岳爱军, 黄健洪, 李福毅

(桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西 桂林 541004)

0 引 言

沥青混合料由沥青、集料和填料经拌和胶结而成,而沥青混合料的材料组成设计决定沥青路面的性能,为提高沥青混合料的性能,如何确定细集料组成成为沥青混合料组成设计中一个必不可少环节[1]。与石屑相比,机制砂具有含粉量少、棱角性好和表面纹理相对丰富等物理特性使其能提高沥青混合料的性能[2]。叶勇[3]基于三维景深显微镜和扫描电镜发现细集料棱角性与沥青混合料黏附性呈正比。谢百惠[4]研究指出,细集料棱角性的丰富性能提高沥青混合料的力学性能。房士伟等[5]采用均匀设计办法发现优化后的细集料级配能提高沥青混合料的路用性能。姑丽比娅·艾斯卡尔[6]研究沥青混合料高温稳定性发现,细集料含量越多混合料高温性能越不佳。

从上述研究可以看出,前人在细集料对沥青混合料性能影响进行了大量研究,但是主要集中在细集料的关键筛孔、棱角性及含量等,而不同细集料材质对红色石灰岩沥青混合料AC-25,AC-20性能影响的研究相对较少。红色石灰岩是一种以白云石为主要成分的碱性集料,表观呈砖红色,其在高等级道路中应用较少。万路等[7]基于X射线衍射得出,白云石含量过多会使得沥青混合料的水稳定性下降;邹飞[8]指出含量较多白云石的石灰岩实际应用时会出现其与沥青黏附性较差而出现沥青路面出现水损害的状况。目前,解决红色石灰岩与沥青粘附性较差的办法有添加抗剥落剂、掺2%水泥替换矿粉、细集料采用精品机制砂等。精品机制砂干净、颗粒圆润、级配合理且稳定,但成本较高,2019 年广西首次成功在钟昭高速公路采用精品机制砂做表面层的细集料。

以AC-25,AC-20为主要研究对象,粗集料采用经加工的红色石灰岩碎石。AC-25细集料类型:红色石灰岩精品机制砂、石灰岩石屑。AC-20细集料类型:红色石灰岩精品机制砂、黑色石灰岩精品机制砂。制备出四种红色石灰岩沥青混合料,综合分析精品机制砂材质对红色石灰岩沥青混合料AC-25,AC-20的组成设计及性能的影响,为提高红色石灰岩应用于沥青路面中、下面层的可行性,具有现实意义。

1 原材料

1.1 沥 青

试验采用70号A级道路石油沥青、SBS改性沥青,试验结果如表1所示。

表1 沥青主要技术指标测试结果

1.2 集 料

试验红色石灰岩取自广西龙女石场,其自然状态下颜色显砖红。红色石灰岩精品机制砂、石灰岩石屑均取自广西龙女石场,黑色石灰岩精品机制砂产自于广西运江石场,红色石灰岩的矿物组成成分如表2所示,粗、细集料的物理性质指标如表3,表4所示。

从表1可以看出,红色石灰岩的主要成分是白云石,可达到75%,其次为方解石和绢云母,含量分别为22%,2%,同时含有少量的褐铁矿;从表3可以看出,红色石灰岩的物理性质指标均满足《公路工程集料试验规程》(GTJ E42-2005)的技术要求,但红色石灰岩与沥青的黏附性等级仅为4级,这可能与红色石灰岩集料中白云石含量偏高相关,白云石表面相对光滑,白云石难以吸收沥青形成“结构沥青”,“自由沥青”相应增多,表现为集料与沥青的黏附性稍差;从表4可以看出,与黑色精品机制砂和石屑相比,红色石灰岩精品机制砂的砂当量和棱角性相对较大,说明其洁净度相对较高、含杂质土的比例更低,且抵抗集料流动变形的性能和矿料间嵌挤作用更强。

表2 矿料组成成分检测结果

表3 粗集料物理性质指标测试结果

表4 细集料物理性质指标测试结果

1.3 填 料

填料为白色石灰岩矿粉,产地为广西海日环保实业有限公司,其基本技术指标如表5所示。

表5 矿粉基本技术指标

2 沥青混合料配合比设计

试验使用的粗细集料均经热料仓筛分除尘的热料,粗集料分别为1#红色石灰岩碎石(22～28)mm,2#红色石灰岩碎石(16～22)mm,3#红色石灰岩碎石(11～16)mm,4#红色石灰岩碎石(5～11)mm,5#红色石灰岩碎石(3～5)mm,细集料有6#红色石灰岩精品机制砂、7#黑色石灰岩精品机制砂和8#石灰岩石屑。

广西地区雨热同期,在混合料配合比优化设计[9]时要考虑其密实防水及骨架抗力的综合功能,结合广西高速沥青路面工程经验采用密实型粗颗粒断级配沥青混合料的AC-25,AC-20。AC-25的矿料组成设计为1#:2#:3#:4#:5#,细集料:矿粉=16:21:19:14:5:21:4,沥青种类为70号A级道路石油沥青;AC-20的矿料组成设计为2#:3#:4#:5#,细集料:矿粉=24:26:20:4:22:4,沥青种类为改性沥青。AC-25,AC-20级配通过率如表6所示。AC-25r,AC-20r采用红色石灰岩精品机制砂,AC-20b采用黑色石灰岩精品机制砂,AC-25w采用石灰岩石屑, AC-25,AC-20的马歇尔试验结果如表7所示。

从表7可以看出,AC-25,AC-20马歇尔试验结果均能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求。AC-25r的稳定度要大于 AC-25w的稳定度,AC-25r,AC-20r的空隙率要分别小于AC-25w,AC-20b,这与AC-25r,AC-20b中0.15mm～4.75mm颗粒含量较多有关。

表6 AC-25,AC-20设计级配通过百分率

表7 AC-25,AC-20的马歇尔试验结果

3 沥青混合料的路用性能

3.1 高温稳定性

在温度为60℃,胶轮压强为0.7MPa条件下进行车辙试验以判定红色石灰岩沥青混合料AC-25,AC-20的高温稳定性,试验结果如表8所示。

由表8可以知道,AC-20r,AC-20b的动稳定度均远大于规范要求的4000次·mm-1,这与红色石灰岩沥青混合料AC-20采用粗颗粒密实型断级配及细集料选用经碎石加工的精品机制砂相关;与AC-25w相比,AC-25r的动稳定度提高了28.2%;相对AC-20b,AC-20r的动稳定度提高了17.0%,这表明在高温与外力共同作用的条件下,采用棱角性丰富的红色精品机制砂做细集料可以增强沥青混合料抵抗变形的能力。

表8 车辙试验结果

3.2 水稳定性

为了更好评价红色石灰岩沥青混合料水稳定性,开展1次、2次、3次、5次冻融循环试验,以模拟沥青混合料在工程应用的情况,试验结果如图1所示。

图1 冻融循环下AC-25,AC-20冻融劈裂抗拉强度比

由图1可以看出,经过1次冻融循环后,AC-25r,AC-25w的冻融劈裂抗拉强度比分别为94.3%,84.2%,均能满足规范要求[10];相对AC-25w,经过5次冻融循环后的AC-25r劈裂抗拉强度比提高10.2%,表明AC-25r的水稳定性能更好,这与红色精品机制砂沥青混合料更加密实相关;经过1次冻融循环后,AC-20r,AC-20b的冻融劈裂抗拉强度比分别为98.1%,94.6%,均能满足规范要求[10];相对AC-20b,经过5次冻融循环后的AC-20r冻融劈裂抗拉强度比提高了7.7%,表明AC-20r的抗水损害性能更好,这亦与沥青混合料的密实度相关。

4 沥青混合料的力学性能

沥青混合料强度根据其内部组成结构可以分为两个方面:(1)集料颗粒间的嵌挤作用;(2)沥青胶结料的黏结性。通过摩尔-库仑内摩擦理论对红色石灰岩沥青混合料的力学性能进行分析,并采用黏聚力和内摩擦角做分析指标。试验采用双面击实功为75次马歇尔试件,温度T分别为15℃,30℃,40℃,50℃,60℃,AC-25,AC-20试验结果如图2所示。

从图2可以看出,与AC-25黏聚力变化规律相同,AC-20黏聚力随着温度的上升而减小,沥青混合料在40℃后表现出黏弹性,这与沥青是感温性材料相关;红色精品机制AC-20r的黏聚力也大于采用黑色精品机制砂的AC-20b;从图2还可以看出,与AC-25w,AC-20b分别相比,AC-25r,AC-20r黏聚力相应更大,这与红色精品机制砂砂当量较高,含杂质土相对较少,增加了与沥青的接触面,形成的“结构沥青”数目较多相关。

从图3可以看出,在相同的试验温度及细集料相同下,与AC-25r相比,AC-20r的内摩擦角相对较小,这与混合料的最大粒径相关,内摩擦角取决于集料间嵌挤咬锁作用。AC-25,AC-20的内摩擦角随温度升高不断增大,这是由于温度升高,沥青的流变性能增强,使得矿料表面的沥青膜发生滑移,沥青膜厚度减薄,矿料间嵌挤作用加强,内摩擦角变大;但分别与AC-25w,AC-20b相比,采用棱角性丰富的红色精品机制砂沥青混合料AC-25r,AC-20r内摩擦角更大,即其具有更好的高温稳定性,与表8得出的结论一致。

图2 AC-25,AC-20黏聚力随温度变化关系

图3 AC-25,AC-20内摩擦角随温度变化关系

5 试验段铺筑效果

不同细集料中、下面层沥青路面平整,芯样完整密实均形成骨架结构,沥青路面芯样密度与混合料的理论最大密度之比均满足规范要求,具有良好的密实性,沥青路面压实度如表9所示,部分芯样如图4所示。但精品机制砂红色石灰岩中、下面层沥青路面会出现“露红”现象(如图5所示),这与红色精品机制砂呈显红色,红色石灰岩集料中含有的白云石与沥青黏附性稍差,轮胎压路机喷涂植物油隔离剂粘走部分沥青膜相关,为此,在沥青路面施工过程中应合理控制轮胎压路机的碾压遍数,避免出现过度碾压现象。

表9 中、下面层精品机制砂红色石灰岩沥青路面的压实度检测结果

图4 精品机制砂红色石灰岩沥青混合料芯样

图5 精品机制砂红色石灰岩中面层试验段效果

6 结 论

(1)红色石灰岩沥青混合料AC-25,AC-20的19mm,9.5mm,4.75mm,2.36mm,0.6mm,0.075mm的通过率为95.2%～80.2%,44.8%～50.9%,30.1%～30.4%,23.5%～24.2%,10.2%～10.5%,5.1%～5.2%,能形成骨架结构,高温抗车辙性好。

(2)冻融循环下,与其他细集料沥青混合料相比,5次冻融循环后的红色精品机制砂沥青混合料AC-25,AC-20的冻融劈裂抗拉强度比更高,具有更好的长期水稳定性。

(3)与其他细集料沥青混合料相比,在30℃～60℃时红色精品机制砂AC-25,AC-20的黏聚力与内摩擦角试验结果相对增大,红色精品机制AC-25,AC-20的力学性能更佳。