石灰岩粗集料沥青路面抗滑耐磨性能研究

2020-12-23周游

西部交通科技 2020年8期

周游

摘要：文章从石灰岩集料的抗滑耐磨性能入手，研究了不同集料类型和级配下石灰岩粗集料沥青混合料的抗滑耐磨特性。结果表明：（1）石灰岩的磨光、压碎、磨耗以及冲击性能均能满足沥青路面施工队集料的技术要求;（2）相同磨耗圈数下，砂岩摆值>玄武岩摆值>石灰岩摆值，并且摆值随磨耗圈数呈幂函数降低;（3）通过对比四种级配下的摆值衰变规律，确定了最佳级配和油石比;（4）通过对实际工程试验路段的检测和效益分析可知，在最佳配比下，石灰岩沥青路面的抗滑性能较佳，且具有可观的经济和社会效益，可在沥青路面设计施工中合理应用。

关键词：石灰岩;抗滑耐磨;集料类型;级配;摆值

中图分类号：U416.217A240864

0 引言

沥青路面是高速公路的主要结构形式，当前，普遍使用玄武岩[1]、砂岩[2]、辉绿岩[3]作为沥青路面的粗集料，很少用到石灰岩，这是因为工程界的普遍认知是石灰岩沥青路面的抗滑稳定性不能满足相关技术要求[4-5]。随着玄武岩、辉绿岩等材料被大量消耗，材料价格也逐渐上升，使得工程成本大大增加，而石灰岩的储量巨大且分布较广，可以大大缓解工程建设资金压力，因此，研究石灰岩粗集料沥青路面抗滑耐磨性能具有十分重要的工程意义。

李菁若等对石灰岩碎石筛选技术进行了研究，提出优先选用白云石和石英含量较多的石灰岩作为沥青混合料的粗集料[6];周兴林等通过试验表明，在酸性环境下SMA-13的抗滑性能优于AC-13，且在酸性腐蚀作用下石灰岩沥青混合料的抗滑性能较平常降低5%～10%[7];黎晓等对石灰岩排水沥青路面的摊铺工序和性能进行了分析，结果表明，石灰岩沥青路面的各项性能均满足技术要求[8]。目前，主要采用抗滑性能衰减率对沥青混合料的抗滑稳定性进行评估[9-10]，熊剑平等对石灰岩沥青混合料抗滑性能衰变特性进行了研究，对比分析AC-13及SMA-13混合料的抗滑衰变特性，并认为当石灰岩集料的粒形接近球体或立方体时有助于混合料的抗滑稳定性[11]。

目前，关于石灰岩沥青混合料抗滑性能的研究仍比较鲜见，本文首先从石灰岩集料的抗滑耐磨性能入手，探讨分析了不同集料类型和级配下石灰岩粗集料沥青混合料的抗滑耐磨特性，并从经济性、社会性各方面进行了对比，可为石灰岩粗集料沥青的推广使用提供借鉴。

1 石灰岩集料抗滑耐磨特性

影响沥青路面抗滑耐磨性能的主要因素为集料性质及集料级配，而沥青路面中提供摩擦力的主要成分为混合料中的粗集料。因此，首先对取自某高速公路项目的石灰岩粗集料进行磨光、压碎、磨耗及冲击性能试验，测试石灰岩本身的抗滑耐磨性能，其结果见表1。从表中可以看到：高速公路对集料的极限磨光值不超过42%，而在经历2次、3次和4次1 200圈磨光圈数后，石灰岩集料的磨光值分别为34%、40.2%和40.87%，均低于42%，石灰岩集料的磨光值在前期磨光量较大，但随着磨光次数逐渐增大，后期的磨光值较小，这说明将石灰岩集料应用于高速公路沥青路面，其抗滑性能能够得到充分保证;随着压力荷载逐渐增大，石灰岩粗集料的压碎值基本呈线性增长，当压力值达到700 kN后，其压碎值仅为24.8%，符合规范中≤26%的相关要求，因此，将石灰岩应用于高速沥青路面，其耐久性可以得到足够的保障;磨耗损失值随磨耗圈数的增加呈加速增大的变化特征，当磨耗圈数为1 200圈时，石灰岩粗集料的磨耗损失为26%，<规范要求的28%限值，说明将石灰岩粗集料应用于沥青路面时，其耐磨性能符合相关要求;冲击值随着冲击次数的增加呈线性增长，当冲击次数达到40次后，石灰岩粗集料的冲击值为27.2%，仍滿足规范要求的≤28%的相关要求，可见，石灰岩沥青路面的抗行车轮胎冲击能力可以满足相关技术要求。

2 石灰岩沥青混合料抗滑性能

2.1 集料的影响

分别对石灰岩、玄武岩和砂岩这三种粗集料沥青混合料的抗滑性能进行了对比分析，见图1。从图1中可以看到：随着磨耗圈数的增加，沥青混合料的摆值呈逐渐减小趋势，且前期的下降幅度大于后期的下降幅度，这是因为前期沥青薄膜消耗较快，当表层的沥青薄膜磨光后，将由骨料承受磨耗，而骨料的抗磨耗能力要远强于沥青薄膜，故而后期的下降幅度减小;采用石灰岩作为沥青混合料时，磨耗圈数达到14 400圈后，摆值衰减呈稳定状态，而当采用玄武岩或砂岩作为沥青混合料时，在磨耗圈数为7 200圈后，摆值呈稳定衰减状态;相同磨耗圈数下，砂岩的摆值最大，玄武岩次之，石灰岩最小;当未进行磨耗时，石灰岩、玄武岩和砂岩的摆值分别为60.5、65.1和68.1，均满足设计规范>56的要求，因此石灰岩沥青混合料的摆值符合相关功能要求。

2.2 级配的影响

试验设计了四种不同级配的石灰岩沥青混合料，级配情况见图2。级配1组的骨料粒径主要集中于2.36～9.5 mm，达到63%;级配2组的骨料粒径主要集中于2.36～13.2 mm，占比为65%;级配3组的骨料粒径主要集中于4.75～13.2 mm，占比为68%;级配4组的骨料粒径主要集中于9.5～13.2 mm，占比为76%。通过室内试验确定出四组级配下石灰岩沥青混合料的最佳油石比分别为5.6%、4.1%、6.3%和4.4%。

不同级配下石灰岩沥青混合料的摆值随磨耗圈数变化情况见图3。从图中可以看到：不同级配下的摆值随磨耗圈数的变化情况均比较相似，也是呈先快速降低，后稳定减小的衰减状态。磨耗初期，相同磨耗圈数下，级配4组的摆值最大，其次为级配3组，再次为级配2组，最小的为级配1组。可见，石灰岩沥青混合料的抗滑耐磨特性随着骨料粒径的增大而增大，随着磨耗地继续进行，四组的摆值均有不同程度降低，级配4组的摆值依然最大，但其余3组的摆值变化较为复杂，且相差不大。从试验结果可以看出：级配对石灰岩沥青混合料的抗滑性有较大影响。

3 工程应用分析

3.1 性能检测

采用石灰岩集料进行沥青混合料的配制（级配4、最佳油石比4.4%，现场适当进行调整），并在某高速公路试验路段（共200 m）进行铺筑，然后对其抗滑性能参数（构造深度、横向应力系数、摆值）进行检测，结果见图4。从图中可以看到：在路面铺筑完成后，各测试断面的构造深度均>0.5 mm，经历3年的运营后，构造深度均有不同程度减小，平均减小幅度为32.1%，除了K60测试点构造深度<0.5 mm外，其余测试点均>0.5 mm，可见，石灰岩沥青路面具有较好的耐磨性能。在最初铺筑完成后，路面的横向力系数分布较为均匀，没有出现较大变化，这说明试验路段铺筑施工水平良好，且路段的抗滑能力比较接近（均>60，符合设计规范），路面运行3年后，横向力系数有所降低，平均下降幅度为30%，但平均横向力系数仍然有48.5，可见石灰岩沥青混合料具有较好的抗滑性能。沥青路面的摆值要求>45，从图4（c）中可以看到：运营前后的路面摆值均>45，且最初铺筑的摆值与运营三年后的路面摆值相差不大，平均下降幅度仅为6.8%，可见，石灰岩沥青路面的抗滑耐磨性能优良。

3.2 经济及社会效益

中国是世界上石灰岩矿资源最为丰富的国家之一，而山西省的石灰岩资源在全国也名列前茅，在高速公路基础设施工程快速发展的当下，逐步转变传统的沥青路面铺筑形式，可以取得很好的经济和社会效益，其主要原因如下：

（1）采用石灰岩石材可以大大节省运输成本。由于玄武岩分布不均，且因为近些年来的大量使用，玄武岩石材的储量已出现大幅下滑，若使用玄武岩，就不得不从远处石材厂购买优质的玄武岩石材，结合某300 km沥青高速公路为例，采用外地购买玄武岩石材的运输费用大概为2 830万元，而从沿线购采石灰岩石材的运输费用仅为1 215万元，相比之下可以节约近一半的运输费用。

（2）石灰岩价格低廉，材料采购成本大幅减少。由于玄武岩的储量较少，且开采难度较石灰岩大，因此其单价较石灰岩高，根据多家石材厂商的问价调查显示，石灰岩的平均单价较优质玄武岩的平均单价低约30%。

（3）石灰岩能在沿线就地取材，可以促进公路沿线石材厂的发展，增加当地的就业机会，对推动社会经济发展具有重要意义。

4 结语

（1）石灰岩作为沥青混合集料，其自身的磨光、压碎、磨耗、及冲击性能均能满足相关规范要求。

（2）相同磨耗圈数下，砂岩的摆值最大，玄武岩次之，石灰岩最小，且三者均满足沥青混合料对摆值的要求;级配对石灰岩沥青混合料的抗滑性有较大影响，在保证混合料拌和均匀及其他性能的前提下，适当增加骨料粒径可以提高混合料的抗滑耐磨性。

（3）通过现场试验路段的性能检测，认为石灰岩粗集料沥青路面的构造深度、横向应力系数、摆值等各项参数均满足相关规范，且具有较高的经济和社会价值，值得在工程实践中得到合理运用。

参考文献：

[1]李献勇.玄武岩纤维增强BRA改性SMA-13沥青混合料路用性能研究[J/OL].公路与汽运，2019（6）：66-69.

[2]马晓晖.砂岩SMA-13混合料在沥青表面层的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2016，12（11）：47-48.

[3]吴敏，丛林.辉绿岩沥青混合料在贵州惠罗高速公路的应用研究[J].交通科技，2016（2）：176-179.

[4]肖千里.典型沥青路面抗滑与耐磨性能的对比分析[J].江西建材，2016（6）：213-214.

[5]李菁若，张东长，谭巍.粗集料的抗滑耐磨性能评价新方法[J].公路交通科技，2016，33（12）：76-82.