李廣科

(中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119)

0 引 言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，中國(guó)對(duì)建筑材料的需求越來(lái)越大。在大規(guī)模的公路建設(shè)過(guò)程中，為了追求瀝青混凝土路面的質(zhì)量，大多數(shù)地區(qū)和建設(shè)單位片面地要求中下面層瀝青混合料中采用石灰?guī)r集料，而對(duì)所在區(qū)域的地材資源“視而不見”。而中國(guó)石灰?guī)r資源的地理分布極其不均，石灰?guī)r資源在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛適用性使之越來(lái)越匱乏，加之政府和民眾對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)日益重視，石灰?guī)r礦山成了稀缺資源。很多公路工程項(xiàng)目為此費(fèi)盡周折也采購(gòu)不到優(yōu)質(zhì)的石灰?guī)r集料，反而極大地增加了工程成本。一些項(xiàng)目所在地?fù)碛谢◢弾r、砂巖等集料，但想用又不敢用，這個(gè)問(wèn)題一直困擾著項(xiàng)目業(yè)主和施工方。本文就通過(guò)對(duì)不同巖性粗集料組成的中下面層瀝青混合料進(jìn)行性能指標(biāo)試驗(yàn)，論述不同巖性集料構(gòu)成的瀝青混合料的性能同樣能夠滿足使用功能要求。

1 集料的特性和瀝青路面中下面層的設(shè)計(jì)功能

集料的特性分為料源特性和加工特性。料源特性由石料產(chǎn)地的地質(zhì)形成情況決定，如巖性、強(qiáng)度、密度、磨光值等；加工特性由生產(chǎn)加工工藝決定，如顆粒組成、針片狀顆粒含量、砂當(dāng)量、細(xì)粉含量等。

國(guó)內(nèi)公路路面，尤其是高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)作為柔性結(jié)構(gòu)層，受“強(qiáng)基薄面”理念的影響，通常被設(shè)計(jì)得較薄。在應(yīng)用最廣泛的三層式瀝青面層中，表面層為功能層，主要起到抗滑和磨耗的作用；中面層承受面層內(nèi)部最大高溫剪應(yīng)力，為主抗高溫、抗車轍區(qū)；下面層介于柔性與剛性或半剛性基層之間，瀝青面層的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在面層底部，該結(jié)構(gòu)層為主抗疲勞開裂區(qū)。瀝青面層是黏彈性體系，中下面層瀝青混合料的抗荷載剪切能力(即穩(wěn)定性能)反映了路面的抗車轍能力。另外，中下面層瀝青混合料在破壞形態(tài)中與料源特性關(guān)聯(lián)的還有水損壞[1]。集料性質(zhì)對(duì)瀝青黏附性有很大影響，不同巖性集料的化學(xué)組分(特別是SiO2含量)不一樣，與瀝青的化學(xué)吸附能力也有差異。

2 不同巖性粗集料在中下面層瀝青混合料中的應(yīng)用

2.1 材料及瀝青路面結(jié)構(gòu)形式選擇

為了更好地體現(xiàn)材料差異，筆者在5個(gè)項(xiàng)目中選取了5種非石灰?guī)r及石灰?guī)r進(jìn)行試驗(yàn)，分別為海南文昌玄武巖、海南東方花崗巖、陜西商洛閃長(zhǎng)巖、浙江玉環(huán)凝灰?guī)r、江西贛州砂巖及云南嵩明石灰?guī)r。瀝青混合料結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一選擇70#重交瀝青AC-25(C)下面層及SBS改性瀝青AC-20(C) 中面層。

由于細(xì)集料用量較少，在此不做專門研究。在項(xiàng)目的實(shí)際使用中，一般選用和粗集料同巖性的細(xì)集料，本次為了試驗(yàn)的可對(duì)比性，統(tǒng)一選用了石灰?guī)r機(jī)制砂；填料采用了石灰?guī)r加工的礦粉。細(xì)集料和礦粉的試驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。

表1 細(xì)集料的技術(shù)要求與檢測(cè)結(jié)果

表2 礦粉的技術(shù)指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果

下面層均選用70#重交瀝青，中面層均選用90#重交瀝青作為基質(zhì)的SBS改性瀝青。瀝青試驗(yàn)結(jié)果如表3、4所示。

表3 70#道路石油瀝青技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

2.2 巖性及集料性能指標(biāo)

所選粗集料巖性大致為：玄武巖屬于巖漿巖中的噴出巖，為基性石料；花崗巖和閃長(zhǎng)巖屬于巖漿巖中的深成巖，為酸性石料；砂巖屬于沉積巖中的碎屑巖，為酸性石料；凝灰?guī)r屬于沉積巖中的火山碎屑巖，為中性石料；石灰?guī)r屬于沉積巖中的生物巖，屬于超基性石料。各種粗集料的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

2.3 針對(duì)不同巖性粗集料采取的抗剝落措施

粗集料巖性不一致，其礦料化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)也存在很大差異。集料的化學(xué)成分決定集料的酸堿性。瀝青與集料的黏結(jié)過(guò)程主要是吸附過(guò)程，有物理吸附和化學(xué)吸附，其中瀝青與集料表面發(fā)生化學(xué)吸附、形成化學(xué)鍵時(shí)產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合力，這種吸附才能使得瀝青與集料黏結(jié)牢固[2-9]。和酸性石料相比，堿性石料與呈酸性的瀝青更容易發(fā)生化學(xué)吸附而形成化學(xué)鍵結(jié)合力，且集料的堿性越強(qiáng)，化學(xué)鍵結(jié)合力就越大，瀝青與集料的黏附性也就越強(qiáng)，混合料的 水穩(wěn)性能相對(duì)越好。黏附性是石料與瀝青共同作用的結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，巖性影響集料與瀝青的黏附性能。為了消除巖性的影響，可以采用添加適量消石灰、用水泥替代部分填料(通常為礦粉)的方式來(lái)改善集料表面性能，提高混合料的水穩(wěn)性能，改善后的結(jié)果完全可以滿足黏附性要求。

表5 各區(qū)域加工生產(chǎn)的粗集料試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)未改性達(dá)不到規(guī)范要求的各巖性集料，采用加消石灰、水泥、某種抗剝落劑3種措施后的水穩(wěn)性能試驗(yàn)結(jié)果(70#瀝青)如表6～8所示。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，改善不同巖性粗集料的黏附性能的最優(yōu)措施見表9。

表6 AC-25C瀝青混合料性能

2.4 不同巖性粗集料在AC-25(C)中的性能指標(biāo)

采用馬歇爾試驗(yàn)方法，對(duì)上述材料進(jìn)行AC-25(C)從各種巖性集料的配合比列表、曲線可以看出，不同巖性集料的級(jí)配情況基本一致。

表7 AC-20C瀝青混合料性能

巖性填料類型檢測(cè)項(xiàng)目穩(wěn)定度/kN流值/0.1 mm動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)殘留穩(wěn)定度/%凝灰?guī)r玄武巖花崗巖砂巖消石灰11.1127.322 20990.10水泥11.7426.542 12590.70抗剝落劑11.0725.782 14190.70消石灰12.3623.692 69791.32水泥12.2122.392 70190.34抗剝落劑12.5423.412 67489.21消石灰12.3624.212 63688.21水泥12.1123.692 62489.36抗剝落劑12.3523.412 67190.11消石灰11.3622.012 43890.12水泥10.9821.782 44590.31抗剝落劑11.0122.142 47890.14

配合比設(shè)計(jì)，如圖1、表10所示；并對(duì)瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)使用性能檢驗(yàn)，具體結(jié)果如表11所示(表中的1#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格19～31.5 mm；2#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格9.5～19 mm；3#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格4.75～9.5 mm；4#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格2.36～4.75 mm；5#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格0～2.36 mm；礦粉中已包含改性所替代的消石灰或水泥，瀝青混合料中包含了抗剝落劑)。

圖1 級(jí)配合成曲線(AC-25)

表8 改善各種巖性粗集料后的黏附性檢測(cè)結(jié)果

表9 改善不同巖性粗集料黏附性能的最優(yōu)措施

2.5 不同巖性粗集料在AC-20(C)中的性能指標(biāo)

采用馬歇爾試驗(yàn)方法，對(duì)上述材料進(jìn)行AC-20(C)配合比設(shè)計(jì)，如圖2、表12所示；并對(duì)瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)使用性能檢驗(yàn)，具體結(jié)果如表13所示(表中的1#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格9.5～26 mm；2#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格4.75～9.5 mm；3#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格2.36～4.75 mm；4#對(duì)應(yīng)集料規(guī)格0～2.36 mm；礦粉中已包含改性所替代的消石灰或水泥，瀝青混合料中包含了抗剝落劑)。

圖2 級(jí)配合成曲線(AC-20)

從各種巖性集料的配合比列表、曲線可以看出，不同巖性集料的級(jí)配情況基本一致。

2.5.1 瀝青混合料抗荷載性能

不同巖性粗集料組成的瀝青混合料在性能上均能滿足規(guī)范要求。在動(dòng)穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度方面，各種巖性的粗集料組成的瀝青混合料性能與巖性并沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。由于集料固有空隙率、加工后表面粗糙度及添加消石灰、水泥、抗剝落劑等因素的影響，油石比會(huì)有所不同。集料壓碎值指標(biāo)反映出石灰?guī)r集料的壓碎值偏高，源于石灰?guī)r的強(qiáng)度較低，這在密度指標(biāo)中也有反映。2004版的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)集料的各項(xiàng)指標(biāo)均有相應(yīng)的要求，但是對(duì)集料的巖性并沒(méi)有相關(guān)規(guī)定。

表10 各種巖性集料的配合比匯總(AC-25)

表11 不同巖性瀝青混合料AC-25(C)指標(biāo)及使用性能檢測(cè)結(jié)果

瀝青混合料的抗剪切能力(也即抗車轍能力)與混合料的結(jié)構(gòu)類型和顆粒組成有很大關(guān)聯(lián)。筆者已經(jīng)統(tǒng)一了結(jié)構(gòu)類型，為了便于比較，本文假設(shè)顆粒組成也基本一致。實(shí)際施工中，對(duì)于AC-25和 AC-20來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)的施工配合比曲線也是基本一致的。根據(jù)以上動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分析，集料巖性與動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果有一定的直接關(guān)系，這里的前提是選取的各類巖性料源的物理性能滿足指標(biāo)要求。采用水泥或消石灰措施還有助于提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。同時(shí)，非石灰?guī)r類集料通常強(qiáng)度、密度、壓碎值優(yōu)于石灰?guī)r集料，在施工及使用過(guò)程中再次破碎，導(dǎo)致級(jí)配衰減的程度要弱于石灰?guī)r類，其骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)可以得到更好的體現(xiàn)，能使混合料設(shè)計(jì)性能得保持和發(fā)揮，使得路面結(jié)構(gòu)更加能夠抵抗荷載的剪切，其長(zhǎng)期抗變形能力更強(qiáng)。因此，在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，更應(yīng)該關(guān)注的是混合料的性能指標(biāo)——石料本身的強(qiáng)度和顆粒形狀是路面能否承受荷載的重要指標(biāo)，而不是強(qiáng)調(diào)集料的巖性。在中下面層瀝青混合料中過(guò)分迷信石灰?guī)r集料是不科學(xué)、不經(jīng)濟(jì)的。

表12 各種巖性集料的配合比匯總(AC-20)

表13 不同巖性瀝青混合料AC-20(C)指標(biāo)及使用性能檢測(cè)結(jié)果

2.5.2 瀝青混合料抗水損害性能

對(duì)于巖性不同的集料，施工方在選擇瀝青混合料材料時(shí)最大的困擾和糾結(jié)就是黏附性指標(biāo)，但是該指標(biāo)并不能作為瀝青混合料抵抗損害評(píng)價(jià)的最終依據(jù)。集料和瀝青的黏附性指標(biāo)是中國(guó)特有的，國(guó)外一般沒(méi)有，只要瀝青混合料滿足水穩(wěn)定性指標(biāo)即可。故黏附性僅僅是初選集料品種的參考性指標(biāo)，不能看得太重，更不可迷信。集料的黏附性并不能代表瀝青混合料的水穩(wěn)定性。以上試驗(yàn)也證明改善后的各類巖性集料完全滿足了瀝青黏附性能要求，同時(shí)瀝青混合料的綜合性能完全滿足水穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定度的要求。另外，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，絕大部分瀝青路面的3層結(jié)構(gòu)均設(shè)計(jì)為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，加之施工設(shè)備和施工水平的提升，瀝青中下面層遭受水滲透也基本不可能。

想要提高集料與瀝青的黏附性，除了用消石灰、水泥替代一部分填料外，還可以在加工環(huán)節(jié)改善集料的形狀特性，使其表面粗糙、富有棱角；將剛破碎的集料儲(chǔ)存一段時(shí)間再用于生產(chǎn)，降低集料的表面活性；也可以在瀝青中添加某些具有極性的有機(jī)酸來(lái)改善。

對(duì)于上述的5種非石灰?guī)r材料加工的集料，筆者都曾進(jìn)行過(guò)高速公路的規(guī)?；褂茫渲杏藐兾魃搪彘W長(zhǎng)巖和江西贛州砂巖鋪筑的高速公路瀝青路面現(xiàn)在都通過(guò)了10年的路用檢驗(yàn)，至今路面平整密實(shí)，未曾因水損害而進(jìn)行修補(bǔ)，更不曾大中修過(guò)，路面性能良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)在瀝青混凝土路面中下面層混合料設(shè)計(jì)中，選取料源的主要考慮因素是集料的綜合指標(biāo)性能，黏附性單項(xiàng)不能作為否決性指標(biāo)。不同巖性的粗集料與瀝青的黏附性存在差異，通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧┛梢约訌?qiáng)其黏附性能。

(2)只要不同巖性的粗集料的性能指標(biāo)在采取改善措施后滿足要求，且瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)亦能滿足要求，就完全可以用于相應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)中。