丁蓬勃，鄭董成，陳 搏，揭繼興

（1.廣東潮惠高速公路有限公司粵東分公司，廣東 揭陽 516251；2.廣東省高速公路有限公司深汕西分公司擴(kuò)建管理處，廣東 惠州 516200；3.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣東 廣州 510641）

0 引 言

瀝青膠漿主要由瀝青、細(xì)集料、填料組成，于瀝青混合料內(nèi)提供主要填充和膠結(jié)功能，并在很大程度上決定了混合料的路用性能[1-3]。為了提高提高細(xì)集料與瀝青的粘附性能，廣東省主要采用堿性巖石石灰?guī)r碎石破碎制備的機(jī)制砂，而隨著多年的開采，很多區(qū)域已經(jīng)發(fā)生石灰?guī)r集料開采資源的枯竭情況，只能遠(yuǎn)距離采購優(yōu)質(zhì)材料，額外加大了材料支出，同時也延誤工期。此外，近年來的重載交通道路發(fā)現(xiàn)，使用石灰?guī)r機(jī)制砂的路面抗滑性能抗滑性能衰減較快，主要與石灰?guī)r的抗磨耗性較差有關(guān)[4]。而反觀花崗巖、輝綠巖等材料，兼具有堅硬、致密、耐磨的材料特征，可以更好地展現(xiàn)顆粒的相互嵌擠功能[5-7]。尤其是輝綠巖機(jī)制砂，偏向于中性與基質(zhì)巖類，質(zhì)地堅硬，與瀝青粘附性良好，且局部地區(qū)儲量豐厚，因而具備較好的應(yīng)用前景和研究意義[8]。

細(xì)集料包含天然砂、機(jī)制砂、石屑等，其中天然砂粘附瀝青的效果不佳，基本不用于瀝青路面，石屑的加工粒型不佳，且大部分為石場邊角料，強(qiáng)度低，也基本不在高等級瀝青路面中使用[9]。機(jī)制砂主要為0～2.36 mm規(guī)格，屬于石場的精加工材料，具有良好的加工特性與應(yīng)用價值。國內(nèi)外研究人員對機(jī)制砂做了豐富的研究，主要包括機(jī)制砂的加工工藝、規(guī)格級配、幾何特性等方面[10，11]。馬士賓等采用不同棱角的細(xì)集料制備了試件，分析了集料棱角對路面抗車轍能力的意義[12]。姚形傲等采用顯微鏡測量細(xì)集料形貌，構(gòu)建了分維數(shù)表征模型，并系統(tǒng)開展了不同形貌細(xì)集料對瀝青路面的性能影響研究[13]。然而，關(guān)于細(xì)集料的研究中，分析細(xì)材料巖性和瀝青混合料路用性能影響的相關(guān)內(nèi)容甚少。

因此，本文選取三種礦物組成相異的機(jī)制砂并開展瀝青混合料路用性能試驗研究，對各巖性機(jī)制砂成型試件的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、高溫性能進(jìn)行分析，并探索抗剝落措施對混合料性能的影響，為不同巖質(zhì)機(jī)制砂的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料

1.1 機(jī)制砂

選擇花崗巖、石灰?guī)r、輝綠巖三種機(jī)制砂（0～3 mm），測試指標(biāo)匯總見表1。

表1 三種巖性機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗集料

粗集料采用廣西輝綠巖，粒徑分別是3～5 mm、5～10 mm、10～18 mm。具體技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗集料性能指標(biāo)

1.3 瀝青材料

瀝青膠結(jié)料選擇殼牌公司的SBS（I-D）改性瀝青。具體性能檢測情況匯總于表3。

表3 瀝青性能指標(biāo)

2 機(jī)制砂巖性測試與評定

集料表面官能團(tuán)與酸堿特性是影響瀝青粘附性的重要因素，采用X射線衍射儀對不同巖性機(jī)制砂礦物成分進(jìn)行測試。X射線衍射儀主要通過發(fā)射短波電磁波穿透被測材料，X射線收到物體晶體原子的散射，產(chǎn)生的散射波又形成衍射，進(jìn)而可獲得晶體結(jié)構(gòu)。選擇三種機(jī)制砂（花崗巖、石灰?guī)r、輝綠巖），篩分不同巖性機(jī)制砂，選取0.045 mm左右的粉體進(jìn)行測試。使用型號XRD-6000衍射儀，采用2θ/θ連續(xù)掃描，采樣步寬0.02°，掃描速度2°/min。獲得巖樣衍射圖譜后，利用Jade 6數(shù)據(jù)處理軟件對集料的礦物開展成分對比。從表4數(shù)據(jù)可看出，所選取的花崗巖樣品主要成分為石英、鈉長石、綠錐石、云母、綠泥石，石灰?guī)r樣品的主要成分為方解石、石英、白云石、云母，輝綠巖樣品的主要成分為輝石、霞石、拉長石、單斜硼鎂石、尖晶石。根據(jù)化學(xué)式與質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算得SiO2含量，花崗巖的SiO2含量最高，輝綠巖次之，石灰?guī)r最低。瀝青混合料關(guān)于石料酸堿性判別依據(jù)為：SiO2含量大于65%為酸性巖石，52%～65%為中性巖石，45%以下為基性（堿性）巖石。因此，所選花崗巖為酸性巖，石灰?guī)r為堿性巖，輝綠巖為中性巖。

表4 不同巖石成分

3 瀝青混合料設(shè)計

3.1 級配設(shè)計

采用上述原材料，進(jìn)行GAC-16型瀝青混合料目標(biāo)配合比礦料級配曲線設(shè)計，并充分參考近年來的廣東省高速公路瀝青路面應(yīng)用經(jīng)驗，設(shè)計的礦料級配見表5。油石比為4.7%，礦粉摻量為4.0%。

表5 礦料合成級配組成

3.2 瀝青混合料體積指標(biāo)

從混合料密度指標(biāo)可以看出，相同的礦料級配設(shè)計下，僅改變機(jī)制砂細(xì)集料類型，計算出來的混合料最大理論密度大小依次為：花崗巖機(jī)制砂混合料＜石灰?guī)r機(jī)制砂混合料＜輝綠巖機(jī)制砂混合料，與機(jī)制砂的密度排序一致。而經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)擊實后，各試件毛體積密度大小依次為：花崗巖機(jī)制砂混合料＜輝綠巖機(jī)制砂混合料＜石灰?guī)r機(jī)制砂混合料，此時石灰?guī)r機(jī)制砂的混合料試件密度最高。不同機(jī)制砂混合料的密度見圖1。

圖1 不同機(jī)制砂混合料的密度

進(jìn)一步，計算各機(jī)制砂混合料的空隙率指標(biāo)（見圖2）。分析可得，石灰?guī)r機(jī)制砂混合料試件的空隙率最低，花崗巖其次，輝綠巖最高。分析可得：花崗巖機(jī)制砂混合料試件內(nèi)部空隙率居中，與設(shè)計目標(biāo)空隙率較接近。石灰?guī)r機(jī)制砂混合料計算的空隙率指標(biāo)明顯小于其他組，說明該混合料試件過度密實。究其原因，石灰?guī)r機(jī)制砂一方面壓碎值較低，在成型過程中容易被壓碎，導(dǎo)致混合料內(nèi)部密實；另一方面，石灰?guī)r顆粒在拌鍋中干拌過程容易研磨起粉，尤其是較粗顆粒的棱角被磨光，此時導(dǎo)致混合料中的粉量增大，而棱角磨光的粗顆粒也容易錘擊密實。輝綠巖機(jī)制砂混合料空隙率最大，一方面輝綠巖機(jī)制砂密度較大，相同質(zhì)量下細(xì)料體積??；另一方面，輝綠巖機(jī)制砂顆粒堅硬，棱角豐富，與粗集料之間的摩擦阻力較大，相比石灰?guī)r機(jī)制砂混合料更加難以壓實。因此，使用高密度輝綠巖機(jī)制砂作為填料時，可適當(dāng)增加機(jī)制砂的摻配比例。

圖2 不同機(jī)制砂混合料的空隙率

4 機(jī)制砂巖性對瀝青混合料路用性能的影響

4.1 浸水馬歇爾試驗分析

參照試驗規(guī)程JTG E20制作馬歇爾試件，開展4 h的浸水養(yǎng)護(hù)，分析結(jié)果見圖3。從浸水前后的馬歇爾穩(wěn)定度水平來看，石灰?guī)r機(jī)制砂混合料和輝綠巖機(jī)制砂混合料的強(qiáng)度水平明顯高于花崗巖機(jī)制砂混合料，尤其是浸水后，花崗巖機(jī)制砂混合料的強(qiáng)度衰減衰減幅度最大。三種機(jī)制砂混合料的殘留穩(wěn)定度比皆滿足高速公路的技術(shù)指標(biāo)。進(jìn)一步分析背后原因：粗集料由于使用了黏附性較好的輝綠巖，且瀝青為性能良好的SBS改性瀝青，一定程度上保證了混合料穩(wěn)定度的水平均較高。摻加花崗巖機(jī)制砂的瀝青混合料，其浸水前的穩(wěn)定度低于摻加石灰?guī)r混合料約8.8%，低于輝綠巖機(jī)制砂混合料約4.4%；浸水后的穩(wěn)定度低于石灰?guī)r機(jī)制砂混合料約13.9%，低于輝綠巖機(jī)制砂混合料約8.5%；說明花崗巖機(jī)制砂填料與瀝青的黏附性相對石灰?guī)r以及輝綠巖較弱。石灰?guī)r機(jī)制砂混合料的穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度比均略高于輝綠巖機(jī)制砂混合料，一方面與堿性材料的粘附性優(yōu)良有關(guān)；另一方面與石灰?guī)r機(jī)制砂有助于提高混合料密實性有關(guān)。

圖3 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

4.2 凍融劈裂試驗分析

參照試驗規(guī)程JTG E20制作馬歇爾試件，開展循環(huán)凍融養(yǎng)護(hù)以及劈裂強(qiáng)度測試。首先將試件放置在25℃養(yǎng)護(hù)2 h，測試劈裂強(qiáng)度；然后將另一組試件放置于-18℃保溫箱養(yǎng)護(hù)16 h；隨后放置60℃水箱養(yǎng)護(hù)24 h；最后浸泡25℃水箱2 h，以此循環(huán)后測試試件劈裂強(qiáng)度。由圖4可看出，凍融前后的劈裂強(qiáng)度優(yōu)劣依次為石灰?guī)r＞輝綠巖＞花崗巖混合料，尤其是花崗巖機(jī)制砂摻加的混合料，凍融前后的劈裂強(qiáng)度明顯弱于石灰?guī)r和輝綠巖機(jī)制砂混合料。殘留強(qiáng)度比的規(guī)律與劈裂強(qiáng)度水平規(guī)律一致，石灰?guī)r機(jī)制砂和輝綠巖機(jī)制砂混合料的抗凍融性能均處于優(yōu)良水平。

圖4 凍融劈裂試驗結(jié)果

4.3 高溫車轍試驗分析

由于廣東省常年溫度較高，尤其是夏季地面溫度高達(dá)60℃以上，對瀝青路面的高溫條件下的抵抗變形能力要求較高。國內(nèi)外測試瀝青路面高溫性能的試驗種類繁多，比如足尺環(huán)道試驗、高溫蠕變試驗、加速加載試驗等。本研究按照試驗規(guī)程JTG E20，選用60℃的恒溫車轍儀開展膠輪往返碾壓測試，輪載設(shè)定為0.7 MPa，測定瀝青試件變形1 mm的輪碾作用次數(shù)，進(jìn)而評價不同巖性機(jī)制砂混合料的高溫性能。試驗結(jié)果見圖5。

圖5 高溫動穩(wěn)定度

由車轍試驗結(jié)果可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，花崗巖機(jī)制砂混合料、石灰?guī)r機(jī)制砂混合料、輝綠巖機(jī)制砂混合料試件的穩(wěn)定度都高于6 000次/mm，遠(yuǎn)大于設(shè)計規(guī)定。而改變機(jī)制砂的巖性，瀝青混合料之間的高溫穩(wěn)定性變化顯著，體現(xiàn)在：在其他條件不變的前提下，僅改變機(jī)制砂巖性，發(fā)現(xiàn)輝綠巖機(jī)制砂混合料的動穩(wěn)定度最大，石灰?guī)r機(jī)制砂動穩(wěn)定度略低，究其原因，盡管石灰?guī)r機(jī)制砂跟瀝青間黏附性更好，但是由于其硬度稍差，于車輪荷載作用下易于被壓碎，且細(xì)集料顆粒的棱角性較弱，難以限制輪跡帶混合料的遷移；而輝綠巖機(jī)制砂較堅硬，與粗集料可以形成較好的嵌擠，且輪碾作用下不容易被壓碎，因此其動穩(wěn)定度更好。相比酸性巖質(zhì)花崗巖機(jī)制砂，使用中性巖質(zhì)輝綠巖機(jī)制砂的瀝青混合料，動穩(wěn)定度可以提升52.6%，使用堿性巖質(zhì)石灰?guī)r機(jī)制砂的瀝青混合料，動穩(wěn)定度可以提升45.2%，不僅與機(jī)制砂跟瀝青間黏附性有關(guān)，也和機(jī)制砂的硬度有關(guān)，使用硬質(zhì)細(xì)集料利于增強(qiáng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

4.4 低溫彎曲試驗分析

廣東粵北地區(qū)冬季溫度較低，瀝青路面低溫開裂也是其早期典型病害之一。國內(nèi)外對于瀝青路面的低溫抗裂性能測試試驗包括直接拉伸試驗、間接拉伸試驗、低溫劈裂蠕變試驗等。本研究參照試驗規(guī)程JTG E20，開展-10℃的小梁彎曲試驗，評價各巖性機(jī)制砂混合料的低溫抗裂性能。分析結(jié)果見圖6。

圖6 小梁彎曲試驗

分析可得：

（1）從抗彎拉強(qiáng)度指標(biāo)來看，石灰?guī)r機(jī)制砂混合料的抗彎拉強(qiáng)度最高，花崗巖機(jī)制砂混合料的抗彎拉強(qiáng)度最低，主要與細(xì)集料巖性跟瀝青間粘附力的差異有關(guān)，中性與堿性巖性細(xì)集料與瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度更大，因此體現(xiàn)了更好的抗彎拉強(qiáng)度。

（2）最大彎拉應(yīng)變指標(biāo)可以看出，花崗巖機(jī)制砂混合料的破壞應(yīng)變未能達(dá)到高速公路設(shè)計要求，其低溫抗裂性能較差；而石灰?guī)r機(jī)制砂和輝綠巖機(jī)制砂混合料的破壞應(yīng)變均達(dá)到設(shè)計要求，且二者的試驗結(jié)果較接近，因此可以認(rèn)為，輝綠巖和石灰?guī)r混合料均可以表現(xiàn)出較優(yōu)的低溫抗變形性能。

5 機(jī)制砂與瀝青黏附性改善技術(shù)研究

機(jī)制砂巖性影響了跟瀝青的黏附性，進(jìn)而影響瀝青混合料路用性能。并且，雖然中性巖質(zhì)機(jī)制砂雖然質(zhì)地堅硬，但是與瀝青的粘附性依然比石灰?guī)r機(jī)制砂略弱，有必要改善中性巖質(zhì)機(jī)制砂的黏附性。水泥材料可以降低集料表面能，增強(qiáng)其表面活性，在瀝青路面工程中作為抗剝落措施的一種有效方式。為此，在本研究里采用1.5%的水泥等質(zhì)量代替礦粉，添加于瀝青混合料中，并對比采用摻加水泥措施前后的不同機(jī)制砂混合料高溫性能、水穩(wěn)定性能的影響。

5.1 水穩(wěn)定性的改善

圖7浸水馬歇爾試驗數(shù)據(jù)表明，采用水泥抗剝落材料后的三種機(jī)制砂混合料，其殘留穩(wěn)定度比均有明顯改善，改善后殘留穩(wěn)定度以輝綠巖機(jī)制砂混合料最優(yōu)，石灰?guī)r機(jī)制砂較為接近，花崗巖較低，但也處于較好水平。表面使用抗剝落材料對瀝青混合料的抗水損性能效果良好。進(jìn)一步，計算不同機(jī)制砂混合料摻加水泥抗剝落材料前后的殘留穩(wěn)定度比的增長率（以摻加水泥后的殘留穩(wěn)定度比較摻加前的穩(wěn)定度比數(shù)值之差，并以摻加水泥前的殘留穩(wěn)定度比作為基準(zhǔn)，計算其增長率百分?jǐn)?shù)），花崗巖機(jī)制砂混合料摻加水泥后的殘留穩(wěn)定度比增長率最高，達(dá)到6.8%；輝綠巖機(jī)制砂混合料次之，為5.0%；石灰?guī)r機(jī)制砂最小，為2.3%。說明水泥抗剝落材料對酸性機(jī)制砂表面活性的提高效果最好，對堿性機(jī)制砂的提升效果較弱。

圖7 摻加抗剝落材料前后的浸水試驗結(jié)果

圖8凍融劈裂試驗結(jié)果表明，摻加水泥抗剝落材料后的瀝青混合料，經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后的殘留強(qiáng)度，也有顯著改善，殘留強(qiáng)度比基本達(dá)到95%以上。尤其是花崗巖機(jī)制砂混合料的試驗值，從摻加水泥前的82.3%提升至摻加水泥后的95%，增長率達(dá)16%，進(jìn)一步驗證了水泥抗剝落材料對酸性機(jī)制砂表面活性的提高效果。因此，摻加水泥材料作為抗剝落措施，對機(jī)制砂黏附性的改善效果明顯，尤其是酸性花崗巖機(jī)制砂和中性輝綠巖機(jī)制砂，能夠顯著提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

圖8 摻加抗剝落材料前后的凍融劈裂試驗結(jié)果

5.2 高溫性能的改善

圖9車轍試驗結(jié)果表明，摻加水泥抗剝落材料后的瀝青混合料，在高溫狀態(tài)下經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輪碾作用，其高溫變形量也出現(xiàn)較大的減少。動穩(wěn)定度指標(biāo)的增加量達(dá)到6 000～9 000次/mm，增長率達(dá)50%以上。究其原因，一方面水泥材料的摻加可以削減機(jī)制砂的表面能，增強(qiáng)機(jī)制砂表面活性，提高與瀝青間的粘結(jié)力，有助于改善瀝青混合料的抵抗荷載作用下的變形；另一方面，水泥材料經(jīng)過一定的養(yǎng)生后，裸露部分與空氣中水蒸氣接觸發(fā)生硬化，一定程度也能提高瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖9 摻加抗剝落材料前后的車轍試驗結(jié)果

6 結(jié) 論

（1）在相同礦料級配設(shè)計下，不同機(jī)制砂混合料試件的毛體積密度與最大理論密度規(guī)律存在沖突，除了受到機(jī)制砂本身密度值影響，還與機(jī)制砂壓碎值、耐磨耗、內(nèi)摩阻特性有關(guān)。

（2）石灰?guī)r機(jī)制砂混合料的穩(wěn)定度與殘留穩(wěn)定度比皆略高于輝綠巖機(jī)制砂，遠(yuǎn)高于花崗巖機(jī)制砂，凍融劈裂試驗也顯示出一致的規(guī)律。

（3）相比花崗巖機(jī)制砂，輝綠巖機(jī)制砂混合料動穩(wěn)定度提升52.6%，石灰?guī)r機(jī)制砂混合料動穩(wěn)定度提升45.2%，主要受機(jī)制砂跟瀝青間黏附性、及機(jī)制砂的硬度影響。

（4）低溫狀態(tài)下，花崗巖機(jī)制砂混合料的破壞應(yīng)變最低，抗裂性能較差；石灰?guī)r機(jī)制砂和輝綠巖機(jī)制砂混合料的破壞應(yīng)變試驗結(jié)果較接近，具有較優(yōu)的低溫抗變形能力。

（5）使用水泥材料抗剝落改善措施，花崗巖機(jī)制砂與輝綠巖機(jī)制砂混合料水穩(wěn)定性、高溫性能皆產(chǎn)生明顯改善，其中殘留穩(wěn)定度比提升5%以上，殘留強(qiáng)度比提升16%以上，動穩(wěn)定度提升50%以上。