周黃勝

(湖南省炎汝高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙　410005)

?

破碎河卵石在瀝青路面中的應(yīng)用研究

周黃勝

(湖南省炎汝高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410005)

河卵石擁有強(qiáng)度高、耐腐蝕的特點(diǎn)，由于呈酸性，破碎后存在光滑面，與瀝青的粘附性較差，在瀝青面層中的運(yùn)用存在一定的局限性。通過將60%的礦粉用水泥代替以提高二者的粘附性，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、多次凍融劈裂試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)來研究添加水泥后破碎卵石瀝青混合料的抗水損害能力，為河卵石在瀝青面中下層的運(yùn)用提供一個(gè)理論依據(jù)，使河卵石資源豐富的地區(qū)在道路修建上能夠節(jié)約成本，緩解市場(chǎng)上碎石資源緊缺的問題。

；瀝青路面；破碎卵石；瀝青混合料；抗水損害；集料

隨著我國(guó)高速公路的快速發(fā)展，碎石的用量在不停地增加和消耗，對(duì)于受到爆破物品管制且要不斷通過開山炸石才能生產(chǎn)的碎石而言，在市場(chǎng)上容易造成供應(yīng)緊張，對(duì)工程的工期造成影響。河卵石經(jīng)河流長(zhǎng)期搬運(yùn)而成，雖然擁有強(qiáng)度高和耐腐蝕的特點(diǎn)，但是表面因經(jīng)歷長(zhǎng)期的水流沖刷，表面光滑，且材質(zhì)較為復(fù)雜，多為酸性，與瀝青的粘附性不足，容易產(chǎn)生水損害，在瀝青面層中的運(yùn)用中存在一定的局限性，本文通過對(duì)不同顏色的河卵石進(jìn)行物理性能試驗(yàn)及添加一定比例的水泥來代替礦粉以堿化集料提高卵石與瀝青的粘附性，進(jìn)行混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)，為破碎河卵石在瀝青面層中的應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)。

1　原材料選擇

1.1瀝青

本文采用的基質(zhì)瀝青是茂名70號(hào)A級(jí)石油瀝青，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 70號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果類別針入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)針入度指數(shù)PI軟化點(diǎn)/℃60℃動(dòng)力粘度/(Pa·s)延度(5cm·min-1)/cm10℃15℃蠟含量/%技術(shù)要求60～80-1.5～+1.0≥46≥180≥15≥100≤2.2試驗(yàn)結(jié)果63.7-1.1551.2217.130.4>1002閃點(diǎn)/℃溶解度/%密度/(g·cm-3)TFOT后殘留物質(zhì)量變化/%殘留針入度(25℃)/%殘留延度(10℃)/cm≥260≥99.5實(shí)測(cè)記錄-0.8～+0.8≥61≥626899.721.034-0.262669

1.2集料

本文河卵石的破碎方式采用顎破-圓錐破-反擊破，破碎前的粒徑大于10 cm，破碎后卵石的破碎面符合規(guī)范要求。河卵石的顏色多彩，不同顏色的河卵石因?yàn)槟覆牡膩碓?、形成的環(huán)境不同，在物理性能上存在一定的差異，為了避免不同顏色的卵石因性能上的差異過大，對(duì)瀝青混合料造成較大的影響，通過顏色來對(duì)破碎卵石進(jìn)行劃分，粒徑在20～30 mm分為6種；由于黑色和雜色相對(duì)來說含量較少，將粒徑在5～20 mm的破碎河卵石分為4種。試驗(yàn)采用的集料及礦粉等性能的試驗(yàn)結(jié)果如表2～表5所示。

由表2、表3、表4可知：破碎卵石雖然含有多種顏色，但各種顏色的破碎卵石的物理性能指標(biāo)均符合瀝青路面中、下面層的規(guī)范要求，且在性能方面較為接近，其中占有比例較多的紅、黃、淺青、深青4種顏色的破碎卵石的壓碎值最大相差4.3%，磨耗值相差3.5%。各性能的波動(dòng)不大，顏色的不同在物理性能上總體不會(huì)對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生較大的影響。

表2 4種顏色破碎河卵石的壓碎值與磨耗值顏色壓碎值/%磨耗值/%紅色14.815.4黃色18.514.3淺青色14.217.8深青色16.416.7

表3 各種破碎河卵石顏色的性能試驗(yàn)粒徑/mm顏色相對(duì)密度表觀毛體積吸水率/%針片狀顆粒含量/%含泥量/%20～30紅色2.652.580.775.210.30黃色2.672.600.784.450.40淺青色2.642.570.425.050.50深青色2.612.560.474.150.40雜色2.652.600.743.510.20黑色2.692.640.397.170.4010～20紅色2.642.600.849.960.60黃色2.622.580.8110.420.60淺青色2.632.580.739.150.50深青色2.672.640.458.850.505～10紅色2.662.571.1111.020.70黃色2.652.610.9511.310.80淺青色2.682.630.7210.840.60深青色2.692.640.5610.320.80

表4 細(xì)集料試驗(yàn)結(jié)果類別表觀相對(duì)密度砂當(dāng)量/%棱角性(流動(dòng)時(shí)間)/s技術(shù)要求≥2.50≥60≥30破碎卵石試驗(yàn)結(jié)果2.58266.2232.7

表5 礦粉試驗(yàn)結(jié)果類別表觀密度/(t·m-3)外觀含水量/%技術(shù)要求≥2.50無團(tuán)粒結(jié)塊≤1試驗(yàn)結(jié)果2.73無團(tuán)粒結(jié)塊、無污染0.4不同篩孔徑(mm)的通過率/%0.60.150.075親水系數(shù)塑性指數(shù)/%10090～10075～100<1 <4 10092.879.10.583.4

1.3水泥

由于河卵石為酸性集料，與瀝青的粘附性較差，且表面光滑，經(jīng)過破碎后存在光滑面，與瀝青的機(jī)械結(jié)合力較低，從表面構(gòu)造理論這一方面可以得到破碎河卵石與瀝青的粘附性效果較差。

考慮到采用水泥代替部分礦粉后能夠使得混合料的填料部分能夠與瀝青發(fā)生更強(qiáng)的物理化學(xué)反應(yīng)，提高集料和瀝青的粘附性，提高瀝青混合料的抗水損害能力，本文試驗(yàn)采用的水泥是來自益陽南方水泥有限公司生產(chǎn)的，規(guī)格型號(hào)為P.C 32.5。技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

表6 水泥性能試驗(yàn)類別表觀密度/(t·m-3)外觀含水量/%技術(shù)要求≥2.50無團(tuán)粒結(jié)塊≤1試驗(yàn)結(jié)果3.11無團(tuán)粒結(jié)塊、無污染0.3不同篩孔徑(mm)的通過率/%0.60.150.07510090～10075～10010010097.7

2　混合料配合比設(shè)計(jì)

通過對(duì)破碎河卵石原材料進(jìn)行篩分，考慮到破碎河卵石存在光滑面，集料間的嵌擠力不足，在一定程度上影響混合料的穩(wěn)定度及強(qiáng)度，因此本文采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的連續(xù)密集配AC-20C進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，規(guī)范中要求空隙率在3%～6%之間，使得瀝青混合料強(qiáng)度以瀝青與集料的粘結(jié)力為主，減小混合料的空隙率。級(jí)配設(shè)計(jì)如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配的結(jié)果，對(duì)瀝青混合料的物理指標(biāo)與油石比進(jìn)行分析，根據(jù)在工程中多年的施工經(jīng)驗(yàn)以及破碎河卵石原材料的性能，通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件對(duì)混合料進(jìn)行試驗(yàn)，確定最佳油石比為4.1%，破碎河卵石瀝青混合料最佳油石比的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

圖1　破碎河卵石的級(jí)配設(shè)計(jì)

表7 AC-20C混合料最佳油石比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果油石比/%毛體積相對(duì)密度最大理論密度空隙率/%4.12.4122.5184.21礦料間隙率/%瀝青飽和度/%穩(wěn)定度/kN流值/mm13.3368.4110.933.2

3　破碎河卵石瀝青混合料抗水損害研究

河卵石表面光滑，破碎后的紋理較差，與瀝青的粘附效果不好，由此拌合成的混合料容易由于抗水損害能力較差產(chǎn)生破壞，破碎后河卵石是否能夠用于瀝青路面的關(guān)鍵問題是解決二者間粘附性的問題，進(jìn)而改善破碎河卵石瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

本文通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、多次凍融劈裂試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)分析用部分水泥代替礦粉后對(duì)破碎卵石瀝青混合料的水穩(wěn)定性的影響。

3.1水泥摻量的確定

本文采用用部分水泥代替礦粉的方法來改善二者的粘附性，通過凍融劈裂試驗(yàn)確定水泥的較優(yōu)摻量為原礦粉用量的60%，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

3.2浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)在國(guó)際上是用來評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性最常用的一種方法，根據(jù)浸水馬歇爾試驗(yàn)的要求，制作2組試件，雙面各擊實(shí)50次，按照試驗(yàn)要求浸入溫度為60 ℃的恒溫水浴中，浸泡時(shí)間分別為0.5 h和48 h。通過馬歇爾殘留穩(wěn)定度來進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表8 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果水泥摻量/%劈裂抗拉強(qiáng)度/MPa凍融前凍融后凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比/%200.6560.44467.7400.7740.58575.6600.8370.68181.4800.8630.72784.21000.9250.79485.8

表9 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果混合料名稱馬歇爾穩(wěn)定度/kN浸水馬歇爾穩(wěn)定度/kN殘留穩(wěn)定度/%填料:礦粉10.98.275.2填料:40%的礦粉+60%的水泥12.110.889.3

由表8可知，將60%的礦粉用水泥代替后，浸水0.5 h和48 h的馬歇爾穩(wěn)定度都有一定的提高，馬歇爾殘留穩(wěn)定度提高了18.6%，表明添加水泥后使得混合料得到一定的堿化，水穩(wěn)定性更好，抗水損害能力得到提高。

3.3多次凍融劈裂試驗(yàn)

為了模擬實(shí)際瀝青路面所承受的凍融循環(huán)，試驗(yàn)過程中在凍融劈裂試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次循環(huán)，通過多次凍融劈裂試驗(yàn)來研究瀝青混合料在高、低溫環(huán)境中多次循環(huán)作用下混合料抵抗水損害的能力，用凍融劈裂強(qiáng)度比來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果如表10、圖2所示。

由表10及圖2可知：瀝青混合料經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，劈裂強(qiáng)度有所降低，添加水泥的混合料凍融循環(huán)的劈裂強(qiáng)度比較高，可以看出添加水泥的混合料劈裂強(qiáng)度比隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，下降的幅度較小，表明添加水泥能夠更好地提高破碎河卵石瀝青混合料的抗水損害能力。

表10 多次凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果凍融循環(huán)次數(shù)劈裂強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度比TSR/%礦粉40%的礦粉+60%的水泥礦粉40%的礦粉+60%的水泥00.6180.840——10.4420.70571.6083.9320.4100.64466.1376.6730.3830.58761.8569.8440.3690.57059.4667.8650.3500.56656.3767.32

圖2　凍融劈裂強(qiáng)度比與凍融次數(shù)的關(guān)系

3.4浸水車轍試驗(yàn)

在對(duì)瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)時(shí)，一般都是靜態(tài)的條件下進(jìn)行的，這與實(shí)際上瀝青混合料受到水損害的情況存在一定的差異。在現(xiàn)實(shí)中，夏季不僅是一個(gè)高溫季節(jié)同時(shí)也是一個(gè)多雨的季節(jié)，此時(shí)瀝青路面的水損害在動(dòng)荷載的作用下更容易產(chǎn)生，通過對(duì)傳統(tǒng)的車轍試驗(yàn)試驗(yàn)條件進(jìn)行一定的改變，使得車轍板在完全濕潤(rùn)的條件下進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)。根據(jù)瀝青混合料的試驗(yàn)規(guī)程T0703-2011的方法成型試件，在進(jìn)行車轍試驗(yàn)前將試件浸沒于水溫為60 ℃的條件下，飽水6 h后在不浸水的條件下進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa。

考慮到采用動(dòng)穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)瀝青混合料在高溫條件下的形變時(shí)，僅僅測(cè)量了45～60 min的累積變形情況，對(duì)前面45 min的變形發(fā)展情況沒有進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文采用永久變形這一相對(duì)指標(biāo)再次對(duì)瀝青混合料在高溫保水條件下抵抗變形的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 浸水車轍試驗(yàn)得到的永久性變形及動(dòng)穩(wěn)定度類別各時(shí)間段(min)的永久變形/%1～1515～3030～4545～601～60動(dòng)穩(wěn)定度DS(次·mm-1)Cv/%礦粉6.773.411.340.6012.129287.2740%的礦粉+60%的水泥4.383.191.180.529.2714355.33

由表11可知，添加礦粉后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有明顯的提高，達(dá)到規(guī)范的使用要求。添加水泥的破碎卵石瀝青混合料在高溫保水條件下的變形相對(duì)較小，在整個(gè)試驗(yàn)過程中變形量減小了約2.85%。

通過對(duì)填料分別為礦粉和40%的礦粉+60%水泥的2組混合料進(jìn)行浸水馬歇爾、多次凍融劈裂試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)，比較了兩者的試驗(yàn)結(jié)果，未添加水泥的破碎河卵石瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果無法滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中對(duì)于中下面層的相關(guān)要求，通過將60%的礦粉用水泥代替后，能夠有效地改善破碎河卵石與瀝青的粘附性，提高破碎河卵石瀝青混合料的抗水損害能力，達(dá)到規(guī)范的使用要求。

4　結(jié)語

通過對(duì)各種顏色的破碎河卵石進(jìn)行物理性能試驗(yàn)，得到破碎河卵石的強(qiáng)度較高、耐磨性好，各種顏色的卵石在物理性能上較為接近，數(shù)值上的波動(dòng)不是很大，且都符合規(guī)范上的使用要求。

破碎河卵石與瀝青的粘附性較差，通過將60%的礦粉用堿性較強(qiáng)的水泥代替后，能夠很好地改善兩者間的粘附性，進(jìn)而提高破碎河卵石瀝青混合料抵抗水損害的能力，在路用性能上達(dá)到高等級(jí)瀝青路面中下面層的使用要求。

在使用于瀝青路面的碎石資源緊張或缺乏而河卵石豐富的地區(qū)，在符合建設(shè)要求的情況下，建議采取就近取材的原則，將破碎河卵石應(yīng)用于道路的建設(shè)。

[1]許玲.天然砂礫材料在公路中的應(yīng)用技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2010.

[2]張偉.破碎卵石在瀝青路面中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3]王瑞林，周維鋒，劉偉.破碎礫石與瀝青的黏附性能分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34(5)：49-52.

[4]李玉琨.水泥代替礦粉對(duì)瀝青混合料性能的影響分析[J].科技研究，2013(8)：34-38.

[5]邊秀奇，魏宏，宋秀蓮.瀝青膠漿對(duì)瀝青混合料粘彈性的影響[J].交通科技，2014(6)：109-112.

[6]鄭曉光，楊群，呂偉民.水泥填料對(duì)瀝青混合料性能影響的試驗(yàn)分析[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2005，8(5)：480-484.

[7]錢曉鷗.青海地區(qū)酸性石料與瀝青粘附性改善技術(shù)的研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

2016-07-20

周黃勝(1984-)，男，工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理。

；1008-844X(2016)03-0023-04

；U 414.1

；B