楊　濤，鄭健龍，謝　博,3，關(guān)宏信

(1.長沙理工大學(xué)，湖南　長沙　410004; 2.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江　溫州　325038;

3.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南　長沙　410014)

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凝灰?guī)r瀝青混合料高低溫和水穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究

楊濤1,2，鄭健龍1，謝博1,3，關(guān)宏信1

(1.長沙理工大學(xué)，湖南長沙410004; 2.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江溫州325038;

3.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南長沙410014)

摘要：為了探討凝灰?guī)r在高速公路瀝青路面瀝青混合料中的合理利用形式，開展室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比了凝灰?guī)r、玄武巖和石灰?guī)r集料的物理力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)比了不同類型、不同瀝青、不同巖性集料組合情況下瀝青混合料的高低溫和水穩(wěn)定性能。結(jié)果表明：在凝灰?guī)r顆粒形狀規(guī)則、潔凈的情況下，除低標(biāo)號(hào)瀝青混合料外，凝灰?guī)r瀝青混合料的路用性能都滿足我國規(guī)范的要求；與常用巖性集料瀝青混合料相比，采用凝灰?guī)r與其他集料混摻時(shí)瀝青混合料的綜合路用性能有所改善。

關(guān)鍵詞：道路工程；凝灰?guī)r瀝青混合料；室內(nèi)試驗(yàn)；穩(wěn)定性質(zhì)；混摻

0引言

凝灰?guī)r是一種分布廣泛的、常見的細(xì)?；鹕剿樾紟r，是介于溶巖和沉積巖之間的過渡類型巖石，其成分主要是火山灰，外貌疏松多孔，是由火山爆發(fā)而拋入空中的火山物質(zhì)散落于盆地，再經(jīng)結(jié)晶及水化學(xué)膠結(jié)固結(jié)成巖。浙江地區(qū)凝灰?guī)r分布相當(dāng)廣泛，比如寧波、舟山、溫州、臺(tái)州等地區(qū)分布著種類繁多的凝灰?guī)r，儲(chǔ)量豐富，硬度適中，易于開采加工，建筑用凝灰?guī)r無論是從礦床規(guī)模、質(zhì)量、面積均居全國首位。如果要將凝灰?guī)r用于修筑高速公路瀝青路面面層，需要論證凝灰?guī)r瀝青混合料的路用性能好壞，本文將對(duì)此開展研究。

凝灰?guī)r作為筑路材料的研究報(bào)道比較少，Goual Idriss等[1-2]針對(duì)阿爾及利亞大量存在的凝灰?guī)r開展室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比了凝灰?guī)r和鈣質(zhì)砂不同比例組合下的強(qiáng)度，推薦了最佳混合比例；孫忠寧[3]通過試驗(yàn)論證了采用凝灰?guī)r作為阿爾及利亞東西高速公路墊層的可行性，發(fā)現(xiàn)未風(fēng)化的凝灰?guī)r可以直接應(yīng)用，摻入一定劑量水泥后效果更好。張善[4]開展的室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在使用改性瀝青并添加液體抗剝落劑后, 凝灰?guī)r可以應(yīng)用于高速公路上面層。文獻(xiàn)[5]用同樣的石料和瀝青開展的瀝青膠漿試驗(yàn)結(jié)果也表明，與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿相比，凝灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的針入度變小，動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)得到的車轍因子G*/sinδ變大，低溫彎曲試驗(yàn)得到的蠕變斜率在不同粉膠比下對(duì)比結(jié)果不一致。

對(duì)于瀝青表面層混合料適宜采用何種巖性的集料，國內(nèi)外已經(jīng)開展了除凝灰?guī)r以外的其他集料瀝青混合料的性能研究。德國、日本和美國瀝青路面表面層集料應(yīng)用最多的分別是輝綠巖、砂巖和花崗巖?？琢钤芠6]等的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r與溫拌瀝青粘附功比花崗巖與溫拌瀝青的黏附功小，但石灰?guī)r混合料劈裂強(qiáng)度較大。吳大鴻等[7]對(duì)比了貴州硅質(zhì)碳酸鹽和石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖的性能，認(rèn)為硅質(zhì)碳酸鹽可以用于瀝青路面抗滑表層。王淑英[8]等利用鋼渣做粗集料，石灰?guī)r做細(xì)集料，試驗(yàn)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。張輝[9]試驗(yàn)對(duì)比了安徽省多個(gè)石灰?guī)r和玄武巖料場的集料性能，認(rèn)為優(yōu)質(zhì)料源匱乏時(shí)可以利用符合規(guī)范要求的石灰?guī)r集料。秦祿生的試驗(yàn)[10]發(fā)現(xiàn)，針片狀含量對(duì)于集料性能影響顯著,含泥量對(duì)于瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能都有明顯影響，建議對(duì)高速公路瀝青面層用粗集料針片狀含量按10%控制，含泥量技術(shù)指標(biāo)建議采用0.15%控制。

在傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)集料匱乏和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸費(fèi)用高昂情況下，按照“就地取材”的原則盡量利用公路建設(shè)工程當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的石料作為瀝青混合料的集料應(yīng)該具有可行性。本文將針對(duì)浙江地區(qū)盛產(chǎn)的凝灰?guī)r開展一系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究凝灰?guī)r瀝青混合料的路用性能。

1試驗(yàn)用原材料和瀝青混合料類型

本文試驗(yàn)用集料采用了浙江溫州產(chǎn)凝灰?guī)r及凝灰?guī)r礦粉、山東商丘產(chǎn)玄武巖、邯鄲武安出產(chǎn)的石灰?guī)r和石灰?guī)r礦粉。依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行的集料試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1　粗集料試驗(yàn)結(jié)果

注：表1中“技術(shù)要求”列“()”內(nèi)的數(shù)字表示用于表面層時(shí)的要求，“()”外的數(shù)字表示用于其他層位時(shí)的要求。

表2　凝灰?guī)r細(xì)集料試驗(yàn)結(jié)果

表3　石灰?guī)r細(xì)集料試驗(yàn)結(jié)果

表4　礦粉性能試驗(yàn)結(jié)果

從集料試驗(yàn)結(jié)果來看，試驗(yàn)所用凝灰?guī)r的集料壓碎值、洛杉磯磨耗損失、堅(jiān)固性、密度與石灰?guī)r大致相當(dāng)，但其前3項(xiàng)指標(biāo)不如玄武巖；但其針片狀顆粒含量很少，磨光值也表現(xiàn)優(yōu)異；不過凝灰?guī)r與瀝青黏附性有待加強(qiáng)，還需要深入研究，這也可能是浙江地區(qū)沒有大規(guī)模將其應(yīng)用于瀝青路面表面層的原因之一。

試驗(yàn)用瀝青混合料考慮了不同膠結(jié)料以及不同層位常用的瀝青混合料類型：上面層采用橡膠瀝青和SBS改性瀝青時(shí)的SM13,AC13；中面層采用橡膠瀝青、SBS改性瀝青和70#A級(jí)瀝青時(shí)的AC20；下面層采用布敦巖瀝青、70#A級(jí)瀝青和50#瀝青時(shí)的AC25；上基層采用30#和50#瀝青時(shí)的ATB25。由于版面限制，這里不再列出各種瀝青混合料的級(jí)配組成和油石比。30#,50#瀝青采用中海油(青島)重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心產(chǎn)品，70#瀝青選用山東濰坊弘潤石化公司產(chǎn)品，SBS改性瀝青、橡膠瀝青來自邢臺(tái)宏信昌公路材料有限公司。

2凝灰?guī)r瀝青混合料的低溫性能、高溫性能和水穩(wěn)定性

由于巖性比較特殊，本節(jié)先探討用凝灰?guī)r作為集料的瀝青混合料的路用性能，包括低溫性能、高溫性能和水穩(wěn)定性。本節(jié)所用礦粉均為石灰?guī)r礦粉，除專門標(biāo)明了巖性的瀝青混合料以外，粗集料和細(xì)集料均采用凝灰?guī)r。

按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的方法開展低溫彎曲試驗(yàn)、輪轍試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖3。

圖1　凝灰?guī)r瀝青混合料低溫彎曲性能Fig.1　Low-temperature bending performance of tuff asphalt mixture

圖2　凝灰?guī)r瀝青混合料水穩(wěn)定性Fig.2　Water stability of tuff asphalt mixture

圖3　凝灰?guī)r瀝青混合料高溫穩(wěn)定性Fig.3　High-temperature stability of tuff asphalt mixture

由圖1～圖3可以看出：

(1)按照我國規(guī)范關(guān)于瀝青混合料路用性能設(shè)置的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值，要將凝灰?guī)r用于浙江地區(qū)高速公路，各類瀝青混合料都能夠滿足抗車轍性能要求，絕大多數(shù)瀝青混合料都能夠滿足水穩(wěn)定性能要求(50#瀝青ATB-25除外)，大多數(shù)瀝青混合料都能夠滿足低溫抗裂性能要求(30#和50#瀝青混合料除外)。諸多文獻(xiàn)[11-12]研究也表明，采用低標(biāo)號(hào)瀝青的瀝青混合料普遍存在低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性不足的問題；另外，從前文原材料性能指標(biāo)對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所用凝灰?guī)r與瀝青的粘附性不是太好，也會(huì)影響低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的性能。

(2)與同類型上面層瀝青混合料(玄武巖)相比，采用凝灰?guī)r作為粗細(xì)集料的SBS改性瀝青AC-13和SMA-13的低溫抗裂性能稍強(qiáng)一些，抗車轍性能大致相當(dāng)，而經(jīng)歷凍融循環(huán)后的水穩(wěn)定性具有比較優(yōu)勢。這與試驗(yàn)所用玄武巖集料性質(zhì)不太好有關(guān)，表1中玄武巖粗集料的針片狀含量比凝灰?guī)r高出不少，其與瀝青的黏附性也不好。

(3)與同類型中下面層和上基層瀝青混合料(石灰?guī)r)相比，采用凝灰?guī)r作為粗細(xì)集料的SBS改性瀝青AC-20C、巖瀝青AC-25C和30#瀝青ATB-25的低溫性能要弱一些，經(jīng)歷凍融循環(huán)后的水穩(wěn)定性要強(qiáng)一些(30#瀝青ATB-25除外)，抗車轍性能也要強(qiáng)一些。這是因?yàn)槟規(guī)r石料的性質(zhì)本身也略強(qiáng)于石灰?guī)r，如密度、壓碎值等，其針片狀含量更是大大低于石灰?guī)r集料。

由此可見，對(duì)本文試驗(yàn)所用原材料而言，在采用非低標(biāo)號(hào)瀝青的情況下，粗細(xì)集料均采用凝灰?guī)r后瀝青混合料的路用性能能夠滿足規(guī)范要求，有些性能甚至好于常用巖性石料(玄武巖或石灰?guī)r)的瀝青混合料，理論上是可以用于浙江地區(qū)高速公路瀝青路面的。當(dāng)然，滿足路用性能要求不一定代表實(shí)際應(yīng)用后路面不會(huì)出現(xiàn)病害，而且考慮到試驗(yàn)所用凝灰?guī)r集料的針片狀含量很小，工程上在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)如果達(dá)不到如此低的針片狀含量，凝灰?guī)r瀝青混合料的路用性能可能會(huì)下降。下節(jié)將探討如何合理使用凝灰?guī)r以進(jìn)一步改善瀝青混合料的性能。

3不同巖性集料混摻條件下瀝青混合料性能對(duì)比

以上研究表明，凝灰?guī)r瀝青混合料的某些路用性能要弱于玄武巖瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料，同時(shí)考慮到浙江地區(qū)凝灰?guī)r的價(jià)格因素，本節(jié)將開展對(duì)比試驗(yàn)，分析凝灰?guī)r、玄武巖、石灰?guī)r作為粗集料、細(xì)集料和礦粉進(jìn)行混摻組成的瀝青混合料的力學(xué)性能，來探究凝灰?guī)r在各層位瀝青混合料的合理應(yīng)用形式。

考慮到我國高速公路路面工程已經(jīng)積累的經(jīng)驗(yàn)，本節(jié)上面層瀝青混合料的粗細(xì)集料只采用玄武巖和凝灰?guī)r，礦粉只采用石灰?guī)r和凝灰?guī)r；中下面層和柔性基層瀝青混合料的粗細(xì)集料只采用石灰?guī)r和凝灰?guī)r，礦粉也采用石灰?guī)r和凝灰?guī)r。為便于圖形表示，將采用縮寫，如“粗凝+細(xì)玄+石粉”表示粗集料采用凝灰?guī)r，細(xì)集料采用玄武巖，礦粉采用石灰?guī)r，其余類推。

本節(jié)試驗(yàn)共采用5種瀝青混合料，即SBS改性瀝青SMA-13、SBS改性瀝青AC-13C、SBS改性瀝青AC-20C、巖瀝青AC-25C、30#瀝青ATB-25。所開展的試驗(yàn)包括低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、輪轍試驗(yàn)，試驗(yàn)均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果見圖4～圖6。為便于分析，表5中列出了多種巖性集料混摻瀝青混合料各項(xiàng)路用性能參數(shù)的排序，同一行各列中的排序數(shù)值是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定的。表5中“常用巖性石料”對(duì)上面層瀝青混合料而言為玄武巖粗細(xì)集料+石灰?guī)r礦粉，對(duì)中下面層和基層瀝青混合料而言為石灰?guī)r粗細(xì)集料+石灰?guī)r礦粉?！按旨夏?guī)r”表示將“常用巖性石料”中的粗集料改用凝灰?guī)r；“細(xì)集料凝灰?guī)r”表示將“常用巖性石料”中的細(xì)集料改用凝灰?guī)r；“礦粉凝灰?guī)r”表示將“常用巖性石料”中的礦粉改用凝灰?guī)r；“粗細(xì)集料凝灰?guī)r”表示將“常用巖性石料”中的粗集料和細(xì)集料均改用凝灰?guī)r。

圖4　多種巖性集料混摻瀝青混合料低溫彎曲性能Fig.4　Low-temperature bending performance of asphalt mixture with various mineral aggregates

圖5　多種巖性集料混摻瀝青混合料水穩(wěn)定性Fig.5　Water stability of asphalt mixture with various mineral aggregates

圖6　多種巖性集料混摻瀝青混合料高溫穩(wěn)定性Fig.6　High-temperature stability of asphalt mixture with various mineral aggregates

由圖4～圖6和表5可見：

(1)除30#瀝青ATB-25的低溫性能差以外，試驗(yàn)所用的各種集料混摻方式的各類瀝青混合料的低溫彎曲性能、凍融循環(huán)水穩(wěn)定性和高溫抗車轍性能都滿足我國規(guī)范的相關(guān)要求，如果單從這點(diǎn)考慮，不同巖性集料混摻方式是可以用于高速公路瀝青路面的。

表5　多種巖性集料混摻瀝青混合料各項(xiàng)性能參數(shù)的排序

(2)對(duì)于上面層瀝青混合料改性瀝青SMA-13和改性瀝青AC-13C而言，常用的“粗玄+細(xì)玄+石粉”瀝青混合料的性能較差；而改用凝灰?guī)r作為礦粉后，瀝青混合料綜合性能略有改善；僅細(xì)集料采用凝灰?guī)r時(shí)，瀝青混合料綜合性能有一定改善；而將粗細(xì)集料均改用凝灰?guī)r時(shí)，瀝青混合料的綜合性能最佳。這是因?yàn)楸疚脑囼?yàn)所用玄武巖集料的顆粒形狀較差(針片狀含量高)、與瀝青的黏附性也較差所致。

(3)對(duì)于中下面層瀝青混合料改性瀝青AC-20C和巖瀝青AC-25C而言，常用的“粗石+細(xì)石+石粉”瀝青混合料低溫性能最佳，水穩(wěn)定性中等，高溫穩(wěn)定性差；改用凝灰?guī)r作為礦粉后，瀝青混合料低溫性能稍有下降，水穩(wěn)定性大致相當(dāng)，高溫穩(wěn)定性有所改善；而將粗細(xì)集料均改用凝灰?guī)r后，瀝青混合料低溫性能大幅下降，但水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性均有大幅改善。

(4)對(duì)于上基層瀝青混合料30#瀝青ATB-25而言，常用的“粗石+細(xì)石+石粉” 瀝青混合料低溫性能最佳，水穩(wěn)定性接近最佳，高溫穩(wěn)定性中等；改用凝灰?guī)r作為礦粉或細(xì)集料時(shí)，瀝青混合料各項(xiàng)路用性能均下降；僅將粗集料改為凝灰?guī)r時(shí)，瀝青混合料低溫性能略有下降，高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性有較大改善；同時(shí)將粗細(xì)集料改用凝灰?guī)r時(shí)，瀝青混合料的高溫性能最佳，但低溫性能和水穩(wěn)定性接近最差。這與兩種石料與瀝青的黏附性有一定關(guān)系。

4結(jié)論

(1)對(duì)試驗(yàn)用凝灰?guī)r石料而言，凝灰?guī)r瀝青混合料(非低標(biāo)號(hào)瀝青)的路用性能能夠滿足我國規(guī)范的技術(shù)要求。

(2)對(duì)試驗(yàn)用凝灰?guī)r石料和玄武巖石料而言，將上面層兩種瀝青混合料改性瀝青SMA- 13和改性瀝青AC-13常用的玄武巖粗細(xì)料或石灰?guī)r礦粉換成凝灰?guī)r后，瀝青混合料的性能將會(huì)得到改善，而將粗細(xì)集料同時(shí)換作凝灰?guī)r時(shí)，則可以取得更好的路用性能。

(3)對(duì)試驗(yàn)用凝灰?guī)r石料而言，將兩種中下面層瀝青混合料改性瀝青AC-20C和巖瀝青AC-25C常用的石灰?guī)r石料中的礦粉改用凝灰?guī)r后，瀝青混合料的綜合路用性能將會(huì)有所改善。

(4)石灰?guī)r集料30#瀝青ATB-25的低溫性能達(dá)不到規(guī)范要求，即使將粗集料、細(xì)集料、礦粉單獨(dú)或部分換作凝灰?guī)r也難以滿足要求；如果不強(qiáng)求低溫性能，將粗集料換作凝灰?guī)r后可以維持瀝青混合料的低溫性能基本不降低，而高溫性能和水穩(wěn)定性可以同時(shí)得到改善。

雖然本文的試驗(yàn)研究表明凝灰?guī)r石料可以用于瀝青路面，但是還需要更深入地研究凝灰?guī)r與瀝青的黏附性，以及凝灰?guī)r瀝青混合料作為表面層的其他路用性能，如抗滑性能、強(qiáng)度特性和疲勞性能等。

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Experimental Research on High-temperature Performance, Low-temperature Performance and Water Stability of Tuff Asphalt Mixture

YANG Tao1,2, ZHENG Jian-long1, XIE Bo1,3, GUAN Hong-xin1

(1. Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410004,China;2. Zhejiang Wenzhou Shenyang-Haikou Expressway Co., Ltd., Wenzhou Zhejiang 325038,China;3. Power China Zhongnan Engineering Co., Ltd., Changsha Hunan 410014,China)

Abstract：In order to investigate a favorite way to apply tuff mineral as asphalt mixture’s aggregate for expressway asphalt pavement, the laboratory tests are carried out.In the tests, the physical and mechanical characteristics of tuff aggregate, limestone aggregate and basalt aggregate are compared, the high-temperature performance, low-temperature performance and water stability of asphalt mixtures under the conditions of different mixture types, different asphalts, and different mineral aggregate combinations are also compared.The test results indicate that (1) the road performance of tuff asphalt mixture meet Chinese Specifications’ requirements except for low-grade asphalt mixtures when tuff aggregate’s shape is regular and clean; (2) comparing with common lithologic aggregate asphalt mixture, the comprehensive road performance of asphalt mixture composed with tuff and other aggregate is improved.

Key words：road engineering; tuff asphalt mixture; laboratory test; stability performance; mixing

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)03-0001-06

中圖分類號(hào)：U416.217

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.001

作者簡介：楊濤(1977-)，男，湖南漢壽人，高級(jí)工程師，在讀博士.(15620937@qq.com)

收稿日期：2015-08-27