過少量的石灰?guī)r對集料與瀝青的黏附性提升有很大幫助，綜合多方面因素及實驗結(jié)果,AC-13C配比的替換結(jié)果得到肯定。

表5 4.9%油石比試鋪段馬歇爾試驗結(jié)果

表6 試鋪段壓實度分析

注：壓實度為芯樣毛體積密度與室內(nèi)馬歇爾試件密度的比值，現(xiàn)場取芯壓實度應不小于98%。

5 結(jié) 論

1) A、B兩組從浸水馬歇爾試驗數(shù)據(jù)得出，A組殘留穩(wěn)定度優(yōu)于B組1.2%；從凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)得出，A組殘留劈裂強度比較于B組高出1.8%；從高溫穩(wěn)定性檢驗數(shù)據(jù)得出，B組平均動穩(wěn)定度僅優(yōu)于A組4.6%，兩組數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求且相差不大；從低溫抗裂性能檢驗數(shù)據(jù)得出，B組破壞應變僅比A組高0.9%，兩組數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求且相差不大。又考慮到石灰?guī)r與瀝青的黏附性較好，以及江浙地區(qū)的氣候因素，故2.36～4.75 mm石料用石灰?guī)r代替是可行的。

2) 依據(jù)SMA替換規(guī)范可知，SMA中米砂檔石料用量較小，由此做對比試驗效果不太明顯，加之米砂檔替換的做法在江浙地區(qū)是普遍存在于多項配比設計中的，故本文驗證AC-13C石料在2.36～4.75 mm檔替換的可行性。

3) 基于實驗室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場攤鋪結(jié)果，表明AC-13試驗段鋪設各方面指標在合理范圍之內(nèi)，進一步證明在2.36～4.75 mm檔用石灰?guī)r替換玄武巖的可行性。由于石灰?guī)r硬度不及玄武巖，過高配比石灰?guī)r必定會導致路面失穩(wěn)，故摻入臨界值還需繼續(xù)研究。